CN105203066A - 用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪 - Google Patents

Abstract

用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪属于光学检测领域，目的在于解决现有技术存在的摆臂轮廓仪测量大口径光学元件面形时臂长过长导致检测精度下降的问题。本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪包括悬挂装置、连接件A、气浮转台、连接件B、测量臂、配重件、连接件C和位移传感器；所述的气浮转台通过连接件A与悬挂装置悬挂连接；所述测量臂通过连接件B与气浮转台固定；所述的测量臂的一端通过连接件C固定位移传感器的测头；另一端设置有配重件。本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪可以提高摆臂轮廓检测的精度及检测稳定性。

Description

用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪

技术领域

本发明属于光学元件面形检测领域，具体涉及一种用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪。

背景技术

超大口径的光学元件的加工一般分为铣磨、研磨、抛光三个阶段；铣磨阶段，检测精度由铣磨机床控制；抛光阶段，面形精度由干涉仪检测监控；研磨阶段，由于面形反射率较低且面形误差较大无法采用干涉检测，通常采用轮廓检测。由于抛光阶段的材料去除效率低于研磨阶段，为了提高反射镜的加工效率，提高研磨精度、缩短抛光时间是提高加工效率的有效手段；然而，限制研磨精度的因素主要来自于研磨阶段的面形检测精度，因此需要一种有效指导超大口径反射镜研磨阶段面形加工的高精度面形检测手段。

传统的中心口径光学元件轮廓检测阶段通常采用三坐标式轮廓仪进行检测。而对于超大口径光学元件轮廓检测，三坐标轮廓仪主要存在以下不足：

1)三坐标轮廓仪的检测精度受机械精度的影响与其检测量程成反比关系，随着光学元件的口径增大，检测精度大大下降；对于1m量级的反射镜，三坐标轮廓仪的检测精度约为1umrms，此检测能力与干涉检测量程勉强能衔接上，而对于更大口径的反射镜，三坐标轮廓仪检测精度已不能与干涉检测有效衔接；

2)三坐标式轮廓仪采用接触式采样方式，对于大口径光学元件检测，尤其消耗时间，单次检测1m量级反射镜，耗时约4h；而且采样密度受限，对于加工较为关心的镜面边缘面形信息不能很好的反映；

3)三坐标式轮廓仪为非在位检测，反射镜每次检测需要从加工位转移至三坐标轮廓仪上，对于大口径光学元件，不但增加了时间成本和人力成本，还存在转移过程中的镜面变形、磕碰等风险。

美国Arizona大学光学加工中心的PengSu，JamesH.Burge等人采用摆臂轮廓仪实现凸非球面的面形检测，主要检测案例见于2009年发表于SPIE(Proc.SPIE7426,OpticalManufacturingandTestingVIII,74260J(August21,2009)；doi:10.1117/12.828493)的文章《SwingarmopticalCMMforaspherics》(《用于非球面检测的摆臂式光学三坐标轮廓仪》)，但是其主要检测策略是去除面形检测结果的低阶项误差，约前40项Zernike拟合项，与干涉仪检测结果对比，用于抛光阶段面形高阶项误差的测量。然而，本发明的主要目的是基于摆臂轮廓仪的检测原理，实现包括低阶项在内的面形轮廓检测，用于指导反射镜的研磨阶段的面形加工。

摆臂式轮廓仪存在的主要不足是受气浮转台震动、测量臂刚性等因素的影响，面形的低阶项误差检测可能不准确。

目前国内外报道的摆臂轮廓仪属立柱式，如图1所示，这意味着测量臂长度至少应大于反射镜镜面半径。这增加了摆臂气浮转台的负担且测量臂的长度会放大摆臂气浮转台的振颤误差，进而影响面形检测精度。参见附图2，为对应的立柱式摆臂轮廓仪的面形测量点分布。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪，解决现有技术存在的摆臂轮廓仪测量大口径光学元件面形时臂长过长导致检测精度下降的问题。

为实现上述目的，本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪包括连接件A、气浮转台、连接件B、测量臂、配重件、连接件C和位移传感器；

所述的气浮转台通过连接件A与悬挂装置悬挂连接；所述测量臂通过连接件B与气浮转台固定；所述的测量臂的一端通过连接件C固定位移传感器的测头；另一端设置有配重件；

所述气浮转台的转轴随悬挂装置倾斜，通过待测反射镜最接近球球心。

所述的连接件B包括上部件和两个松紧可调的卡扣：上部件与气浮转台固定，两个松紧可调的卡扣固定测量臂。

所述测量臂的长度不限，测量臂在连接件B上的安装位置可调。

在同一位置，所述测量臂可携带位移传感器绕气浮转台旋转至少一圈。

所述测量臂携带位移传感器绕气浮转台旋转一圈在镜面上扫过的弧线最大为2π弧度。

本发明的工作原理为：本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪是基于摆臂轮廓仪工作原理，采用悬挂摆臂转台的方式，实现短测量臂测量超大口径反射镜面形。

摆臂轮廓检测系统由一台倾斜放置的高精度气浮转台、刚性测量臂和位于测量臂末端的高精度非接触式位移传感器组成；待测反射镜放置在另一个大转台上，反射镜中心位于大转台旋转轴上。气浮转台相对大转台旋转轴倾斜放置，倾斜角为θ，气浮转台转轴通过反射镜最接近球球心O₁，倾角θ满足：

$\mathrm{\θ}=asin\left(\frac{L}{R}\right)$

其中，L：镜面中心点到气浮转台转轴的距离；

R：反射镜最接近球半径；

位移传感器的测头装调至反射镜光轴方向。检测时测量臂与气浮转台固定在一起，携带位移传感器测头绕气浮转台旋转轴旋转，测头在镜面扫过一条弧线，测得轨迹位置处非球面与其最接近球面的偏离量。位移传感器测完一条弧线，反射镜绕大转台转轴旋转一定角度，继续测下一条弧线。

反射镜旋转一周后，得到位移传感器在镜面上的测量点分布图，误差面形为：

ΔS＝S-S₀

其中，S：实测面形各点的非球面偏离量；

S₀：理想面形各点的非球面偏离量；

对于凸非球面反射镜的测量，摆臂气浮转台反方向倾斜，即顺时针倾斜，使气浮转台轴经过凸非球面最接近球球心，测量原理与凹非球面测量原理相同。

本发明的有益效果为：本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪进一步提高了摆臂轮廓检测的精度及检测稳定性，主要表现在以下三方面：

1)气浮转台端跳误差、编码器误差和振动误差通过测量臂放大到检测结果中，测量臂越短，这些误差源引入的系统误差就越小，从而提高系统检测精度；

2)相同镜面，测量臂越短，在镜面上划过的弧度就越大，可达2π弧度，即一整圈，可以有效减少低阶面形如像散和三叶的测量不确定性，提高系统检测的稳定性。

3)单条检测弧线在镜面上划过的弧度达一整圈时，反射镜边缘采样密度大大增加，有效地实现边缘细节信息的检测。

附图说明

图1为本发明的现有技术中存在的立柱式摆臂轮廓仪结构示意图；

图2为本发明的现有技术中存在的立柱式摆臂轮廓仪面形测量点分布；

图3为本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪结构原理图；

图4为本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪面形测量点分布；

图5为本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪结构示意图；

其中：1、连接件A，2、气浮转台，3、连接件B，301、上部件，302、卡扣，4、测量臂，5、配重件，6、连接件C，7、位移传感器，8、悬挂装置，9、待测反射镜，10、大转台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图3、附图4和附图5，本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪包括连接件A1、气浮转台2、连接件B3、测量臂4、配重件5、连接件C6和位移传感器7；

所述的气浮转台2通过连接件A1与悬挂装置8悬挂连接；所述测量臂4通过连接件B3与气浮转台2固定；所述的测量臂4的一端通过连接件C6固定位移传感器7的测头；所述的配重件5用于固定在测量臂4相对于位移传感器7的测头的另一端，实现测量臂4关于气浮转台2的平衡；

所述的连接件A1是一块精密加工的角度块，作为刚性连接保证气浮转台2与悬挂装置8连接的稳定性，并实现气浮转台2倾斜运动。

所述的气浮转台2为现代直驱式高精度空气转动轴承，定位精度1”，轴跳及端跳1μm。连接件A1可以绕x轴转动，进而带动气浮转台2倾斜相应角度。使用时气浮转台2通过连接件A1倾斜，使气浮转台2轴经过反射镜最接近球面的球心。

所述的待测反射镜9位于一个大转台10上，待测反射镜9中心位于大转台10旋转轴上。测量时测量臂4携带位移传感器7的测头绕气浮转台2转轴旋转，在镜面上测得一条弧线后，待测反射镜9随大转台10旋转一定角度，位移传感器7继续测下一条弧线。

所述的连接件B3包括上部件301和两个松紧可调的卡扣302：上部件301与气浮转台2固定，两个松紧可调的卡扣302固定测量臂4。

所述测量臂4的长度不限，测量臂4在连接件B3上的安装位置可调，实现测量臂4旋转半径的调节。

在同一位置，所述测量臂4可携带位移传感器7绕气浮转台2旋转至少一圈。

所述测量臂4携带位移传感器7绕气浮转台2旋转一圈在镜面上扫过的弧线最大为2π弧度。

所述的测量臂4材质为铝合金，结构为空心圆管，外径100mm，管壁厚10mm。

所述的位移传感器7是高精度非接触式位移传感器，传感器分辨率30nm，重复精度0.1μm，采集频率2000Hz，实现连续采样。

本发明的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪的具体安装步骤为：

1、将气浮转台2通过螺钉与连接件A1连接固定；

2、将连接件A1通过螺钉与悬挂装置8固定；

3、将连接件B3通过螺钉连接到气浮转台2；

4、待测反射镜9放置在大转台10上，调节反射镜水平方向位置使镜面中心位于大转台10旋转轴上；将刚性测量臂4套入连接件B3的两个卡扣302中，调节一端距气浮转台2旋转轴距离约为反射镜口径的1/4，在该端安装上位移传感器7测头，在另一端套上配重件5；

5、根据反射镜参数计算出倾角θ，连接件A1摆至θ；控制测量轴位移，使测量臂4位于零位时，位移传感器7与机床转台中心同轴，并使位移传感器7测头调整至竖直方向。

6、测量臂4摆至检测零位，将位移传感器7的控制器安装在连接件A1上；控制器的信号线与气浮转台2的信号线并联，输出给计算机的控制模块，由计算机同步记录气浮转台2转角信息与位移传感器7读数信息。即组成用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪检测系统。所述的检测零位是指测头与镜面中心即转台中心对齐时测量臂4的位置。

Claims (5)

1.用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪，包括测量臂(4)和位移传感器(7)，其特征在于，还包括连接件A(1)、气浮转台(2)、连接件B(3)、配重件(5)和连接件C(6)；

所述的气浮转台(2)通过连接件A(1)与悬挂装置(8)悬挂连接；所述测量臂(4)通过连接件B(3)与气浮转台(2)的固定；所述的测量臂(4)的一端通过连接件C(6)固定位移传感器(7)的测头；另一端设置有配重件(5)；

所述气浮转台(2)的转轴随悬挂装置(8)倾斜，通过待测反射镜(9)最接近球球心。

2.根据权利要求1所述的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪，其特征在于，所述的连接件B(3)包括上部件(301)和两个松紧可调的卡扣(302)：上部件(301)与气浮转台(2)固定，两个松紧可调的卡扣(302)固定测量臂(4)。

3.根据权利要求1或2所述的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪，其特征在于，所述测量臂(4)的长度不限，测量臂(4)在连接件B(3)上的安装位置可调。

4.根据权利要求1所述的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪，其特征在于，在同一位置，所述测量臂(4)可携带位移传感器(7)绕气浮转台(2)旋转至少一圈。

5.根据权利要求4所述的用于超大口径面形检测的悬挂式摆臂轮廓仪，其特征在于，所述测量臂(4)携带位移传感器(7)绕气浮转台(2)旋转一圈在镜面上扫过的弧线最大为2π弧度。