CN106840024A - 大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法，能够实现大口径非球面反射镜的高精度轮廓检测。装置包括如下组件：CCD组件中包括多个CCD，多个CCD均匀对称固定安装在被检测反射镜的边缘；激光出射机构出射多束激光光束分别一一对应投射至每个CCD中；CCD组件中的多个CCD将采集的数据传输给中心控制器。靶标球固定于平移机构上，在平移机构带动下，沿被测反射镜表面平移。激光跟踪仪对于靶标球所在位置进行数据采集，并将采集到的数据发送至中心控制器。中心控制器接收利用CCD采集的数据对激光跟踪仪采集的数据进行校正并计算面形误差。激光跟踪仪与镜体的距离取决于被检测反射镜的顶点曲率半径，曲率半径越大距离越大。

Description

大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法。

背景技术

在非球面反射镜的制造过程中，轮廓检测方法是研磨、粗抛光阶段面形检测的主要手段。轮廓测量法通过精密位移传感器对非球面表面进行逐点测量，得到与某一测量基准的绝对矢高，并通过与理论面形相比较而获取面形误差。按照检测传感器与被检测非球面是否接触，可以分为接触式检测和非接触式检测，按照检测传感器运动方式，可以分为三坐标式检测和摆臂式检测。

轮廓测量的精度主要取决于位移传感器的精度、测量仪的位移定位精度以及测量方式。目前国外商用的三坐标轮廓仪的测量精度已经达到非常高的水平。例如蔡司公司、莱兹公司的三坐标轮廓仪测量精度均达到微米量级。对于小口径非球面的测量，马尔公司的非球面轮廓仪实现了亚微米的测量精度，分辨率达到了纳米量级。

随着天文观测、空间对地遥感等领域的发展，要求制造更大口径非球面反射镜。目前，大型望远镜中采用的单块非球面反射镜最大口径已经达到8m量级。为了实现大口径非球面反射镜的制造，需要研制大量程的轮廓测量设备。三坐标测量仪的位移定位误差随着量程的增大而增大，限制了三坐标轮廓仪测量精度的提升。同时，大量程的三坐标轮廓仪设备成本极高；为了保证测量的采样密度，测量的时间急剧增加。因此，对口径超过2m的反射镜，较少使用三坐标式轮廓测量仪进行面形检测。对于4m、8m量级非球面反射镜，目前的三坐标式轮廓测量技术无法满足测量需求。

美国亚利桑那大学的科研人员为了实现大口径非球面高精度的轮廓检测，发展了摆臂轮廓测量技术和激光跟踪仪laser tracker轮廓测量技术。摆臂轮廓仪通过高精度转台对非球面反射镜进行多条母线测量，然后对母线测量数据进行拟合得到非球面面形的偏差。摆臂轮廓仪采用非球面的最接近球作为轮廓测量的基准，降低了位移传感器的量程，同时摆臂过程中只有摆轴及被检镜旋转轴在转动，提高了运动部件的运动精度。然而，随着被检反射镜口径的增大，摆臂的臂长更长，摆臂转台的误差放大。同时，摆臂轮廓仪母线式测量具有中间采样密度高、边缘采样密度低的缺点，需要进行数据插值和拟合来获取被检测面形。采用laser tracker的轮廓测量技术通过将laser tracker放置在被检镜曲率中心，并利用激光干涉仪作为辅助校正系统。laser tracker具有量程大、简单易用的优点，适合应用到大口径非球面反射镜的轮廓检测中，但是其检测精度受到编码器、测试环境等因素的影响较大。美国亚利桑那大学采用的激光干涉仪校正系统成本高，系统结构复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法，能够实现大口径非球面反射镜的高精度轮廓检测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：大口径非球面在线轮廓检测装置，包括激光跟踪仪、激光出射机构、CCD组件、中心控制器、平移机构以及靶标球。

CCD组件中包括多个CCD，多个CCD均匀对称固定安装在被检测反射镜的边缘；

激光出射机构出射多束激光光束分别一一对应投射至每个CCD中；

CCD组件中的多个CCD将采集的数据传输给中心控制器。

靶标球固定于平移机构上，在平移机构带动下，沿被测反射镜表面平移。

激光跟踪仪对于靶标球所在位置进行数据采集，并将采集到的数据发送至中心控制器。

中心控制器接收利用CCD采集的数据对激光跟踪仪采集的数据进行校正并计算面形误差。

激光跟踪仪与镜体的距离取决于被检测反射镜的顶点曲率半径，曲率半径越大距离越大。

进一步地，激光出射机构包括激光器、分束镜和折转反射镜组；激光器出射激光经分束镜分为与CCD组件中CCD个数一致的激光束，每个激光束经折转反射镜折射后一一对应投射至每个CCD中。

进一步地，平移机构包括两条平行导轨、支撑件以及连接件；支撑件通过连接件连接在两条平行导轨中间；连接件与导轨之间滑动连接。

进一步地，还包括支撑结构，用于支撑激光跟踪仪和激光出射机构。

进一步地，CCD组件中CCD的数量为4个。

进一步地，检测过程具体包括如下步骤：

步骤一：在被测反射镜上选取镜体基准，采用激光跟踪仪测量被测反射镜的镜体基准，根据镜体基准建立被测反射镜的测量坐标系。

步骤二：在测量坐标系上构建覆盖整个被测反射镜的采样点集。

步骤三：利用平移机构移动靶标球，当靶标球达到一个采样点的坐标后停止，触发激光跟踪仪对靶标球进行测量获得测量数据，同时触发CCD进行数据采集获得CCD数据；

步骤四：重复步骤三，直至采样点集中所有采样点完成数据采集；

步骤五：根据CCD数据采用质心算法计算各采样点质心；

步骤六：根据步骤五计算的各采样点质心对激光跟踪仪测量获得的各采样点的测量数据进行校正，并利用校正后的测量数据计算面形误差。

进一步地，镜体基准为反射镜的侧面铣磨圆柱或者小平面。

进一步地，CCD数据包括CCD上每行每列的像素点的光强灰度值；则质心算法中，采样点质点的坐标为(x_c，y_c)：

其中I_i,j为像素点(i,j)的光强灰度值，M、N分别为CCD总行数和总列数；i、j为行列值，X_i,j、Y_i,j为像素点(i,j)的坐标值。

有益效果：

本发明采用激光跟踪仪进行大口径非球面反射镜面形测量过程中，由于采样点多，测量时间长，因此在测量过程中的环境影响和镜体刚体位移导致了测量误差。利用激光器发出的4束激光及CCD接收装置，能够监测测量过程中的环境、镜体刚体位移误差。通过校正上述误差，获取校正后的激光跟踪仪测量数据并进行拟合，获取被检测非球面的面形误差。本发明利用激光器及CCD器件构建了一套数据采集系统，该系统与激光跟踪仪进行同步数据采集，并通过该数据校正了测量误差，提高了激光跟踪仪的测量精度。本发明原理简单，量程大，通用性强；设定好程序后能够实现在线自动检测，操作方便。

附图说明

图1为基于laser tracker大口径非球面在线轮廓装置的各组成单元示意图；

图2为采用laser tracker大口径非球面在线轮廓装置进行大口径非球面检测示意图；

图中：1为激光跟踪仪；2为激光器；3为分束镜与折叠镜组4束；4为单元1、2、3的支撑结构；5为CCD器件及支撑结构；6为中心控制器；7为导轨；8为激光跟踪仪靶标球支撑件；9为靶标球支撑件的平移机构；7、8和9组成了二维平移机构；10被检测反射镜。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、大口径非球面在线轮廓检测装置，如图1所示，包括激光跟踪仪1、激光出射机构、CCD组件5、中心控制器6、平移机构、靶标球；

CCD组件中包括多个CCD，多个CCD均匀对称固定安装在被测反射镜的边缘；本实施例中，CCD组件中CCD的数量为4个可以均匀分布在被测反射镜四周。

激光出射机构出射多束激光光束分别一一对应投射至每个CCD中；本实施例中，如图2所示，激光出射机构包括激光器2、分束镜和折转反射镜组3；激光器2出射激光经分束镜3分为与CCD组件中CCD个数一致的激光束，每个激光束经折转反射镜折射后一一对应投射至每个CCD中。

靶标球固定于平移机构上，在平移机构带动下，沿被测反射镜表面平移；本实施例中，平移机构如图1所示，包括两条平行导轨7、支撑件8以及连接件9；支撑件8通过连接件9连接在两条平行导轨7中间；连接件9与导轨7之间滑动连接。

激光跟踪仪1和CCD对于靶标球所在位置进行数据采集，并将采集到的数据发送至中心控制器6。

中心控制器6接收利用CCD采集的数据对激光跟踪仪1采集的数据进行校正并计算面形误差。

激光跟踪仪与镜体的距离取决于被检测反射镜的顶点曲率半径，曲率半径越大距离越大。本实施例中还包括支撑结构4，用于支撑激光跟踪仪1和激光出射机构。

实施例2、一种大口径非球面在线轮廓检测装置的检测方法，采用如实施例1的大口径非球面在线轮廓检测装置，其检测过程具体包括如下步骤：

步骤一：在被测反射镜10上选取镜体基准，采用激光跟踪仪1测量被测反射镜10的镜体基准，根据镜体基准建立被测反射镜10的测量坐标系；本实施例中，镜体基准为反射镜9的侧面铣磨圆柱或者小平面。

步骤二：根据测量坐标系，构建覆盖整个被测反射镜10的采样点集；

步骤三：根据采样点集，利用平移机构移动靶标球，当靶标球达到一个采样点的坐标后停止，触发激光跟踪仪1对靶标球进行测量获得测量数据，同时出发CCD的进行数据采集获得CCD数据；

步骤四：重复步骤三，直至采样点集中所有采样点完成数据采集；

步骤五：根据CCD数据采用质心算法计算各采样点质心；本实施例中，CCD数据包括CCD上每行每列的像素点的光强灰度值；则质心算法中，采样点质点的坐标为x_c，y_c：

其中I_i,j为像素点(i,j)的光强灰度值，M、N分别为CCD总行数和总列数；i、j为行列值，X_i,j、Y_i,j为像素点(i,j)的坐标值。

步骤六：根据步骤五计算的各采样点质心对激光跟踪仪(1)测量获得的各采样点的测量数据进行校正，并利用校正后的测量数据计算面形误差。

这样能够将因镜体的偏移而导致的测量误差不计入到面形误差的计算中，使得面形检测精度更高。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.大口径非球面在线轮廓检测装置，其特征在于，包括激光跟踪仪(1)、激光出射机构、CCD组件(5)、中心控制器(6)、平移机构以及靶标球；

所述CCD组件中包括多个CCD，多个CCD均匀对称固定安装在被检测反射镜的边缘；

所述激光出射机构出射多束激光光束分别一一对应投射至每个CCD中；

所述CCD组件中的多个CCD将采集的数据传输给中心控制器(6)；

所述靶标球固定于所述平移机构上，在所述平移机构带动下，沿所述被测反射镜表面平移；

所述激光跟踪仪(1)对于所述靶标球所在位置进行数据采集，并将采集到的数据发送至所述中心控制器(6)；

所述中心控制器(6)接收利用CCD采集的数据对激光跟踪仪(1)采集的数据进行校正并计算面形误差；

激光跟踪仪与镜体的距离取决于被检测反射镜的顶点曲率半径，曲率半径越大距离越大。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述激光出射机构包括激光器(2)、分束镜和折转反射镜组(3)；所述激光器(2)出射激光经所述分束镜(3)分为与所述CCD组件中CCD个数一致的激光束，每个激光束经所述折转反射镜折射后一一对应投射至每个CCD中。

3.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，所述平移机构包括两条平行导轨(7)、支撑件(8)以及连接件(9)；所述支撑件(8)通过连接件(9)连接在两条平行导轨(7)中间；所述连接件(9)与导轨(7)之间滑动连接。

4.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，还包括支撑结构(4)，用于支撑激光跟踪仪(1)和激光出射机构。

5.如权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述CCD组件中CCD的数量为4个。

6.一种基于权利要求1所属的大口径非球面在线轮廓检测装置的检测方法，其特征在于，检测过程具体包括如下步骤：

步骤一：在被测反射镜(10)上选取镜体基准，采用激光跟踪仪(1)测量被测反射镜(10)的镜体基准，根据镜体基准建立被测反射镜(10)的测量坐标系；

步骤二：在所述测量坐标系上构建覆盖整个被测反射镜(10)的采样点集；

步骤三：利用平移机构移动靶标球，当靶标球达到一个采样点的坐标后停止，触发激光跟踪仪(1)对靶标球进行测量获得测量数据，同时触发CCD进行数据采集获得CCD数据；

步骤四：重复步骤三，直至采样点集中所有采样点完成数据采集；

步骤五：根据CCD数据采用质心算法计算各采样点质心；

步骤六：根据步骤五计算的各采样点质心对激光跟踪仪(1)测量获得的各采样点的测量数据进行校正，并利用校正后的测量数据计算面形误差。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述镜体基准为反射镜(9)的侧面铣磨圆柱或者小平面。

8.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述CCD数据包括CCD上每行每列的像素点的光强灰度值；则所述质心算法中，采样点质点的坐标为(x_c，y_c)：

$x_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j}{I}_{i,j}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{i,j}},y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{i,j}{I}_{i,j}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{i,j}}$

其中I_i,j为像素点(i,j)的光强灰度值，M、N分别为CCD总行数和总列数；i、j为行列值，X_i,j、Y_i,j为像素点(i,j)的坐标值。