CN104374334B - 自由曲面形貌三维测量方法及装置 - Google Patents
自由曲面形貌三维测量方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104374334B CN104374334B CN201410654150.4A CN201410654150A CN104374334B CN 104374334 B CN104374334 B CN 104374334B CN 201410654150 A CN201410654150 A CN 201410654150A CN 104374334 B CN104374334 B CN 104374334B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- free form
- form surface
- completely reflecting
- reflecting mirror
- monochromatic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Abstract
本发明属于自由曲面形貌测量技术，具体涉及一种自由曲面形貌测量方法及装置。本发明自由曲面形貌三维测量装置包括：激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、波片及频谱选择器、单色变倍率镜头、两个全反射镜、待测自由曲面、高速高清摄像机、两组精密丝杠和精密导轨组、机床平台主轴、龙门悬臂梁。本发明利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至待测自由曲面表面，进行三维形貌测量的方法和装置；便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量；便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段，所有工艺过程的动态在线检测，不需要二次装夹。
Description
技术领域
本发明属于自由曲面形貌测量技术，具体涉及一种自由曲面形貌测量方法及装置。
背景技术
包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的测量方法，一般是用三维轮廓仪测量；光学表面在铣磨、细磨和粗抛阶段的检测，是影响非球面面形收敛精度与速度的关键阶段。此时面形误差尚未达到光波长量级，且表面粗糙度不佳，通常的干涉检测方法存在一定的困难，因此，也采用接触式三维轮廓仪。但是，在精抛阶段，一般用干涉仪。某些情况，尚需依赖专用设备加工包括CGH补偿板、Offner补偿镜、Dall补偿镜等特殊的辅助检测元件，成本高、周期长。特别是检测过程，需要二次装夹，容易产生定位误差、工艺复杂，不适合在线检测。
现有技术进行自由曲面测量时，也利用信息光学的傅立叶变换进行测试，但是还存在以下四个缺陷：第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误差，实现的二级光谱输出，不具有可控性；第二，占有输入能量70％以上的零级频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦靶标图像的对比度；第三，傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一波长光的针对性设计，输出的正弦靶标图像像场像差较大，是测量精度提高的一大障碍；第四，平行光输出，限制了测量的视场范围，不利于大面积测量。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中控制矩形光栅的制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限的问题，提供一种在线式非接触的自由曲面形貌测量装置。
另外，本发明还提供一种自由曲面形貌测量方法。
本发明的技术方案是：一种自由曲面形貌三维测量装置，其包括信号发生器14、待测自由曲面10、转轴13、信号接收器11以及计算机12，其中，信号发生器输出对准待测自由曲面，而待测自由曲面设置在转轴上，同时其反射输出对准信号接收器，计算机连接信号接收器用于计算处理，其中，所述信号发生器14由发生系统和扫描系统组成，所述发生系统包括精密丝杠一81和精密导轨一82以及设置在精密导轨上且沿光的传播方向依次设置的激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7，所述扫描系统输入与发生系统的单色变倍率镜头7输出对应，所述矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上。
所述扫描系统包括精密丝杠、精密导轨以及设置在精密导轨内部的全反射镜一91和全反射镜二92，其中，所述全反射镜一91和全反射镜二92通过精密丝杠的调节实现在精密导轨上的移动。
所述信号发生器14和信号接收器11设置在不同龙门悬臂梁上的万向支架上，且二者之间相对倾斜。
当信号发生器14单色变倍率镜头7出射的光为非平行光时，则在计算处理时，需对该出射的非平性光进行标定处理。
所述激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，且与单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7进行单色匹配。
所述光束整形系统2采用激光扩束器设计方式，且激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度。
所述矩形光栅3占空比不等于1:1，且矩形光栅为正弦光栅时，舍去频谱选择器5。
所述波片6配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片。
一种自由曲面形貌三维测量方法，若采用平行光输出，则后续光路设置两块全反射镜，全反射镜一91位于单色变倍率镜头7后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二92位于全反射镜一91后面；全反射镜一91和全反射镜二92，均位于精密丝杠二83和精密导轨二84上；小视场直接测量，由全反射镜二92直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二92在精密丝杠二83和精密导轨二84上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
一种自由曲面形貌三维测量方法，若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
本发明的技术效果是：本发明针对背景技术中矩形光栅的精确制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限等问题。本发明使用占空比精确制造的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可。便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量；便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段，所有工艺过程的动态在线检测，不需要补偿板，不需要干涉仪，不需要二次装夹。本发明主要应用于航天、航空、军事、生物医学及民用等领域的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量。
附图说明：
图1是本发明正弦光强靶标输出装置示意图；
图2是本发明测量过程结构装置示意图，
其中，激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一81、精密导轨一82、全反射镜一91、全反射镜二92、精密丝杠二83、精密导轨二84、待测自由曲面10、高速高清摄像机11、计算机及软件处理系统12、机床平台主轴13、龙门悬臂梁14。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
请同时参阅图1和图2，本发明自由曲面形貌三维测量装置包括激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一81、精密导轨一82、全反射镜一91、全反射镜二92、精密丝杠二83、精密导轨二84、待测自由曲面10、高速高清摄像机11、计算机及软件处理系统12、机床平台主轴13、龙门悬臂梁14。
其中，光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上。上述元器件全部位于第一组精密丝杠和精密导轨上。
若采用平行光输出，则后续光路设置2块全反射镜，全反射镜一91位于单色变倍率镜头后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二92位于全反射镜一91后面。全反射镜一91和全反射镜二92，均位于第二组精密丝杠和精密导轨上。小视场直接测量，由全反射镜二92直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二92在第二组精密丝杠和精密导轨上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
正弦光强靶标图像经由全反射镜二92进入待测自由曲面反射后，进入高速高清摄像机；待测自由曲面置于机床平台主轴上；高速高清摄像机置于龙门悬臂梁上，根据反射光束出射方向，调整并设置高速高清摄像机方向。
当采用本发明对自由曲面进行三维形貌测量时：
a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件置于精密丝杠一81和精密导轨一82上；全反射镜一91、全反射镜二92置于精密丝杠二83和精密导轨二84上，前述设备和高速高清摄像机11均置于龙门悬臂梁14上；待测自由曲面10置于机床平台主轴13上；整个光路系统均按照同轴等高原则，如图1、图2位置配置，安装调试计算机及软件处理系统12；
b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；
c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
d.矩形光栅3，要求占空比不等于1:1，便利使用1级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅。此时，去掉频谱选择器5即可；
e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器(SLM)、数字式微反射镜器件(DMD)、机械式小孔均可，以方便选择1级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；
g.波片6，配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
h.精密丝杠一81、精密导轨一82，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件；
i.全反射镜一91、全反射镜二92，折转光路，通过移动全反射镜二92，实现大视场扫描；
j.精密丝杠二83、精密导轨二84，调整及固定全反射镜一91、全反射镜二92，便于实现稳定的大视场扫描；
k.调整及固定待测自由曲面10于机床平台主轴13上，调整及固定高速高清摄像机11于龙门悬臂梁14上；
l.高速高清摄像机11采集经定待测自由曲面10输出的图形靶标，并传输至计算机及软件处理系统12；
m.计算机及软件处理系统12，接收高速高清摄像机11采集输出的图形靶标，并进行相应的图像计算处理，输出计算结果，完成自由曲面形貌测量。
另外，本发明使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可。
综上所述本发明利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至待测自由曲面表面，进行三维形貌测量的方法和装置；便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量；便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段，所有工艺过程的动态在线检测，不需要补偿板，不需要干涉仪，不需要二次装夹，具有较大实际应用价值。
Claims (9)
1.一种自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，包括信号发生器(14)、待测自由曲面(10)、转轴(13)、信号接收器(11)以及计算机(12)，其中，信号发生器输出对准待测自由曲面，而待测自由曲面设置在转轴上，同时其反射输出对准信号接收器，计算机连接信号接收器用于计算处理，其中，所述信号发生器(14)由发生系统和扫描系统组成，所述发生系统包括精密丝杠一(81)和精密导轨一(82)以及设置在精密导轨上且沿光的传播方向依次设置的激光器(1)、光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)，所述扫描系统输入与发生系统的单色变倍率镜头(7)输出对应，所述矩形光栅(3)位于光束整形系统(2)的后面，并使矩形光栅(3)定位在单色傅立叶变换透镜(4)的前焦平面上；波片(6)及频谱选择器(5)位于单色傅立叶变换透镜(4)的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头(7)的前焦平面上，所述扫描系统包括精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)以及设置在精密导轨二(84)内部的全反射镜一(91)和全反射镜二(92)，其中，所述全反射镜一(91)和全反射镜二(92)通过精密丝杠二(83)的调节实现在精密导轨二(84)上的移动。
2.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述信号发生器(14)和信号接收器(11)设置在不同龙门悬臂梁上的万向支架上，且二者之间相对倾斜。
3.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，当信号发生器(14)单色变倍率镜头(7)出射的光为非平行光时，则在计算处理时，需对该出射的非平性光进行标定处理。
4.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述激光器(1)选择圆光斑输出的单模激光器，且与单色傅立叶变换透镜(4)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)进行单色匹配。
5.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述光束整形系统(2)采用激光扩束器设计方式，且激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度。
6.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述矩形光栅(3)占空比不等于1:1，且矩形光栅为正弦光栅时，舍去频谱选择器(5)。
7.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述波片(6)配合激光器(1)的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片。
8.一种基于权利要求1所述自由曲面形貌三维测量装置的自由曲面形貌三维测量方法，其特征在于，若采用平行光输出，则后续光路设置两块全反射镜，全反射镜一(91)位于单色变倍率镜头(7)后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二(92)位于全反射镜一(91)后面；全反射镜一(91)和全反射镜二(92)，均位于精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上；小视场直接测量，由全反射镜二(92)直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二(92)在精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
9.一种基于权利要求1所述自由曲面形貌三维测量装置的自由曲面形貌三维测量方法，其特征在于，若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410654150.4A CN104374334B (zh) | 2014-11-17 | 2014-11-17 | 自由曲面形貌三维测量方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410654150.4A CN104374334B (zh) | 2014-11-17 | 2014-11-17 | 自由曲面形貌三维测量方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104374334A CN104374334A (zh) | 2015-02-25 |
| CN104374334B true CN104374334B (zh) | 2016-03-09 |
Family
ID=52553390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410654150.4A Active CN104374334B (zh) | 2014-11-17 | 2014-11-17 | 自由曲面形貌三维测量方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104374334B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105890876B (zh) * | 2014-12-10 | 2018-07-06 | 青岛理工大学 | 正弦光强靶标光学信号发生方法及系统 |
| CN108195314B (zh) * | 2018-01-17 | 2019-11-05 | 杨佳苗 | 基于多视场拼接的反射式条纹三维面形测量方法 |
| CN109099838B (zh) * | 2018-08-16 | 2020-01-17 | 华南农业大学 | 一种基于折反射的单目立体视觉系统三维信息测量方法 |
| CN109341587B (zh) | 2018-11-28 | 2021-03-23 | 中国科学院光电技术研究所 | 拼接测量装置和方法 |
| CN109855607A (zh) * | 2019-01-27 | 2019-06-07 | 山东建筑大学 | 一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统 |
| CN110793918A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-02-14 | 深圳市斯尔顿科技有限公司 | 基于空间自由分布光路的工业oct检测装置及方法 |
| CN114770224B (zh) * | 2022-05-25 | 2024-03-08 | 北京理工大学 | 一种超精密加工刀痕在位检测方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3066923B2 (ja) * | 1991-07-29 | 2000-07-17 | キヤノン株式会社 | エンコーダ及びこれを有するシステム |
| CN100445718C (zh) * | 2005-05-18 | 2008-12-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 光学传递函数的测量方法及其装置 |
| TWI287079B (en) * | 2006-06-09 | 2007-09-21 | Univ Nat Sun Yat Sen | System and method for measuring three dimensional morphological of object surface by using white light source |
| CN101451826B (zh) * | 2008-12-17 | 2010-06-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 物体三维轮廓测量装置及测量方法 |
-
2014
- 2014-11-17 CN CN201410654150.4A patent/CN104374334B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104374334A (zh) | 2015-02-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104374334B (zh) | 自由曲面形貌三维测量方法及装置 | |
| CN107796329B (zh) | 一种凸非球面反射镜面形检测装置及检测方法 | |
| CN106840027B (zh) | 光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法 | |
| CN110726381B (zh) | 一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法 | |
| CN108037594B (zh) | 一种全视场镜头的装配方法及装置 | |
| CN204405025U (zh) | 一种基于双目视觉的面阵测量装置 | |
| CN102997863A (zh) | 一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统 | |
| US10627222B2 (en) | Method and apparatus for detecting cylinder and cylindrical converging lens | |
| CN110542542B (zh) | 一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置及方法 | |
| CN100507488C (zh) | 非球面镜衍射图像检测方法与装置 | |
| CN107782254A (zh) | 一种混合补偿式子孔径拼接面形检测方法 | |
| CN102636130B (zh) | 一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置 | |
| US10663289B2 (en) | Method and apparatus for detecting concave cylinder and cylindrical diverging lens | |
| CN104930971A (zh) | 非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置及对准方法 | |
| CN108061514B (zh) | 一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法 | |
| CN103017681A (zh) | 近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测方法 | |
| Ding et al. | Evaluation and compensation of laser-based on-machine measurement for inclined and curved profiles | |
| CN103196391A (zh) | 一种近抛物面的环形凹非球面的快速面形检测方法 | |
| CN110567392B (zh) | 一种凸自由曲面反射镜面形测试方法 | |
| KR20110065365A (ko) | 비구면체 측정 방법 및 장치 | |
| CN109612405B (zh) | 大口径凸锥镜面形检测系统及检测方法 | |
| CN104374380B (zh) | 大型仪器设备的3d辅助装校方法及装置 | |
| AU2013229379B2 (en) | Method and tool for measuring the geometric structure of an optical component | |
| CN113834421B (zh) | 一种成像镜组及应用该成像镜组的干涉仪 | |
| CN110440715B (zh) | 光电自准直仪在长距离工作条件下的误差补偿方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |