CN103245308B - 超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置及方法，包含计算机、动态干涉仪、主测量台架、x方向导轨、z方向导轨、台架导轨、隔离装置。本发明将大口径光学元件平面度误差的检测装置与磨床相结合，实现光学元件在位检测，极大地提高加工效率，最大限度减少被测元件搬运中的引入误差。检测装置与超精密磨床采用分离式结构，不仅可以避免检测装置的精度受磨床工作振动的影响，还可以使检测装置单独使用，作为一种大口径光学元件平面度在位检测的通用设备。检测方法采用干涉拼接技术，利用本装置中动态干涉仪的高精度三维移动实现子孔径测量，扩大可检测元件的尺寸范围，有效抑制车间的环境误差，提高检测精度。

Description

超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置及方法，属于大口径光学元件的几何量测量技术领域。

背景技术

随着现代航空、航天、军事等技术的发展，大口径光学元件的应用越来越广泛，精度要求也越来越高。在加工大口径光学元件的过程中，需要多次对其进行检测，确保加工精度。目前大口径光学元件的检测方法基本上是离线检测，且需运输到具有大口径检测装置的异地去检测，这种方式不仅耗时而且会产生多次安装误差，仅适于器件的终端检测。为了及时调整加工过程、避免重复加工、保证加工效率，最佳方式是对大口径光学元件进行在位检测。

对于大口径光学元件，目前还没有在车间环境下与加工机床集成在一起的在位（即被测工件位于磨床上、非磨削状态下）的检测装置，虽然目前有理论上可行的检测方法，但都是基于离线检测的试验验证，是在温度、湿度和振动条件都得到严格控制的计量室条件下进行的。例如李圣怡等，在“CN 101251439A”中，公开一种基于相位恢复技术的大型光学镜面在位检测装置，主要由激光源、数码相机、分光棱镜、带支架的平台和计算机构成，该装置针对非球面镜设计，搭建在加工机床一侧，实现分平台在位检测。

大尺寸平面度的测量方法很多，主要有水平仪法、自准直仪法、光轴法、液面法等方法，对高精度的大口径光学元件进行平面度检测，最直接有效的方法是使用大口径移相干涉仪，但制造大口径干涉仪的成本极高。目前大口径光学元件的常用检测方法即子孔径拼接测量法，该方法使用小口径、高精度的干涉仪对整体面形分区域测量，通过拼接技术获得大口径光学元件的波前相位数据，不仅降低了检测成本，而且能够测量的元件尺寸不受干涉仪口径的限制。子孔径拼接方法最早在20世纪80年代初，由美国Arizona光学中心的C.Kim等人提出，即用一组较小口径的参考面列阵替代传统的单一的参考面，实现光学表面的检测。1986年，Stuhlinger等提出的DPM方法(Discrete Phase Method)首次利用子孔径之间的重叠区域，通过最小二乘拟合来估计子孔径的相对平移和倾斜，但受机械移动误差的影响，测量精度并不理想。1991年陈明仪等提出多孔径重叠扫描拼接技术（Multi-aperture Overlap-scanning Technique, MAOST），通过相邻子孔径之间重叠区信息的相关性将所有面形拼接起来，从而获得较大区域物体的面形，实现了大尺寸面形的高精度、高空间分辨率测量。2003年美国QED公司依据多孔径重叠扫描拼接原理研制了子孔径拼接干涉测量工作站Stitching Interferometer Workstation (SIW) ，它是子孔径拼接测量商业产品化的前驱，同时成功将其应用到包括非球面在内的曲面测量领域，该公司对这一技术和产品还在不断完善中。

综上所述，需要一种与大口径光学元件加工机床集成在一起的在位检测装置和方法，克服离线检测存在的弊端，在车间环境下能够对大口径光学元件的平面度误差实现高精度、高效率测量。

发明内容

为了克服上述已有平面度误差测量方法及装置存在的缺陷，本发明提出了一种超精密磨削大口径光学元件平面度误差的在位检测装置及方法。该检测装置与加工大口径光学元件的超精密磨床有效结合，不仅为超精密大尺寸光学玻璃平面磨床提供配套的核心检测装置，提供工艺分析、质量保证的依据，也可以作为一种大口径光学元件平面度在位检测的通用设备，为其他装置加工的大口径光学元件提供检测。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置，包含计算机、动态干涉仪、主测量台架、x方向导轨、z方向导轨、台架导轨、隔离装置，所述的动态干涉仪安装在z方向导轨上，用于测量被测面的各个子孔径数据，传输至计算机进行处理，动态干涉仪的主镜处加有封闭罩；所述的主测量台架为独立的移动式门架结构，沿台架导轨运动，其上安装有使动态干涉仪水平移动的x方向导轨和上下移动的z方向导轨；所述的台架导轨为燕形滑动导轨，使主测量台架沿y方向移动；所述的隔离装置用于避免磨床工作时对检测装置造成污染。

本装置与磨床集成一体，但采用分离式结构，相互独立运动：当在位检测装置工作，即对加工的光学元件被测面进行检测时，磨床处于停工状态，光学元件处于在位检测状态；当在位检测装置停止工作时进入隔离位置。

所述的x方向导轨为矩形滑动导轨，采用伺服电机驱动滚珠丝杠移动；z方向导轨采用伺服电机驱动齿轮齿条，由气缸定位；所述的x方向导轨、z方向导轨及台架导轨的轴与磨床的系统轴均由同一个数控系统控制。

一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测方法，采用上述的超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置进行测量，操作步骤如下：

步骤1：利用计算机中测量主控软件确定平面子孔径拼接测量方案：

步骤2：计算机操作在位检测装置进入检测状态，磨床处于停工状态，光学元件被测面处于在位状态，动态干涉仪主机移近磨床，动态干涉仪的主镜防护罩打开，光学元件被测面清理干净后进行检测；

步骤3：调节主测量台架位置，调整动态干涉仪主机的位置，使动态干涉仪出射波面能沿着光学元件被测面上划分的第1个子孔径区域的面法线方向入射到其表面上，并在动态干涉仪上观察到清晰的条纹；

步骤4：光学元件被测面的子孔径测量数据采集；

（4-1）利用动态干涉仪获取光学元件被测面的第1个子孔径测量数据，动态干涉仪自动将数据输入计算机中；

（4-2）计算机控制动态干涉仪移动相应距离，进入第2个子孔径测量位置，重复（4-1）；

（4-3）重复（4-2）直至获得所有子孔径的测量数据；

步骤5：采集子孔径测量数据后，检测装置停止工作，脱离磨床主体，进入隔离位置，加隔离装置；

步骤6：计算机进行数据处理和分析，即对所有子孔径测量数据进行拼接：利用计算机中的测量数据处理软件，对被测面的所有子孔径数据按照拼接路径进行拼接，获得光学元件被测面的面形分布，从而计算出平面度误差。

本发明的一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置及方法，具有如下显著优点：

（1）    本发明将大口径光学元件平面度误差的检测装置与磨床相结合，实现光学元件在位检测，极大地提高加工效率，最大限度减少被测元件搬运中的引入误差，能够对加工工艺进行研究，及时调整加工过程，避免重复加工，保证加工效率。

（2）    本发明的检测装置与超精密磨床采用分离式结构，检测装置与超精密磨床相对独立，不仅可以避免检测装置的精度受磨床工作振动的影响，还可以使检测装置单独使用，作为一种大口径光学元件平面度在位检测的通用设备，为其他设备加工的大口径光学元件提供检测。

（3）    检测装置采用干涉拼接技术，提高检测精度，扩大可检测元件的尺寸范围；检测装置中采用动态干涉仪，可以沿导轨实现高精度三维移动，有效抑制车间的环境误差。

附图说明

图1是本发明的超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置，检测状态示意图；

图2是本发明的超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置，非检测状态（即磨床加工状态）示意图；

图3是本发明的超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测方法的流程图；

图4是被测面上需要采集的子孔径分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置，包含计算机1、动态干涉仪2、主测量台架3、x方向导轨4、z方向导轨5、台架导轨6、隔离装置9，所述的动态干涉仪2安装在z方向导轨5上，用于测量被测面8的各个子孔径数据，传输至计算机1进行处理，动态干涉仪2的主镜处加有封闭罩；所述的主测量台架3为独立的移动式门架结构，沿台架导轨6运动，其上安装有使动态干涉仪2水平移动的x方向导轨4和上下移动的z方向导轨5；所述的台架导轨6为燕形滑动导轨，使主测量台架3沿y方向移动；所述的隔离装置9用于避免磨床7工作时对检测装置造成污染。

如图2所示，本装置与磨床7集成一体，但采用分离式结构，相互独立运动：当在位检测装置工作，即对加工的光学元件被测面8进行检测时，磨床7处于停工状态，光学元件处于在位检测状态；当在位检测装置停止工作时进入隔离位置。

所述的x方向导轨4为矩形滑动导轨，采用伺服电机驱动滚珠丝杠移动；z方向导轨5采用伺服电机驱动齿轮齿条，由气缸定位；所述的x方向导轨4、z方向导轨5及台架导轨6的轴与磨床7的系统轴均由同一个数控系统控制。

如图3所示，超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测方法，其测量步骤为：

（1）    利用计算机1中测量主控软件确定平面子孔径拼接测量方案：输入光学元件被测面8的长和宽，根据动态干涉仪2的口径大小，确定子孔径数目及初始子孔径的位置，规划子孔径间距、排列方式以及拼接路径，使光学元件被测面8的所有区域都被子孔径覆盖。以图4中矩形工件为例，尺寸为1200mm×450mm，动态干涉仪2为150mm口径，设置30%重叠区，即两子孔径圆心间距为100mm，考虑圆型孔径的缺失，子孔径分5行排列，每行12个，总数确定为60个，子孔径排列方式如图4；

（2）    检测装置调整：

（2-1）计算机1操作使检测装置进入检测状态，磨床7处于停工状态，光学元件被测面8处于在位状态；

（2-2）主测量台架3移近磨床7，动态干涉仪2主镜防护罩打开，光学元件被测面8清理干净；

（2-3）调节主测量台架3的位置，调整动态干涉仪2的位置，使动态干涉仪2出射波面能垂直入射至光学元件被测面8上的第1个子孔径区域表面，并在动态干涉仪2上可以观察到清晰的条纹；

（3）    光学元件被测面8的子孔径数据采集

（3-1）利用动态干涉仪2获取光学元件被测面8的第1个子孔径数据，动态干涉仪2可以自动将数据输入计算机1中；

（3-2）计算机1控制动态干涉仪2移动，进入第2个子孔径测量位置，获取该子孔径数据并输入计算机1中；重复（3-2）直至所有子孔径测量数据均存入计算机1中；

（4）    采集子孔径数据后，检测装置停止工作，脱离磨床7主体，进入隔离位置，加隔离装置9；

（5）    计算机1进行数据处理和分析，即对所有子孔径数据进行拼接：利用计算机1中的测量数据处理软件，对输入光学元件被测面8的所有子孔径按照拼接路径进行拼接，获得光学元件被测面8的面形分布，从而计算出平面度误差；

结果显示输出：最终结果可根据用户需要显示，或输入至下一操作系统。

Claims (1)

1.一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测方法，采用一种超精密磨削大口径光学元件平面度在位检测装置进行测量，包含计算机（1）、动态干涉仪（2）、主测量台架（3）、x方向导轨（4）、z方向导轨（5）、台架导轨（6）、隔离装置（9），其特征在于：所述的动态干涉仪（2）安装在z方向导轨（5）上，用于测量被测面（8）的各个子孔径数据，传输至计算机（1）进行处理，动态干涉仪（2）的主镜处加有封闭罩；所述的主测量台架（3）为独立的移动式门架结构，沿台架导轨（6）运动，其上安装有使动态干涉仪（2）水平移动的x方向导轨（4）和上下移动的z方向导轨（5）；所述的台架导轨（6）为燕形滑动导轨，使主测量台架（3）沿y方向移动；所述的隔离装置（9）用于避免磨床（7）工作时对检测装置造成污染，其特征在于，操作步骤如下：

步骤1：利用计算机（1）中测量主控软件确定平面子孔径拼接测量方案：

步骤2：计算机（1）操作在位检测装置进入检测状态，磨床（7）处于停工状态，光学元件被测面（8）处于在位状态，动态干涉仪（2）主机移近磨床（7），动态干涉仪（2）的主镜防护罩打开，光学元件被测面（8）清理干净后进行检测；

步骤3：调节主测量台架（3）位置，调整动态干涉仪（2）主机的位置，使动态干涉仪（2）出射波面能沿着光学元件被测面（8）上划分的第1个子孔径区域的面法线方向入射到其表面上，并在动态干涉仪（2）上观察到清晰的条纹；

步骤4：光学元件被测面（8）的子孔径测量数据采集；

（4-1）利用动态干涉仪（2）获取光学元件被测面（8）的第1个子孔径测量数据，动态干涉仪（2）自动将数据输入计算机（1）中；

（4-2）计算机（1）控制动态干涉仪（2）移动相应距离，进入第2个子孔径测量位置，重复（4-1）；

（4-3）重复（4-2）直至获得所有子孔径的测量数据；

步骤5：采集子孔径测量数据后，检测装置停止工作，脱离磨床（7）主体，进入隔离位置，加隔离装置（9）；

步骤6：计算机（1）进行数据处理和分析，即对所有子孔径测量数据进行拼接：利用计算机（1）中的测量数据处理软件，对被测面（8）的所有子孔径数据按照拼接路径进行拼接，获得光学元件被测面（8）的面形分布，从而计算出平面度误差。