CN107063161A - 一种自由曲面光学元件的面形检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由曲面光学元件的面形检测装置和检测方法，该装置包括两个高精度直线运动轴、一个高精度旋转轴、真空吸盘和精密探针。该方法是将被测自由曲面的面型方程输入至计算机中，得到其极坐标表示方式；检测时，利用直线运动轴控制径向方向的半径与矢高，利用旋转轴控制角度方向的位置，三轴协同运动，使精密探针沿着待测自由曲面表面作螺旋线运动；同时，利用精密探针测量各个位置的实际矢高值，其与该位置理论矢高值的偏差便为该位置的面形误差，测得多个极坐标位置点的面形误差，再利用Zernike多项式拟合，便可得到整个面的面形误差分布。这为自由曲面光学元件的面形测量提供了一种有效的方法，在光学元件制造领域有着较大的工程应用价值。

Description

一种自由曲面光学元件的面形检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及的是一种自由曲面光学元件的面形检测系统和装置。

背景技术

随着科学技术的发展，光学系统正朝着小体积、轻质量、高性能、简单结构的方向发展。这些新特性就要求在光学系统中采用自由曲面光学元件，其能简化光学系统结构，减少光学元件数量，提供光学性能。因此，自由曲面光学元件在光学系统中的应用越来越重要，其相应的面形检测技术也急需发展。

苏州大学的仇谷烽等人(“一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法”，发明专利，授权公开号：CN 103558013 B)提出了一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法，其采用一个反射镜让经过自由曲面透镜的光线按照原路返回，实现对自由曲面的干涉检测。该方法主要针对自由曲面透镜，且对自由曲面的面型方程有一定的要求。而反射镜的制造误差会对自由曲面透镜的检测结果产生明显的影响，且对自由曲面反射镜的面形检测无能无力。

中国航空工业第六一八研究所的任旭升等人(“自由曲面形貌三维测量方法及装置”，发明专利，授权公开号：CN 104374334 B)提出一种自由曲面形貌三维测量方法，该方法采用信号发生器、矩形光栅、变倍率镜头、全反射镜、高速高清摄像机等元件，实现对自由曲面面形的动态在线监测。该方法所需的元器件比较多，测量步骤比较繁琐，且数据分析也比较复杂，这些都限制了该方法的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是为自由曲面光学元件的面形检测提供一种有效的方法。

为实现本发明的目的，本发明提供的技术解决方案是：

一种自由曲面光学元件的面形检测装置，包括高精度直线运动的Z轴与X轴，还包括X轴端部固定设置的高精度的旋转C轴，所述C轴的旋转面切割X轴，其端部设置有真空吸盘；所述直线运动Z轴上设置有可在垂直方向调整的精密探针，该精密探针的端部与真空吸盘相对设置。

一种自由曲面光学元件的面形检测方法，通过控制待测自由曲面的径向方向的半径、矢高以及角度，使精密探针沿着待测自由曲面表面作螺旋线运动；运动同时，利用精密探针测量各个位置的实际矢高值，其与该位置理论矢高值的偏差便为该位置的面形误差，如此，测量得到多个极坐标位置点的面形误差，然后再利用Zernike 多项式拟合，便可得到整个面的面形误差分布。

该方法具体包括如下步骤：

1)将待测自由曲面的面型方程参数输入计算机中，转换得到该自由曲面的极坐标表示方式，并设定被测自由曲面几何中心点的理论矢高为0；然后利用X轴控制半径位置，用C轴控制角度位置，用Z轴控制矢高值，三轴同时协调运动，使运动得到的螺旋线与该自由曲面的面型曲线一致；

2)真空吸盘固定于高精度旋转C轴上，且其中心与C轴旋转中心重合；将被测自由曲面通过真空吸附于真空吸盘上，且其几何中心重合于真空吸盘的中心；

3)调整探针高度与X轴位置，使精密探针的针尖与被测自由曲面的几何中心重合；调整Z轴，使精密探针与被测自由曲面几何中心接触，并记录此时的读数为

4)控制X轴、Z轴和C轴的协同运动，使精密探针沿待测自由曲面表面作螺旋线运动；计算机实时记录每个位置的值，包括R(半径值)，theta(角度值)，(探针读数)，记录格式为

5)数据处理，得到被测自由曲面整个面的面形分布情况。

精密探针的探测范围为±2mm。

一种自由曲面光学元件的面形检测方法，其数据处理方法为：通过X轴、Z轴和C轴的三轴协同运动，测量记录得到多个点的坐标矢高值将这些值减去被测自由曲面旋转中心点的精密探针读数则可获得被测自由曲面上每一个测量点(R，theta)对应的矢高值Φ，即有：

Φ(R，theta)为每一个测量点的测量真实矢高值，将其与理论矢高值相减，便可得到该点的面形误差，即：

Error(R,theta)＝Φ(R,theta)-Sag(R,theta) (2)

将计算得到每个点的面形误差Error(R，theta)利用Zernike多项式进行拟合，其拟合公式如下：

Zi为Zernike多项式的基函数，对上式进行反算，可以得到其拟合系数Ai，再将该系数带入Zernike多项式中，便可以得到被测自由曲面整个面的面形分布情况。

本发明与现有技术相比，其优势在于：

1.本发明为自由曲面的面形测量提供了一种采用螺旋线的采样测量方法，该方法原理简单，可达到亚微米量级的测量精度，有效解决常规自由曲面面形难以测量的检测难题；

2.本发明的方法具有简单的测量步骤和数据处理方法，具有较强的工程应用价值。

3.根据本发明给出的装置，结构简单，成本低，操作方便。

附图说明

图1是测量装置示意图；

图2是螺旋式采点测量示意图；

图3是本发明自由曲面面形检测方法的流程图；

在图1中，1为X轴，2为Z轴，3为C轴，4为真空吸盘，5为待测自由曲面， 6为精密探针，7为计算机；

在图2中，8为精密探针在自由曲面表面的运动螺旋线及采样点示意图；

具体实施方式

具体实施方式结合图1-图3来说明。

参见图1，包括高精度直线运动的Z轴1与X轴2，还包括X轴2端部固定设置的高精度的旋转C轴3，所述C轴3的旋转面切割X轴2，其端部设置有真空吸盘4；所述直线运动Z轴1上设置有可在垂直方向调整的精密探针6，该精密探针6 的端部与真空吸盘4相对设置。

所说X轴2与Z轴1可以进行独立运动；计算机可控制并实时记录X轴2、Z 轴1、C轴3与精密探针6的精确位置与读数；检测时，将被测自由曲面5吸附固定于真空吸盘4上。

参见图3，一种自由曲面光学元件的面形检测方法，通过控制待测自由曲面5 的径向方向的半径、矢高以及角度，使精密探针6沿着待测自由曲面5表面作螺旋线运动；运动同时，利用精密探针6测量各个位置的实际矢高值，其与该位置理论矢高值的偏差便为该位置的面形误差，如此，测量得到多个极坐标位置点的面形误差，然后再利用Zernike多项式拟合，便可得到整个面的面形误差分布。

依次包括下述步骤：

1)将被测自由曲面5的面型方程参数输入计算机中，转换得到该自由曲面的极坐标表示方式，即在任意位置(同时包括半径位置与角度位置)，均能得到该位置对应的理论矢高值Sag(R，theta)，并设定被测自由曲面几何中心点的理论矢高为0；然后利用X轴2控制半径位置，用C轴3控制角度位置，用Z轴1控制矢高值，三轴同时协调运动，实现该自由曲面面型的螺旋曲线；

2)真空吸盘4固定于高精度旋转C轴3上，且其中心与C轴3旋转中心重合；将被测自由曲面5通过真空吸附于真空吸盘4上，且其几何中心重合于真空吸盘的中心，这就保证了C轴3旋转中心与被测自由曲面几何中心的重合；

3)将精密探针6通过工装固定于高精度直线运动轴Z轴1上，精密探针具有± 2mm的探测范围；通过调整探针高度与X轴2位置，使精密探针的针尖与被测自由曲面5的几何中心重合；通过调整Z轴，使精密探针与被测自由曲面几何中心刚好接触，并记录此时的读数为

4)通过计算机7使得X轴2、Z轴1和C轴3同时协同运动，使精密探针沿待测自由曲面表面作螺旋线运动8，参见图2，Z轴是垂直纸面向外的轴；计算机7实时记录每个位置的值，包括R(半径值)，theta(角度值)，(探针读数)，记录格式为

5)将测量记录得到多个点的坐标矢高值减去被测自由曲面旋转中心点的精密探针读数则可获得被测自由曲面上每一个测量点(R，theta)对应的矢高值Φ，即有：

Φ(R，theta)为每一个测量点的测量真实矢高值，将其与理论矢高值相减，便可得到该点的面形误差，即：

Error(R,theta)＝Φ(R,theta)-Sag(R,theta)

将计算得到每个点的面形误差Error(R，theta)利用Zernike多项式进行拟合，其拟合公式如下：

Zi为Zernike多项式的基函数，对上式进行反算，可以得到其拟合系数Ai，再将该系数带入Zernike多项式中，便可以得到被测自由曲面整个面的面形分布情况。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (5)

1.一种自由曲面光学元件的面形检测装置，包括高精度直线运动的Z轴(1)与X轴(2)，还包括X轴(2)端部固定设置的高精度的旋转C轴(3)，所述C轴(3)的旋转面切割X轴(2)，其端部设置有真空吸盘(4)；所述直线运动Z轴(1)上设置有可在垂直方向调整的精密探针(6)，该精密探针(6)的端部与真空吸盘(4)相对设置。

2.一种自由曲面光学元件的面形检测方法，其特征在于：通过控制待测自由曲面的径向方向的半径、矢高以及角度，使精密探针沿着待测自由曲面表面作螺旋线运动；运动同时，利用精密探针测量各个位置的实际矢高值，其与该位置理论矢高值的偏差便为该位置的面形误差，如此，测量得到多个极坐标位置点的面形误差，然后再利用Zernike多项式拟合，便可得到整个面的面形误差分布。

3.如权利要求2所述的一种自由曲面光学元件的面形检测方法，其特征在于：

1)将待测自由曲面的面型方程参数输入计算机中，转换得到该自由曲面的极坐标表示方式，并设定被测自由曲面几何中心点的理论矢高为0；然后利用X轴控制半径位置，用C轴控制角度位置，用Z轴控制矢高值，三轴同时协调运动，使运动得到的螺旋线与该自由曲面的面型曲线一致；

2)真空吸盘固定于高精度旋转C轴上，且其中心与C轴旋转中心重合；将被测自由曲面通过真空吸附于真空吸盘上，且其几何中心重合于真空吸盘的中心；

3)调整探针高度与X轴位置，使精密探针的针尖与被测自由曲面的几何中心重合；调整Z轴，使精密探针与被测自由曲面几何中心接触，并记录此时的读数为

4)控制X轴、Z轴和C轴的协同运动，使精密探针沿待测自由曲面表面作螺旋线运动；计算机实时记录每个位置的值，包括R(半径值)，theta(角度值)，(探针读数)，记录格式为(R，theta)；

5)数据处理，得到被测自由曲面整个面的面形分布情况。

4.根据权利要求3所述的一种自由曲面光学元件的面形检测方法，其特征在于：精密探针的探测范围为±2mm。

5.根据权利要求3或4所述的一种自由曲面光学元件的面形检测方法，其特征在于：数据处理方法为：通过X轴、Z轴和C轴的三轴协同运动，测量记录得到多个点的坐标矢高值将这些值减去被测自由曲面旋转中心点的精密探针读数则可获得被测自由曲面上每一个测量点(R，theta)对应的矢高值Φ，即有：

Φ(R，theta)为每一个测量点的测量真实矢高值，将其与理论矢高值相减，便可得到该点的面形误差，即：

Error(R,theta)＝Φ(R,theta)-Sag(R,theta) (2)

将计算得到每个点的面形误差Error(R，theta)利用Zernike多项式进行拟合，其拟合公式如下：

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Zi为Zernike多项式的基函数，对上式进行反算，可以得到其拟合系数Ai，再将该系数带入Zernike多项式中，便可以得到被测自由曲面整个面的面形分布情况。