CN105043290A - 一种轮廓检测装置及其检测光学非球面的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种轮廓测量装置，用于检测光学非球面的面型轮廓，包括导轨和移动设置在所述导轨上的测量机构，其中，所述测量机构包括：与所述导轨滑动连接的连接件；设置在所述连接件上的杠杆机构，所述杠杆机构的杠杆的一端，连接有能够与光学非球面接触的球头，另一端连接有测量探头。本发明提供的轮廓检测装置，因为球头在光学非球面的表面上连续移动，不仅能够实现对光学非球面的连续测量，而且可以利用杠杆机构的放大作用以及测量探头的光栅传感器的准确度，将光学非球面的表面轮廓起伏放大，从而显著提高了对光学非球面的测量准确度。本发明还提供了上述轮廓检测装置的一种检测光学非球面的方法。

Description

一种轮廓检测装置及其检测光学非球面的方法

技术领域

本发明涉及检测设备技术领域，更具体地说，涉及用于检测大相对口径的光学非球面面型轮廓的一种轮廓检测装置，本发明还涉及上述轮廓检测装置的一种检测光学非球面的方法。

背景技术

在现代光学系统中，光学非球面应用越来越广泛，现有技术中，对于光学非球面面形检测的方法也多种多样，其中被应用较多的是点位式坐标测量方法。

点位式坐标测量方法通常是测量获得大相对口径的光学非球面表面上多个点的坐标值，通过这些点的坐标值分析得到非球面面形误差的测量方法，在获取各点坐标值之前，需要先设置取样步长(即相邻点之间的间距)，从而得出各个需要测量的点，然后再测量各点坐标值。采用点位式坐标测量方法对光学非球面进行测量的装置称为点位式检测装置，图1所示即为常规的点位式检测装置的工作示意图，该点位式检测装置包括平行设置的导轨01和丝杠(由于图1的视角关系，图中仅可以示出导轨，而丝杠则被导轨遮挡)，在丝杠驱动下可以在导轨01上滑动的测量探头，支撑导轨和丝杠的支架02及底座03。测量探头又包括与导轨和丝杠连接的光栅传感器04，和设置在光栅传感器04的端部，与光学非球面05接触的球头06，光栅传感器04通过感测球头06的位置，而令与光栅传感器04连通的计算机得到球头06的位置数据，并根据该数据计算出与球头06接触的光学非球面05上点的坐标值。

但是，发明人发现，由于点位式测量装置是采用一定的步长进行取样，其不仅操作效率较低，而且测量准确度(或者称为测量不确定度)受步长大小的影响比较大，如果步长选取不适当，则会严重影响测量准确度，其不适用于大相对口径的光学非球面以及较为陡峭曲面的测量。

因此，如何提高对光学非球面的测量准确度，进而扩大测量装置的应用范围，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种轮廓检测装置，其测量方式不再是间隔取点，而是与光学非球面连续接触以实现连续测量，从而提高了对光学非球面的测量准确度，使本发明提供的轮廓检测装置能够适用于大口径的光学非球面以及较为陡峭曲面的测量。本发明还提供了上述轮廓检测装置的一种检测光学非球面的方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轮廓测量装置，用于检测光学非球面的面型轮廓，包括导轨和移动设置在所述导轨上的测量机构，其中，所述测量机构包括：

与所述导轨滑动连接的连接件；

设置在所述连接件上的杠杆机构，所述杠杆机构的杠杆的一端，连接有能够与光学非球面接触的球头，另一端连接有测量探头。

优选地，上述轮廓检测装置中，所述导轨由设置在底座上的支架支撑，并且所述底座上滑动设置有安放光学非球面的工作台，所述工作台的滑动方向垂直于所述导轨。

优选地，上述轮廓检测装置中，所述工作台上设置有驱动所述工作台移动的第一驱动电机。

优选地，上述轮廓检测装置中，所述导轨的端部设置有驱动所述测量机构在所述导轨上往复移动的第二驱动电机。

优选地，上述轮廓检测装置中，所述杠杆机构包括所述杠杆和作为支点以支撑所述杠杆的支撑件，并且所述杠杆为殷钢杆，所述支撑件为殷钢件。

一种检测光学非球面的方法，该方法适用于上述任意一项所述的轮廓测量装置，其包括以下步骤：

1)对轮廓测量装置的测量精确性进行检验；

2)令所述杠杆机构保持在平衡状态，将此时所述杠杆机构所在的位置记做初始化零位；

3)在所述杠杆机构保持在初始化零位的位置时，使所述球头从预先设定的起始位置开始，在光学非球面的表面上连续移动；

4)在所述球头移动的过程中，所述测量探头记录自身在所述杠杆机构带动下位置变化的数据，并将数据传输至计算机中；

5)计算机接收数据后，对数据进行计算，得到与所述球头接触的光学非球面的表面的坐标数据，检测操作完成。

本发明提供的轮廓检测装置，不再采用间隔取点的方式对光学非球面进行测量，而是在测量机构上设置了杠杆机构，该杠杆机构的杠杆上，一端设置有能够与光学球面直接接触的球头，另一端设置有测量探头，在对光学非球面进行测量时，使整个测量机构在导轨上移动，即连接件带动杠杆机构移动，进而使设置在杠杆上的球头在光学非球面的表面上连续移动，从而获取光学非球面的面形轮廓，球头在随着光学非球面的表面轮廓的上下起伏移动时，其会带动杠杆机构绕着杠杆支点转动，杠杆另一端的测量探头就会记录下杠杆转动的角度，并送至计算机进行数据处理。本发明提供的轮廓检测装置，因为球头在光学非球面的表面上连续移动，不仅能够实现对光学非球面的连续测量，而且可以利用杠杆机构的放大作用以及测量探头的光栅传感器跟随性好的测量特性，将光学非球面的表面轮廓起伏放大，从而显著提高了对光学非球面的测量准确度。此外，本发明提供的轮廓检测装置，结构也相对简单，制造非常方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中点位式检测装置的工作示意图；

图2为本发明实施例提供的轮廓检测装置的结构示意图；

图3为前端球头半径与实际接触点的对比示意图；

图4为前端球头半径补偿计算方法的示意图；

图5为杠杆机构简化模型图；

图6为步长变化对误差影响的曲线图；

图7为球头半径变化对误差影响的曲线图；

图8为二次曲面系数变化对误差影响的曲线图。

在图1和图2中：

导轨01、支架02、底座03、光栅传感器04、光学非球面05、球头06；

底座1、工作台2、第一驱动电机3、光学非球面4、杠杆机构5、导轨6、第二驱动电机7、连接件8、支架9。

具体实施方式

本发明提供了一种轮廓检测装置，其测量方式不再是间隔取点，而是与光学非球面连续接触以实现连续测量，从而提高了对光学非球面的测量准确度(在本领域中，测量准确度也可以称为测量不确定度)，使本发明提供的轮廓检测装置能够适用于大口径的光学非球面以及较为陡峭曲面的测量。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2-图8所示，本发明实施例提供的轮廓测量装置，用于检测光学非球面4的面型轮廓，包括导轨6、用于支撑导轨6的支架9和底座1，以及移动设置在导轨6上的测量机构，该测量机构具体包括：

滑动连接在导轨6上的连接件8，导轨6由设置在底座1上的支架9支撑，并且底座1上滑动设置有安放光学非球面4的工作台2，工作台2的滑动方向垂直于导轨6，从而实现测量机构在不同方向上的移动；

设置在连接件8上，能够将光学非球面4的表面起伏程度放大的杠杆机构5，杠杆机构5的杠杆两端，分别连接有能够与光学非球面4接触的球头(杠杆连接有与光学非球面4接触的球头的一端称为前端，设置在该端的球头成为前端球头)，以及测量探头(连接测量探头的杠杆的一端称为后端，测量探头上的球头则称为后端球头)。其中，前端球头用于与光学非球面4直接接触，而后端的测量探头则用于记录数据，即前端球头与被测光学非球面4直接接触，反映的是被测光学非球面4的表面情况；后端球头与杠杆连接，反映的是杠杆机构5的转动情况；而杠杆机构5的转动情况又是由被测光学非球面4的表面情况决定的，所以杠杆机构5能够达到一个从前端到后端的传递作用。在进行测量时，令前端球头在连接件8和杠杆机构5的带动下，在光学非球面4的表面上连续移动，从而实现连续测量。前端球头在光学非球面4上移动的同时，杠杆机构5会带动另一端的测量探头也进行相应的移动，并且杠杆机构5可以将移动轨迹放大，以更加便于测量，进而显著提高测量精确度。

利用上述轮廓测量装置对光学非球面4进行检测的方法，大体包括以下几个步骤：第一步，在正式开始测量前，先对轮廓测量装置的测量精确性进行检验；第二步，开始测量时，令杠杆机构5保持在平衡状态，将此时杠杆机构5所在的位置记做初始化零位；第三步，在杠杆机构保持在初始化零位的位置时，使球头从预先设定的起始位置开始，在光学非球面4的表面上连续移动；第四步，在前端球头移动的过程中，测量探头记录自身在杠杆机构5带动下位置变化的数据，并将数据传输至计算机中；第五步，计算机接收数据后，对数据进行计算，得到与前端球头接触的光学非球面4的表面的坐标数据，检测操作完成。

在上述方法中，计算机在进行计算时，需要计算前端球头和后端的测量探头的半径补偿，即在数学模型中，前端球头半径和后端测量探头引起的测量误差也要消除掉。前端球头与被测的光学非球面4表面接触，而位于杠杆另一端的测量探头的光栅传感器采集到的数据是后端球头中心点的坐标和沿Y轴的位移量，并非后端球头与杠杆接触点的坐标，这是一处需要消除半径误差的地方，在消除后端球头半径误差之后，坐标转换到前端球头中心点坐标，这个坐标并非前端球头与非球面4表面实际接触点的坐标，这是第二处需要消除半径误差的地方。也就是说，在前端球头半径足够小的情况下，测头中心轨迹实际上是轮廓曲线的包络线。图3为测量过程中，前端球头半径与实际接触点的对比示意图。在计算前端球头半径补偿的方法中，有各种各样的算法，包括微平面法、平均矢量法等，而本实施例则优选采用三点共圆拟合方法，具体计算过程如下：

图4所示，假设在曲线曲面上测得n个点，先取曲线上3个连续的测量点M₁(x₁,y₁)M₂(x₂,y₂)M₃(x₃,y₃)。当3点连续的曲线段很小时，可以看做是一段圆弧上的点，M₁M₂M₃三点均满足圆的方程，求解方程得到M₁M₂M₃所在的圆弧的圆心坐标O(m,n)及圆半径R，连接M₂O，则M₂O即为过点M₂的圆弧法线，此时以M₂为圆心，半径为测头半径r的圆与M₂O的交点，即为实际曲线上的点M₂'。再根据M₁M₂M₃三个连续测量点，求出M₃'；依此类推，三点共圆法仅对二维状态下的前端球头半径补偿。

具体验证计算过程如下：

如图3所示，假设理想曲面上三点A(x₁,y₁),B(x₂,y₂),C(x₃,y₃)，前端测头球心三点为A′(x₁′,y₁′),B′(x₂′,y₂′),C′(x₃′,y₃′)，可以认为前端球头的球心位于理想曲线对应点的法线方向上，则有 $x_1^{\′}=x_1+r_1*\frac{\frac{-\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}}{\sqrt{{\left(\frac{-\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2+1}},y_1^{\′}=y_1+r_1*\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{-\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2+1}}.$ 对于其他点也有类似的结果。

由于点O为已知圆弧A′B′C′的圆心，则能求得圆心坐标O(m,n)，则能推得拟合后的点 $x^{\′\′}={x_2}^{\′}\±r_1*\frac{m-{x_2}^{\′}}{\sqrt{{(m-{x_2}^{\′})}^2+{(n-{y_2}^{\′})}^2}},y^{\′\′}={y_2}^{\′}-|r_1*\frac{n-{y_2}^{\′}}{\sqrt{{(m-{x_2}^{\′})}^2+{(n-{y_2}^{\′})}^2}}|.$ 其中r₁为前端球头半径。

经过验证计算，PV,RMS都在不确定度范围内，这种在二维情况下的三点拟合方法是行得通的。

计算机在进行计算时，还需要计算杠杆的位移：

杠杆前端连接的前端球头，与被测光学非球面4保持小测量力接触，测量力由杠杆机构5自重提供，微小测量力在10mN左右，使得前端球头与光学非球面4接触时不会损坏被测表面，也不会引起表面微小变形。因为测量力由杠杆自重提供，所以考虑轻量化以及弹性模量等因素，可以选择殷钢材料来制造杠杆机构5的杠杆和支撑件，这样在测量过程中，杠杆自身的变形量就会很小，有助于测量不确定度的提高。

如图5所示为杠杆简化模型，随着与光学非球面4接触的前端球头的上下起伏带动杠杆的转动，后端的测量探头测得的是后端球头的球心坐标以及沿Y轴方向的上下移动量，经过消除后端探头半径误差，继而可以坐标转换到前端测头球心坐标。消除后端探头半径误差的方法体现在了接下来的具体计算过程的公式中。通过这样一个简易的杠杆装置，就能够将光学非球面4被测表面的坐标信息记录下来，送入计算机进行处理。

具体计算过程如下：

设定杠杆逆时针方向为正，则后端球头的球心位移d和杠杆转角之间的关系可表示为 $\tan (-\mathrm{\θ})=\frac{-d-r_2+r_2/\cos (-\mathrm{\θ})}{L_2+\mathrm{\Δ}},\tan \mathrm{\θ}=\frac{d+r_2-r_2/\cos \mathrm{\θ}}{L_2+\mathrm{\Δ}},$ 利用测量探头获得的后端球头的球心位移数据d则可以转化为杠杆转角θ。其中r₂为后端球头的半径，Δ为支点移动位移。

后端球头的球心C的坐标为x_C＝L₁+L₂,y_C＝L₃+2r₁+d+r₂；

后端球头的实际接触点D的坐标为x_D＝x_C-r₂sin(-θ),y_D＝y_C-r₂cos(-θ)；

杠杆前顶点A的坐标为x_A＝x_C-(L₂+Δ)-L₁cos(-θ),y_A＝L₃+2r₁+L₁sin(-θ)；

前端球头的球心坐标x＝L₁-Δ-L₁cosθ,y＝y_A-L₃-r₁＝r₁-L₁sinθ。

由此得到的前端球头的球心坐标，利用三点共圆拟合方法得到拟合后的曲线。

本实施例提供的轮廓测量装置，依靠第二驱动电机7驱动，使得杠杆机构5沿着导轨6方向运动，与此同时，杠杆前端球头沿着被测光学非球面4表面滑动，表面的上下起伏使得杠杆在平动的同时也在做转动，杠杆后端的测量探头测得相应的后端球头位移数据以及后端球头坐标，送至计算机进行处理。在测量开始前，先需要进行轮廓测量装置和计算机的初始化，即令杠杆处于平衡状态，以此位置作为零位。完成初始化后，第二驱动电机7驱动连接件8沿X方向(导轨6延伸方向)运动一个采样周期，同时也带动了杠杆机构5的运动，由杠杆后端的光栅传感器读取杠杆的偏移量d，从而使计算机得到光栅传感器感测的数值。上述的第一驱动电机3和第二驱动电机7均为伺服电机。

在本实施例提供的轮廓测量装置尚未成型之前，可以采用MATLAB验算的方式进行杠杆机构5准确性的验证。首先假设一理想曲线，利用杠杆机构5的几何关系转换到实验中的所测数据，即杠杆后端球头偏移量d，再从杠杆后端偏移量d转换到杠杆前端的球头的中心点运动轨迹，利用三点共圆求法线拟合理论求得实际曲线，得出误差大小。

如图6和图7所示，在本测量装置中，选取L₁＝150,L₂＝100,L₃＝5mm，r₁＝1.5,r₂＝1.5mm。

在步长从1到20的变化过程中，测量误差也在逐渐增大，对于口径为160mm的光学非球面4，误差大小在步长为20mm的情况下误差也只有1.2×10^-8mm的量级。这也说明，测量步长越大，取样点越稀疏，测量误差也就越大。

在保持步长step＝8mm的情况下，前端球头半径从0.5mm到2mm变化，测量误差增大的幅度比较平缓，在前端球头半径为2mm的情况下，误差也只有6.5×10^-10mm的量级，说明前端球头半径的补偿非常精确，而且是必须的。

如图8所示，在保证步长20mm，二次曲面系数k从0到-30变化的过程中，误差也随之增长，最大PV＝6×10^-7mm，远小于测量准确度。在非常平缓的曲线上，误差最大，所以这个也适用于较为陡的曲线。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种轮廓测量装置，用于检测光学非球面的面型轮廓，包括导轨和移动设置在所述导轨上的测量机构，其特征在于，所述测量机构包括：

与所述导轨滑动连接的连接件；

设置在所述连接件上的杠杆机构，所述杠杆机构的杠杆的一端，连接有能够与光学非球面接触的球头，另一端连接有测量探头。

2.根据权利要求1所述的轮廓测量装置，其特征在于，所述导轨由设置在底座上的支架支撑，并且所述底座上滑动设置有安放光学非球面的工作台，所述工作台的滑动方向垂直于所述导轨。

3.根据权利要求2所述的轮廓测量装置，其特征在于，所述工作台上设置有驱动所述工作台移动的第一驱动电机。

4.根据权利要求1所述的轮廓测量装置，其特征在于，所述导轨的端部设置有驱动所述测量机构在所述导轨上往复移动的第二驱动电机。

5.根据权利要求1-4所述的轮廓测量装置，其特征在于，所述杠杆机构包括所述杠杆和作为支点以支撑所述杠杆的支撑件，并且所述杠杆为殷钢杆，所述支撑件为殷钢件。

6.一种检测光学非球面的方法，其特征在于，该方法适用于上述权利要求1-5中任意一项所述的轮廓测量装置，其包括以下步骤：

1)对轮廓测量装置的测量精确性进行检验；

2)令所述杠杆机构保持在平衡状态，将此时所述杠杆机构所在的位置记做初始化零位；

3)在所述杠杆机构保持在初始化零位的位置时，使所述球头从预先设定的起始位置开始，在光学非球面的表面上连续移动；

4)在所述球头移动的过程中，所述测量探头记录自身在所述杠杆机构带动下位置变化的数据，并将数据传输至计算机中；

5)计算机接收数据后，对数据进行计算，得到与所述球头接触的光学非球面的表面的坐标数据，检测操作完成。