CN105181600B - 一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置 - Google Patents

Abstract

一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置,涉及一种光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置。解决了对大口径融石英光学元件的微缺陷检测速度慢和定位精确度底的问题。本发明的可微调显微检测单元、二维大行程快速移动装置、Z轴运动装置和激光组件均设置在承载台上，承载台的上表面沿X轴方向设有凹槽，二维大行程快速移动装置设置在承载台凹槽内，可微调显微检测单元和激光组件均设置于Z轴运动装置的平台上，其轴线方向均垂直于二维大行程快速移动装置的侧面。本发明适用于大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复使用。

Description

一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置

技术领域

本发明涉及一种光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭，核聚变能以其取之不尽又清洁的优点，成为人类最理想的未来能源。在对各个装置的终端光学元件统计中，熔石英光学元件占据很大的一部分，是高功率固体激光系统中应用最为普遍的光学材料之一。熔石英光学元件是一种硬脆材料，在冷夹工的过程中易产生微裂纹。在高功率固体激光系统中，熔石英光学元件被三倍频强激光辐照，易产生激光损伤，形成微裂纹、微凹坑等烧蚀点微缺陷。当微裂纹或烧蚀点等微缺陷出现时，光学元件的通光性能、热力学特性会被弱化，严重影响了强激光输出的能流密度及其使用寿命。微缺陷产生后若不及时采取措施，损伤点将以指数性增长，最终导致整个光学元件的损坏。针对已经产生微缺陷的大口径熔石英光学元件，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)提出采用紫外激光对几微米至几十微米量级的微缺陷进行预处理，以提高其抗强激光损伤的能力，并采用二氧化碳红外激光对几十微米至亚毫米量级的微缺陷进行精密修复。修复后的大口径熔石英光学元件，达到了延缓或抑制微缺陷增长、提高熔石英抗强激光损伤的目的，有效地提高了大口径熔石英光学元件的使用寿命。

但是，在大口径熔石英光学元件表面微缺陷的检测与修复技术上，国外采用的是分开来实现融石英曲面光学元件的暗场检测、紫外激光预处理、二氧化碳激光修复等方面的工作，需要多次装夹该光学元件，带来了零件的多次装夹误差等问题。

发明内容

本发明是为了解决对大口径融石英光学元件的微缺陷检测速度慢和定位精确度底的问题，实现在同一平台不同工位可对融石英光学元件表面进行激光预处理、激光修复，提出了一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置。

本发明所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置，它包括可微调显微检测单元、二维大行程快速移动装置、Z轴运动装置、激光组件和承载台；

可微调显微检测单元、二维大行程快速移动装置、Z轴运动装置和激光组件均设置在承载台上，承载台的上表面沿X轴方向设有凹槽，二维大行程快速移动装置设置在承载台凹槽内，

可微调显微检测单元和激光组件均设置于Z轴运动装置的平台上，其轴线方向均垂直于二维大行程快速移动装置的侧面；

可微调显微检测单元包括暗场检测单元、明场监测单元、光谱共焦精确测距单元和微系统安装板；

所述共焦精确测距单元包括光谱共焦测距仪、光学X轴精密微调滑台、测距过渡板、测距V型块夹具和夹紧装置；

光学X轴精密微调滑台的底面固定在微系统安装板的上表面，光学X轴精密微调滑台通过螺钉与测距过渡板的下表面固定连接，测距过渡板的上表面通过螺钉与测距V型块夹具的底面固定连接，测距V型块夹具的下部为梯形件，所述梯形件为倒置梯形，梯形件的侧面设有夹强筋，测距V型块夹具的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平方向通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，测距V型块夹具的上侧设有夹紧装置，

所述测距夹紧装置与两根圆柱配合对放置在测距V型块夹具V型槽内的光谱共焦测距仪进行夹紧，两根圆柱的下端均固定在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从测距夹紧装置穿出；

明场监测单元包括光学YZ轴精密微调滑台、明场监测过渡板、明场监测V型块夹具、明场监测面阵CCD和明场夹紧装置；

光学YZ轴精密微调滑台的底面固定在微系统安装板的上表面，光学YZ轴精密微调滑台通过螺钉与明场监测过渡板的下表面固定连接，明场监测过渡板的上表面通过螺钉与明场监测V型块夹具的底面固定连接，明场监测V型块夹具的下部为梯形件，梯形件的两个侧面设有加强筋，明场监测V型块夹具的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，明场监测V型块夹具的上方设有明场夹紧装置，

所述明场夹紧装置与两根圆柱配合对放置在明场监测V型块夹具V型槽内的明场监测面阵CCD进行夹紧，两根圆柱的下端均设置在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从明场夹紧装置穿出；

暗场检测单元包括光学XZ轴精密微调滑台、暗场检测过渡板、暗场检测V型块夹具、暗场检测线阵CCD、暗场光源和暗场夹紧装置；

光学XZ轴精密微调滑台的底面固定在微系统安装板的上表面，光学XZ轴精密微调滑台通过螺钉与暗场检测过渡板的下表面固定连接，暗场检测过渡板的上表面通过螺钉与暗场检测V型块夹具的底面固定连接，暗场检测V型块夹具的下部为梯形件，梯形件的两个侧面设有加强筋，暗场检测V型块夹具的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，暗场检测V型块夹具的上方设有暗场夹紧装置，所述暗场夹紧装置与两根圆柱配合对放置在暗场检测V型块夹具V型槽内的暗场检测线阵CCD进行夹紧，两根圆柱的下端均设置在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从暗场夹紧装置穿出；

暗场光源设置在暗场检测单元和明场监测单元之间，暗场光源的轴线方向与暗场检测线阵CCD的轴线成M度夹角，暗场光源的光线射向暗场检测线阵CCD的焦平面，且位于暗场检测线阵CCD所检测的视野内，所述M小于90度；

二维大行程快速移动装置，该装置包括X轴运动单元、龙门架、Y轴运动单元、多个气浮垫和承载框体；

龙门架包括两根立柱、Y轴伺服电机、顶盖、龙门竖板、龙门横板和龙门肋板；

两根立柱和龙门横板构成龙门架结构，龙门横板的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板，所述龙门竖板为梯形板，龙门肋板2-18为下侧开口的U型框，两块龙门竖板、龙门肋板和龙门横板围成密闭结构；

Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨和Y轴伺服电机；

两根Y轴运动导轨分别固定在两根立柱的内侧，两根Y轴运动导轨的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机带动其中一根Y轴运动导轨上下移动，承载框体的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨的导轨滑台上，承载框体的左右两个侧板的内侧均固定有一个夹具锁紧块；

所述Z轴运动装置包括Z轴运动单元和固定基体，Z轴运动单元设置在固定基体凹槽内，所述Z轴运动单元的结构与X轴运动单元的结构相同；以X轴运动单元为例进行说明，X轴运动单元包括X轴伺服电机、X轴移动导轨和承重板；

X轴伺服电机固定在带动X轴移动导轨框架的一端，X轴伺服电机带动X轴移动导轨在X轴方向直线移动，X轴移动导轨设置在承载台的凹槽内，X轴移动导轨上设有导轨滑台，承重板固定在所述导轨滑台上，X轴移动导轨带动导轨滑台移动；

多个气浮垫均匀设置在承重板的下侧，用于卸载承重板的向下的压力；龙门架的两根立柱的底端均固定在承重板的上表面；可微调显微检测单元和激光组件设置在固定基体的上表面，固定基体固定在承载台上，且位于二维大行程快速移动装置的一侧的中间。

在大口径熔石英光学元件表面微缺陷的检测与修复技术上，国外采用的是分开来实现融石英曲面光学元件的暗场检测、紫外激光预处理、二氧化碳激光修复等方面的工作，但它们相互间的微缺陷修复与图像处理信息不能有效得到共享。为此，本发明提出对大口径融石英曲面光学元件的表面缺陷检测、表面任意点定位、表面上的紫外激光预处理和二氧化碳激光修复进行多工位的集成，并设计发明了大口径熔石英光学元件微缺陷检测及激光修复装置，该装置可有效解决微缺陷修复与图像处理信息不能共享的技术难题。本发明的检测与修复装置可实现对大口径融石英光学元件的微缺陷快速检测和精确定位，并在不同工位可对融石英光学元件表面进行紫外激光预处理、二氧化碳激光修复等工作，由此完成大口径融石英光学元件表面微缺陷的检测与激光修复，以抑制该光学元件表面微缺陷的继续增长，提高该类光学元件的使用寿命。

本发明的优点：

(1)该装置可实现对430mm×430mm熔石英光学元件的全口径快速扫描检测和激光修复处理；实现对5μm以上的微缺陷处理识别；将显微检测、紫外激光预处理和CO2红外激光修复三工位集中到一个工作平台上，结构设计紧凑，该装置可有效解决微缺陷修复与图像处理信息不能共享的技术难题；

(2)该装置X轴行程最大，为1500mm，闭环补偿后X轴、Y轴和Z轴定位精度优于20μm，工作速度最大可达300mm/s；

(3)该装置可实现对大口径熔石英曲面光学元件的曲面与平面检测，进行Z方向精确定位，光谱共焦测距仪的工作距离222.3mm，定位精度优于3μm；

(4)该装置X轴部分采用四个气浮垫平衡，在0.4MPa气压下，可卸荷600kg；Y轴部分采用低摩擦双气缸平衡，气压在0.2MPa～0.4MPa可调，可卸荷40kg～80kg，提高了导轨的使用寿命；

(5)采用大理石基座和垫铁，大理石基座具有高精度安装和工作表面，大理石基座采用凹槽处理，降低了X轴移动部分的重心，增加了整个装置的稳定性。

附图说明

图1为大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图。

图3为可微调显微检测单元的主视图；

图4为可微调显微检测单元的俯视图；

图5为二维大行程快速移动装置的主视图；

图6为二维大行程快速移动装置的俯视图；

图7为二维大行程快速移动装置的侧视图；

图8为X轴运动单元的结构示意图；

图9为光学器件出光面位姿修正示意图；图中a为熔石英光学元件；

图10为光学器件入光面位姿修正示意图；图中a为熔石英光学元件；

图11为平台三工位布置图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1到图8说明本实施方式，本实施方式所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置，它包括可微调显微检测单元1、二维大行程快速移动装置2、Z轴运动装置3、激光组件4和承载台5；

所述可微调显微检测单元1、二维大行程快速移动装置2、Z轴运动装置3和激光组件4均设置在承载台5上，承载台5的上表面沿X轴方向设有凹槽，二维大行程快速移动装置2设置在承载台5凹槽内，

可微调显微检测单元1和激光组件4均设置于Z轴运动装置3的平台上，其轴线方向均垂直于二维大行程快速移动装置2的侧面；

可微调显微检测单元1包括暗场检测单元、明场监测单元、光谱共焦精确测距单元和微系统安装板1-1；

所述共焦精确测距单元包括光谱共焦测距仪1-2、光学X轴精密微调滑台1-3、测距过渡板1-4、测距V型块夹具1-5和夹紧装置1-6；

光学X轴精密微调滑台1-3的底面固定在微系统安装板1-1的上表面，光学X轴精密微调滑台1-3通过螺钉与测距过渡板1-4的下表面固定连接，测距过渡板1-4的上表面通过螺钉与测距V型块夹具1-5的底面固定连接，测距V型块夹具1-5的下部为梯形件，所述梯形件为倒置梯形，梯形件的侧面设有加强筋，测距V型块夹具1-5的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平方向通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，测距V型块夹具1-5的上侧设有夹紧装置1-6；

所述测距夹紧装置1-6与两根圆柱配合对放置在测距V型块夹具1-5V型槽内的光谱共焦测距仪1-2进行夹紧，两根圆柱的下端均固定在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从测距夹紧装置1-6穿出；

明场监测单元包括光学YZ轴精密微调滑台1-7、明场监测过渡板1-8、明场监测V型块夹具1-9、明场监测面阵CCD1-10和明场夹紧装置1-11；

光学YZ轴精密微调滑台1-7的底面固定在微系统安装板1-1的上表面，光学YZ轴精密微调滑台1-7通过螺钉与明场监测过渡板1-8的下表面固定连接，明场监测过渡板1-8的上表面通过螺钉与明场监测V型块夹具1-9的底面固定连接，明场监测V型块夹具1-9的下部为梯形件，梯形件的两个侧面设有加强筋，明场监测V型块夹具1-9的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，明场监测V型块夹具1-9的上方设有明场夹紧装置1-11，

所述明场夹紧装置1-11与两根圆柱配合对放置在明场监测V型块夹具1-9V型槽内的明场监测面阵CCD1-10进行夹紧，两根圆柱的下端均设置在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从明场夹紧装置1-11穿出；

暗场检测单元包括光学XZ轴精密微调滑台1-12、暗场检测过渡板1-13、暗场检测V型块夹具1-14、暗场检测线阵CCD1-15、暗场光源1-16和暗场夹紧装置1-17；

光学XZ轴精密微调滑台1-12的底面固定在微系统安装板1-1的上表面，光学XZ轴精密微调滑台1-12通过螺钉与暗场检测过渡板1-13的下表面固定连接，暗场检测过渡板1-13的上表面通过螺钉与暗场检测V型块夹具1-14的底面固定连接，暗场检测V型块夹具1-14的下部为梯形件，梯形件的两个侧面设有加强筋，暗场检测V型块夹具1-14的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，暗场检测V型块夹具1-14的上方设有暗场夹紧装置1-17，所述暗场夹紧装置1-17与两根圆柱配合对放置在暗场检测V型块夹具1-14V型槽内的暗场检测线阵CCD1-15进行夹紧，两根圆柱的下端均设置在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从暗场夹紧装置1-17穿出；

暗场光源1-16设置在暗场检测单元和明场监测单元之间，暗场光源1-16的轴线方向与暗场检测线阵CCD1-15的轴线成M度夹角，暗场光源1-16的光线射向暗场检测线阵CCD1-15的焦平面，且位于暗场检测线阵CCD1-15所检测的视野内，所述M小于90度。

二维大行程快速移动装置2，该装置包括X轴运动单元、龙门架、Y轴运动单元、多个气浮垫2-3和承载框体2-9；

龙门架包括两根立柱2-10、Y轴伺服电机2-12、顶盖2-13、龙门竖板2-14、龙门横板2-15和龙门肋板2-18；

两根立柱2-10和龙门横板2-15构成龙门架结构，龙门横板2-15的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板2-14，所述龙门竖板2-14为梯形板，龙门肋板2-18为下侧开口的U型框，两块龙门竖板2-14、龙门肋板2-18和龙门横板2-15围成密闭结构；

Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨2-11和Y轴伺服电机2-12；

两根Y轴运动导轨2-11分别固定在两根立柱2-10的内侧，两根Y轴运动导轨2-11的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机2-12带动其中一根Y轴运动导轨2-11上下移动，承载框体2-9的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨2-11的导轨滑台上，承载框体2-9的左右两个侧板的内侧均固定有一个夹具锁紧块2-16。

所述Z轴运动装置3包括Z轴运动单元和固定基体3-1，Z轴运动单元设置在固定基体3-1凹槽内，所述Z轴运动单元的结构与X轴运动单元的结构相同；以X轴运动单元为例进行说明，X轴运动单元包括X轴伺服电机2-1、X轴移动导轨2-2和承重板2-4；

X轴伺服电机2-1固定在带动X轴移动导轨2-2框架的一端，X轴伺服电机2-1带动X轴移动导轨2-2在X轴方向直线移动，X轴移动导轨2-2设置在承载台5的凹槽内，X轴移动导轨2-2上设有导轨滑台，承重板2-4固定在所述导轨滑台上，X轴移动导轨2-2带动导轨滑台移动；

多个气浮垫2-3均匀设置在承重板2-4的下侧，用于卸载承重板2-4的向下的压力；龙门架的两根立柱2-10的底端均固定在承重板2-4的上表面；可微调显微检测单元1和激光组件4设置在固定基体3-1的上表面，固定基体3-1固定在承载台5上，且位于二维大行程快速移动装置2的一侧的中间。

本实施方式所述的二维大行程快速移动装置主要由五个部分组成：X轴运动单元，龙门架，Y轴运动单元，承载框体，气浮模块；X轴运动单元包括X轴伺服电机、X轴移动导轨和承重板，实现X轴方向的高精度直线运动，其行程为1500mm，闭环补偿后定位精度优于20μm；龙门架包括两根大理石立柱、龙门横板、两块龙门竖板和龙门肋板，龙门架立于X轴运动单元的承重板上，使用内六角圆柱头螺钉进行紧固连接，龙门架为Y轴运动提供了一个稳定的基座；Y轴运动单元包块两根Y轴移动导轨和一个Y轴伺服电机，其中一根导轨装有伺服电机，做主动轴，另一根导轨做被动轴，分别安装于两根大理石立柱上，实现Y轴垂直运动，其行程为500mm，闭环补偿后定位精度优于20μm；承载框体分左右两个安装面，分别安装于Y轴运动单元的主动轴和被动轴上，其包括框体上板、框体下板、框体左侧板、框体右侧板和夹具锁紧块，其作用是安装光学元件夹具，从而实现光学元件的二维大行程快速移动；4个气浮模块分布于承重板的四角，对称安装，用于X轴运动的卸荷，提高X轴导轨的使用寿命。

为了保证整个装置的精度，Y轴立柱采用大理石材料，吸收在运动过程中的振动，但同时却大大地增加了X轴的负载，鉴于此种情况给出了如下解决方案：首先是增加气浮模块，理论上4个气浮块在0.4MPa的高压气体下可提供600Kg的支持力，达到卸荷目的；由于供压不稳，可能会导致卸荷失效，因此通过优化承重板，来保证即使气路出现故障，整个装置也能正常工作满足精度要求，因此通过采用2Cr13材料，并加入加强筋，使得Z向形变为17.9μm，达到精度要求。

本实施方式所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置的优点：

(1)该装置为实现大口径光学元件表面微缺陷扫描检测、紫外预处理和红外激光修复的三工位集成提供了高精度二维运动平台；

(2)该装置实现大口径光学元件的垂直放置，有利于激光器的水平出光要求；

(3)该装置采用四个对称分布的气浮垫，在0.4MPa气压下可卸荷600Kg；

(4)该装置对龙门架承重板的结构进行了优化设计，采用2Cr13，在气路系统失效的条件下，Z向形变17.9μm，仍能满足精度要求；

(5)该装置为高精度二维大行程快速移动装置，X方向行程1500mm，Y方向行程500mm，闭环补偿后精度均优于20μm。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置的进一步说明，X轴运动单元还包括钣金箱体上盖2-5、钣金箱体下槽2-6和出线箱2-7；

钣金箱体下槽2-6固定在X轴移动导轨2-2的两侧，钣金箱体上盖2-5扣在X轴移动导轨2-2和钣金箱体下槽2-6上，钣金箱体上盖2-5与钣金箱体下槽2-6之间为走线槽，出线箱2-7设置在X轴移动导轨2-2的一侧，出线箱2-7的出线口对准所述走线槽。

本实施方式所述的钣金箱体上盖2-5、钣金箱体下槽2-6和出线箱2-7用于布线使用。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置的进一步说明，承载框体2-9上设有限位块，所述限位块固定在承载框体2-9下框板的上侧。

本实施方式所述的限位块用于调节、固定光学器件的位置。

具体实施方式四、本本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置的进一步说明，承载框体2-9下侧固定有肋板。

本发明所述的大口径熔石英光学元件微缺陷检测及激光修复装置在对其表面进行紫外激光预处理和二氧化碳红外激光修复时，处理的熔石英光学元件出光面大小为430mm×430mm，由于光学元件的安装误差，会造成修复表面与理想表面位置之间有一定的偏差，因此需对垂直于工件的理想表面(Z轴)进行随动模型和联动模型的修正，并要求Z轴的绝对定位精度优于20μm。其具体理论分析如下：

(1)Z轴方向的随动模型修正：在随动模型的修正过程中，可将出光面看成是一个无限延展的平面，因光学元件是采用超精密加工方法获得，其平面度很高，可简化处理为理想平面，理论上只需采集3点坐标即可获得该出光面的实际安装姿态；为避免随机误差的影响，需要采用光谱共焦测距仪采集多个数据点，并通过最小二乘法进行平面拟合，再计算拟合平面的安装姿态，以此作为显微镜随动的运动坐标系参考。如图9所示。

在测距工位的坐标系下，以标记点1(O)为工件坐标原点，在出光面再定义8个待测的虚拟坐标点，尽量涵盖大部分出光表面，并分别记下该九个点的XY坐标；同时，通过光谱共焦测距仪测得每个点的Z坐标，由此获得9个点的XYZ坐标。对9个点的坐标采用最小二乘法可拟合出平面。平面表达式如(1)所示：

Ax+By+Cz＝D (1)

返回明场工位，平面表达式变为式(2)所示：

A(x-б)+By+Cz＝D (2)

其中，б为测距工位与明场工位的坐标差。通过公式(2)，每经过一点(X，Y)，都能求得相应的Z轴坐标，即可获得Z轴方向的随动坐标值。如图1所示。

(2)Z轴方向的联动模型修正：由于光学元件非球曲面的主光轴含有位置及姿态信息，需要进行坐标的平移变换和旋转变换来对光学元件的安装误差进行补偿。

Z轴联动模型修正需要基于光学元件出光面模型的修正结果，其具体过程是：在明场检测工位中，对光学元件上的三个坐标点进行标记(三个坐标点分别为o、x、y)，标记中以o点作为标记的起始点，分别对其它两个坐标点的位置进行标注，以此记录o、x、y三个坐标点的XYZ坐标。为避免偶然误差，可多次测量X、Y点坐标，并取其平均值，如图10所示。

在理想状态下，当o点坐标已知的情况下，x和y点的坐标通过出光面方程即可求出。光学元件在由理想状态变为实际的安装状态时，可把它看成是在理想状态下发生了绕X轴旋转α角度、绕Y轴旋转β角度、绕Z轴旋转γ角度，因此其表达公式如(3)所示。

通过检测o、x、y三个点坐标的前后变化，可由式(4)计算出旋转矩阵。

此时，Z轴的联动即为光学联动方程与旋转矩阵的合成。经过理论分析与实验验证可看出，修正后的出光面模型和联动模型要求X、Y、Z三个移动轴的绝对定位精度小于20μm时，才能满足暗场线阵CCD和明场面阵CCD对大口径熔石英曲面光学元件微缺陷检测与监测的技术要求。

具体实施方式五，本本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置的进一步说明，它还包括卷帘布，所述卷帘布用于防止异物及灰尘掉落在气浮轨道表面，

大口径熔石英光学元件微缺陷检测及激光修复装置的核心部件就是龙门架为Y轴运动提供了一个稳定的承载台；，承载台大理石材料，具有优良的减震性能，极低的热膨胀系数。为了降低机床整体重心，在承载台大理石上表面做了开槽处理，并将X轴平台埋于承载台凹槽中，使龙门下沉。在导轨上方以卷帘作为防尘防异物处理手段，防止异物及灰尘掉落在气浮轨道表面，在有限的安装空间中使用卷帘布可以获得比风琴罩更紧凑的布局。在承载台下方放置8块垫铁4，有效地衰减机器自身的振动，减少振动力外传，阻止振动力的传入，保证加工尺寸精度及质量，同时也具有机床调平的作用。

X轴平台通过X轴压块安装在承载台的凹槽中，龙门子架安装于X轴平台的承重板上，实现X轴方向的快速运动。X轴平台行程为1500mm，导轨直线度71μm，经过闭环补偿后定位精度优于20μm，最大速度为300mm/s，最大加速度可达到3m/s²。由于龙门架的重量高达600kg，因此，导轨连接块四角上安装了四个气浮块，气浮块在承载台的凹槽内移动，球头内六角圆柱头螺钉单独调整四个气浮垫与承载台凹槽面的间隙，用于卸荷，减少X轴导轨的负载。矩形气浮垫的尺寸为300mm×50mm，通以0.4MPa的压缩气体，每个气浮垫可提供150kg的支持力，四个气浮垫可提供近600kg的支持力，达到卸荷作用。

Z轴运动装置通过内六角圆柱头螺钉固定在承载台上，Z轴运动行程为100mm，导轨直线度6μm，开环定位精度8μm/全行程，最大速度为300mm/s，其最大加速度为3m/s²。Z轴上安装显微检测系统，用于检测熔石英表面的微缺陷。

卷帘布一端连接在承载台的两侧，一端连接在X轴上，中间通过滚轴进行90°角转换，卷帘布随着X轴的运动而将卷帘布放出或收回，以此保护X轴导轨不受污染，保证气浮垫工作坏境的清洁。

(1)两个高精度直线移动单元、光学元件夹持器、气浮垫，主要实现大口径熔石英光学元件的装夹以及垂直平面内二维大范围运动功能；

(2)Z轴子装配平台由暗场检测系统、明场监视系统，光谱共焦测距仪、二氧化碳红外激光组件和紫外激光组件组成，主要实现对大口径熔石英曲面光学元件表面微缺陷的快速检测、对熔石英光学元件上的微缺陷点进行Z向定位，对检测到的微缺陷用二氧化碳红外激光进行修复和对大口径熔石英曲面光学元件表面微小缺陷的随动紫外预处理功能；

(3)基座平台由花岗岩、垫铁等组成，它具有高精度的安装和工作表面，并且花岗岩基座具有减小外部振动的功能。

为了实现对熔石英曲面光学元件的表面微缺陷图像扫描采集、表面任意点定位以及表面微缺陷激光处理，对该发明装置上三工位的相对位置进行了如图11的布置设计。

根据光学元件处理工序要求，对缺陷检测总体工作流程进行了如下设计：

(1)系统初始化，自检；

(2)将大口径熔石英曲面光学元件安装在龙门架的夹具内；

(3)机床回零点；

(4)出光面模型修正：利用明场监测系统搜寻原点标记、光谱共焦测距仪进行多点测距，根据测得数据建立实际出光面模型，修正预处理Z轴联动函数和暗场扫描Z轴补偿函数；

(5)工位Ⅰ紫外激光预处理，利用光电开关的作用实现S型轨迹全口径预处理；

(6)工位Ⅱ暗场检测，利用暗场线阵CCD进行全口径S型扫描；

(7)明场监测：在软件操作界面选择缺陷点，运动系统会自动将缺陷点移动到明场视野中间；

(8)工位Ⅲ红外激光修复：运动系统会粗定位到修复工位，并利用同轴监测，手动精定位到修复工位。

(9)光学元件下架。

Claims (5)

1.一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置，其特征在于，它包括可微调显微检测单元(1)、二维大行程快速移动装置(2)、Z轴运动装置(3)、激光组件(4)和承载台(5)；

所述可微调显微检测单元(1)、二维大行程快速移动装置(2)、Z轴运动装置(3)和激光组件(4)均设置在承载台(5)上，承载台(5)的上表面沿X轴方向设有凹槽，二维大行程快速移动装置(2)设置在承载台(5)凹槽内，

可微调显微检测单元(1)和激光组件(4)均设置于Z轴运动装置(3)的平台上，其轴线方向均垂直于二维大行程快速移动装置(2)的侧面，可微调显微检测单元(1)包括暗场检测单元、明场监测单元、光谱共焦精确测距单元和微系统安装板(1-1)；

所述共焦精确测距单元包括光谱共焦测距仪(1-2)、光学X轴精密微调滑台(1-3)、测距过渡板(1-4)、测距V型块夹具(1-5)和夹紧装置(1-6)；

光学X轴精密微调滑台(1-3)的底面固定在微系统安装板(1-1)的上表面，光学X轴精密微调滑台(1-3)通过螺钉与测距过渡板(1-4)的下表面固定连接，测距过渡板(1-4)的上表面通过螺钉与测距V型块夹具(1-5)的底面固定连接，测距V型块夹具(1-5)的下部为梯形件，所述梯形件为倒置梯形，梯形件的侧面设有加强筋，测距V型块夹具(1-5)的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平方向通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，测距V型块夹具(1-5)的上侧设有夹紧装置(1-6)；

所述测距夹紧装置(1-6)与两根圆柱配合对放置在测距V型块夹具(1-5)V型槽内的光谱共焦测距仪(1-2)进行夹紧，两根圆柱的下端均固定在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从测距夹紧装置(1-6)穿出；

明场监测单元包括光学YZ轴精密微调滑台(1-7)、明场监测过渡板(1-8)、明场监测V型块夹具(1-9)、明场监测面阵CCD(1-10)和明场夹紧装置(1-11)；

光学YZ轴精密微调滑台(1-7)的底面固定在微系统安装板(1-1)的上表面，光学YZ轴精密微调滑台(1-7)通过螺钉与明场监测过渡板(1-8)的下表面固定连接，明场监测过渡板(1-8)的上表面通过螺钉与明场监测V型块夹具(1-9)的底面固定连接，明场监测V型块夹具(1-9)的下部为梯形件，梯形件的两个侧面设有加强筋，明场监测V型块夹具(1-9)的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，明场监测V型块夹具(1-9)的上方设有明场夹紧装置(1-11)，

所述明场夹紧装置(1-11)与两根圆柱配合对放置在明场监测V型块夹具(1-9)V型槽内的明场监测面阵CCD(1-10)进行夹紧，两根圆柱的下端均设置在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从明场夹紧装置(1-11)穿出；

暗场检测单元包括光学XZ轴精密微调滑台(1-12)、暗场检测过渡板(1-13)、暗场检测V型块夹具(1-14)、暗场检测线阵CCD(1-15)、暗场光源(1-16)和暗场夹紧装置(1-17)；

光学XZ轴精密微调滑台(1-12)的底面固定在微系统安装板(1-1)的上表面，光学XZ轴精密微调滑台(1-12)通过螺钉与暗场检测过渡板(1-13)的下表面固定连接，暗场检测过渡板(1-13)的上表面通过螺钉与暗场检测V型块夹具(1-14)的底面固定连接，暗场检测V型块夹具(1-14)的下部为梯形件，梯形件的两个侧面设有加强筋，暗场检测V型块夹具(1-14)的上部为开口向上的V型件，V型件中部开有水平通透的十字槽，所述V型件与梯形件为一体件，暗场检测V型块夹具(1-14)的上方设有暗场夹紧装置(1-17)，所述暗场夹紧装置(1-17)与两根圆柱配合对放置在暗场检测V型块夹具(1-14)V型槽内的暗场检测线阵CCD(1-15)进行夹紧，两根圆柱的下端均设置在十字槽槽底，两根圆柱的上端均从暗场夹紧装置(1-17)穿出；

暗场光源(1-16)设置在暗场检测单元和明场监测单元之间，暗场光源(1-16)的轴线方向与暗场检测线阵CCD(1-15)的轴线成M度夹角，暗场光源(1-16)的光线射向暗场检测线阵CCD(1-15)的焦平面，且位于暗场检测线阵CCD(1-15)所检测的视野内，所述M小于90度；

二维大行程快速移动装置(2)，该装置包括X轴运动单元、龙门架、Y轴运动单元、多个气浮垫(2-3)和承载框体(2-9)；

龙门架包括两根立柱(2-10)、Y轴伺服电机(2-12)、顶盖(2-13)、龙门竖板(2-14)、龙门横板(2-15)和龙门肋板(2-18)；

两根立柱(2-10)和龙门横板(2-15)构成龙门架结构，龙门横板(2-15)的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板(2-14)，所述龙门竖板(2-14)为梯形板，龙门肋板(2-18)为下侧开口的U型框，两块龙门竖板(2-14)、龙门肋板(2-18)和龙门横板(2-15)围成密闭结构；

Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨(2-11)和Y轴伺服电机(2-12)；

两根Y轴运动导轨(2-11)分别固定在两根立柱(2-10)的内侧，两根Y轴运动导轨(2-11)的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机(2-12)带动其中一根Y轴运动导轨(2-11)上下移动，承载框体(2-9)的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨(2-11)的导轨滑台上，承载框体(2-9)的左右两个侧板的内侧均固定有一个夹具锁紧块(2-16)；

所述Z轴运动装置(3)包括Z轴运动单元和固定基体(3-1)，Z轴运动单元设置在固定基体(3-1)凹槽内，所述Z轴运动单元的结构与X轴运动单元的结构相同；以X轴运动单元为例进行说明，X轴运动单元包括X轴伺服电机(2-1)、X轴移动导轨(2-2)和承重板(2-4)；

X轴伺服电机(2-1)固定在带动X轴移动导轨(2-2)框架的一端，X轴伺服电机(2-1)带动X轴移动导轨(2-2)在X轴方向直线移动，X轴移动导轨(2-2)设置在承载台(5)的凹槽内，X轴移动导轨(2-2)上设有导轨滑台，承重板(2-4)固定在所述导轨滑台上，X轴移动导轨(2-2)带动导轨滑台移动；

多个气浮垫(2-3)均匀设置在承重板(2-4)的下侧，用于卸载承重板(2-4)的向下的压力；龙门架的两根立柱(2-10)的底端均固定在承重板(2-4)的上表面；可微调显微检测单元(1)和激光组件(4)设置在固定基体(3-1)的上表面，固定基体(3-1)固定在承载台(5)上，且位于二维大行程快速移动装置(2)的一侧的中间。

2.根据权利要求1所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置，其特征在于，X轴运动单元还包括钣金箱体上盖(2-5)、钣金箱体下槽(2-6)和出线箱(2-7)；

钣金箱体下槽(2-6)固定在X轴移动导轨(2-2)的两侧，钣金箱体上盖(2-5)扣在X轴移动导轨(2-2)和钣金箱体下槽(2-6)上，钣金箱体上盖(2-5)与钣金箱体下槽(2-6)之间为走线槽，出线箱(2-7)设置在X轴移动导轨(2-2)的一侧，出线箱(2-7)的出线口对准所述走线槽。

3.根据权利要求1或2所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置，其特征在于，承载框体(2-9)上设有限位块，所述限位块固定在承载框体(2-9)下框板的上侧。

4.根据权利要求1或2所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置，其特征在于，承载框体(2-9)下侧固定有肋板(2-19)。

5.根据权利要求1或2所述的一种大口径曲面光学元件表面微缺陷的检测与激光修复装置，它还包括卷帘布，所述卷帘布用于防止异物及灰尘掉落在气浮轨道表面。