CN107193096A - 高次曲面空间位置自动定中系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高次曲面空间位置自动定中系统和方法。本发明的技术特点在于对高次曲面光学元件顶点曲率半径以及顶点曲率中心位置坐标进行测量，实现待测高次曲面光学元件检测姿态的初始化调整与参数测量。高次曲面自动定中系统包括高次曲面定中单元和空间位置调整机构，自动定中方法通过建立高次曲面自动定中计算模型，得出自动定中系统的平移机构和摆动机构的精确调整量，进行各个机构对应量的调整，实现元件光轴、定中单元光轴、自旋机构转轴三轴轴系一致，最后驱动高次曲面定中单元沿Z向扫描，得到元件顶点的曲率中心坐标，从而为高次曲面子孔径扫描拼接操作提供了一种高精度的定位方法。

Description

高次曲面空间位置自动定中系统和方法

技术领域

本发明属于机器视觉检测技术领域，具体涉及一种高次曲面位置自动定中系统和方法。

背景技术

高次曲面光学元件在日常科研、生活中被广泛应用，如极紫外镜头中，单镜头采用的高次曲面光学元件多大10几片，同时高次曲面光学元件的广泛使用对加工及表面质量检测方法提出了更高的要求，不仅要求加工精度能达到波长级别，同时要求表面质量中不存在划痕、麻点等表面缺陷，因此开展高次曲面表面缺陷的检测具有重要的意思，而在高次曲面表面缺陷检测中，高次曲面元件的定中问题尤为重要。因此设计了因此设计了一种高次曲面空间位置自动定中方法和装置，实现元件表面缺陷的自动化精确定量评价。

目前常用的高次曲面元件满足以下方程：

其中r²＝x²+y²，k为二次常数，A₁，A₂，A₃，A₄为高次曲面偏离系数。

该类型的高次曲面元件具有旋转对称特性，其表面缺陷检测难点在于曲面上各点有着不同的曲率半径，且在唯一光轴上其对应的曲率中心位置各不相同，因此当元件光轴与自旋轴之间存在夹角时，只对任意一个曲率中心定心不能够确定光轴的空间位置从而调整其与自旋轴重合。为了解决这一难题，本专利提出了一种高次曲面自动定中系统及其方法，自动定中系统通过确定高次曲面光学元件顶点的曲率中心的位置，对待测元件进行包括Z向调节、二维平移、二维摆动、绕自旋机构的旋转、以及自旋机构至待测元件二维摆动机构之间整体的二维平移共八个维度的调节。自动定中的方法中高次曲面自动定中计算求解模型，得出自动定中系统的四维调整量，并进行相应机构的位置和姿态调整，从而实现待测高次曲面光学元件检测姿态的初始化调整与参数测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高次曲面位置自动定中系统和方法。本发明对高次曲面光学元件顶点曲率半径以及顶点曲率中心位置坐标进行测量，实现待测高次曲面光学元件检测姿态的初始化调整与参数测量。

本发明提供一种高次曲面位置自动定中系统，从上往下依次包括高次曲面定中单元S0、Z向调节立柱S1、自定心夹持机构S3、二维摆动机构包括S4、S5、XY二维平移机构包括S6、S7、自旋机构S8、底部Y向导轨S9和X向导轨S10；高次曲面定中单元S0设置在Z向调节立柱S1上，自定心夹持机构S3设置有待测元件S2，二维摆动机构包括Y轴摆动机构S4和X轴摆动机构S5，XY二维平移机构包括Y轴平移机构S6和X轴平移机构S7；自定心夹持机构与二维摆动机构相连接，所述的二维摆动机构根据光学结构参数，利用2个可达微米量级定位精度的精密导轨，对应配合2个步进电机的驱动，使步进电机在接收到程序指令后对绕XY的二维摆动机构进行定量的角度调整，即对Y轴摆动机构S4和X轴摆动机构S5分别进行定量的角度调整。二维摆动机构下方连接有XY二维平移机构，同理，XY二维平移机构也有对应的电机控制模式进行定量的位移调整；自旋机构与XY二维平移机构相连，使高次曲面光学元件能够进行自旋转动，方便对待测元件每隔已知角度采集十字叉丝像用来确定自旋轴的位置，底部的Y向导轨和X向导轨是通过转接板与自旋机构下方相连固紧，Y向导轨和X向导轨均可达微米量级定位精度的精密平移；从而实现对自旋机构至XY二维摆动机构的整体移动。

通过确定高次曲面光学元件顶点的曲率中心的位置，对待测元件进行包括Z向调节、二维平移、二维摆动、绕自旋机构的旋转、以及自旋机构至待测元件二维摆动机构之间整体的二维平移共八个维度的调节，便于对高次曲面光学元件不同的曲率中心位置清晰成像，实现待测元件空间位置及姿态调整。

本发明进一步提供了高次曲面位置自动定中方法，具体包括如下步骤：

步骤1.初始化高次曲面定中单元。

步骤2.将高次曲面光学元件移动至高次曲面定中单元下，并且能够在高次曲面定中单元的CCD上得到十字叉丝像。

步骤3.沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像。

步骤4.判断十字叉丝为表面像还是球心像，具体判断如下：

驱动X向和Y向导轨进行微调，观察视场中的十字叉丝是否随之移动，如果跟随导轨移动则得到高次曲面光学元件表面上某一点对应的曲率中心的球心像，并跳转至步骤5；反之则得到高次曲面光学元件表面上某一点的表面像，驱动Z向立柱继续进行扫描，并在扫描的过程中再次找到最清晰的十字叉丝像。

步骤5.驱动X向和Y向导轨调节高次曲面光学元件的位置使十字叉丝像在CCD的视场中心，从而该十字叉丝像所对应的高次曲面光学元件表面点的曲率中心与高次曲面定中单元的光轴重合。

步骤6.记录上述曲率中心点的坐标为O_1w(x_1w,y_1w,z_1w)，驱动X向和Y向导轨进行较小位移的调整，使CCD视场内出现另一个不在视场中心且模糊的十字叉丝像，重复步骤3-步骤5，并且得到第二个曲率中心点的坐标为O_2w(x_2w,y_2w,z_2w)。

步骤7.建立高次曲面二次光轴空间位置计算模型，计算得到经过曲率中心点O_1w和O_2w的空间直线方程为：

即高次曲面光学元件光轴的空间方程。自动定中系统的自旋机构的空间方程为x＝x_rw,y＝y_rw，计算得到自动定中系统的XY二维平移调整机构的调整量：

自动定中系统中绕XY的二维摆动机构的调整量：

步骤8.按照步骤7得到的四维调整量进行相应机构的位置和姿态调整。

步骤9.利用光学装调中的旋转测量法测量高次曲面光学元件光轴与自动定中系统中自旋机构转轴间的最大偏差，具体如下：

每驱动自旋机构旋转30°后，CCD采集一幅十字叉丝像，随着自旋角度的不同，十字叉丝像在CCD视场上的位置也不同，大体轨迹为一个圆，其中圆心就是自旋转轴所在的位置；通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心的运动轨迹，从而得到运动轨迹的圆心；计算每幅十字叉丝像的中心到圆心的距离，其中最大距离即为高次曲面光学元件光轴与自动定中系统中自旋机构转轴间的最大偏差。

步骤10.对最大偏差进行判断，若最大偏差在容许误差范围内，则完成高次曲面定中单元光轴、高次曲面光学元件光轴和自动定中系统中自旋机构转轴的三轴轴系一致性调整，并跳转至步骤11；若最大偏差大于最大容许误差，则说明高次曲面光学元件的光轴与自旋转轴不重合，此时先通过调节自动定中系统的XY二维平移调整机构使得十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，然后跳转至步骤9。

步骤11.驱动高次曲面定中单元沿Z向扫描，得到清晰的高次曲面光学元件顶点的表面像，具体判别方法如步骤4所述。继续驱动其沿Z方向向下，直到CCD视场中心再次出现清晰的十字叉丝像，该像即为高次曲面光学元件顶点曲率中心所对应的球心像，记录此时坐标即为高次曲面光学元件顶点曲率中心坐标，记录Z轴从表面像移动至球心像的距离，即为高次曲面光学元件顶点曲率半径。

本发明有益效果如下：

本发明提出了一种高次曲面空间位置自动定中系统及其方法，从而实现高次曲面元件光轴与自旋轴重合的自动化定中调整以及高次曲面顶点曲率中心坐标的精确计算，是高次曲面高精度子孔径扫描拼接的基础，对完成相关科学仪器所需解决的根本问题有着重要意义。

高次曲面空间位置自动定中方法是一种先精确计算各调整量，再通过对相应机构的定量调整完成元件的自动定中过程。由于元件初始位置与下方机构中心既有二维水平方向的位移偏差又存在元件光轴与自旋机构的自旋轴之间的角度偏差，所以二维摆动机构是必不可少的，其作用是对绕XY轴计算得到的二维摆动机构的调整量Δβ、Δγ提供机构支持；同时，只有通过调节二维摆动机构，才能补偿元件光轴和自旋轴存在的角度偏差，这是单纯的二维平移机构所不能完成的。在本实验装置中通过2个可达微米量级定位精度的精密导轨，对应配合2个步进电机的驱动，能够达到角度的精确调整。

由于高次曲面上各点有着不同的曲率半径，且在光轴上其对应的曲率中心位置各不相同，因此，当待测高次曲面光学元件的光轴倾斜时，即光轴与自旋轴之间存在夹角，此时只对一个曲率中心定心不能够确定光轴的空间位置从而调整其与自旋轴重合。所以需要另对光轴倾斜情况进行分析，对元件进行XY方向的摆动控制，这既是进行二次定中的必要性，也是设置二维摆动机构进行角度变化的原因，只有进行二次定中的操作，才能使待测高次曲面光学元件光轴、自动定中显微系统光轴、自旋机构转轴在一条直线上，完成自动定中的全部过程。之后再利用光学装调中的旋转测量法测量元件光轴与自动定中系统中自旋机构转轴间的最大偏差，检验三轴轴系一致性，经过大量的实验验证，二次定中的方法对高次曲面光学元件的自动定中具有较好的准确率和精确度。

附图说明

图1所示为高次曲面自动定中系统机构图；

图2所示为高次曲面自动定中方法流程图；

图3所示为分划板成像原理图；

图4A所示为第一次自动定中后元件光轴和自旋轴的相对位置；

图4B所示为第二次自动定中后元件光轴和自旋轴的相对位置；

图5A所示是待测元件光轴与自旋轴的初始状态；

图5B所示是待测元件光轴与自旋轴经过平移调整之后的状态；

图5C所示是待测元件光轴与自旋轴经过摆动调整之后的状态；

图6所示为元件顶点曲率中心和曲率半径示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

应用于高次曲面光学元件表面缺陷检测的空间位置自动定中系统，通过确定高次曲面光学元件顶点的曲率中心的位置，对待测元件进行包括Z向调节、二维平移、二维摆动、绕自旋机构的旋转、以及自旋机构至待测元件二维摆动机构之间整体的二维平移共八个维度的调节，便于对高次曲面光学元件不同的曲率中心位置清晰成像，实现待测元件空间位置及姿态调整。

如图1所示，高次曲面空间位置自动定中系统共有八个维度，本发明提供一种高次曲面位置自动定中系统，从上往下依次包括高次曲面定中单元(S0)、Z向调节立柱(S1)、自定心夹持机构(S4)、二维摆动机构、XY二维平移机构、自旋机构(S9)、底部Y向导轨(S10)和X向导轨(S11)；高次曲面定中单元(S0)设置在Z向调节立柱(S1)上，自定心夹持机构(S4)设置有待测元件(S3)，二维摆动机构包括Y轴摆动机构(S5)和X轴摆动机构(S6)，XY二维平移机构包括Y轴平移机构(S7)和X轴平移机构(S8)；自定心夹持机构(S4)与二维摆动机构相连接，所述的二维摆动机构根据光学结构参数，利用2个可达微米量级定位精度的精密导轨，对应配合2个步进电机的驱动，使步进电机在接收到程序指令后对绕XY的二维摆动机构进行定量的角度调整，即对Y轴摆动机构S4和X轴摆动机构S5分别进行定量的角度调整。二维摆动机构下方连接有XY二维平移机构，同理，XY二维平移机构也有对应的电机控制模式进行定量的位移调整；自旋机构与XY二维平移机构相连，使高次曲面光学元件S2能够进行自旋转动，方便对待测元件每隔已知角度采集十字叉丝像用来确定自旋轴C2的位置，底部的Y向导轨和X向导轨是通过转接板与自旋机构S8下方相连固紧，Y向导轨和X向导轨均可达微米量级定位精度的精密平移；从而实现对自旋机构至XY二维摆动机构的整体移动。

本发明进一步提供了高次曲面位置自动定中方法，具体包括如下步骤：

步骤1.初始化高次曲面定中单元S0。

步骤2.将高次曲面光学元件S2移动至高次曲面定中单元S0下，并且能够在高次曲面定中单元的CCD S11上得到十字叉丝像。

步骤3.沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像。

步骤4.判断十字叉丝为表面像还是球心像，具体判断如下：

驱动X向导轨和Y向导轨进行微调，观察视场中的十字叉丝是否随之移动，如果跟随导轨移动则得到高次曲面光学元件S2表面上某一点对应的曲率中心的球心像，并跳转至步骤5；反之则得到高次曲面光学元件表面上某一点的表面像，驱动Z向调节立柱S1继续进行扫描，并在扫描的过程中再次找到最清晰的十字叉丝像。

步骤5.驱动X向导轨和Y向导轨调节高次曲面光学元件S2的位置，调节过程如图3所示，最终使十字叉丝像在CCD S11的视场中心呈现I4状态，从而该十字叉丝像所对应的高次曲面光学元件表面点的曲率中心与高次曲面定中单元的光轴重合。

步骤6.记录上述曲率中心点的坐标为O_1w(x_1w,y_1w,z_1w)，O_1w位置如图4A所示；驱动X向和Y向导轨进行较小位移的调整，使CCD S11视场内出现另一个不在视场中心且模糊的十字叉丝像，重复步骤3-步骤5，并且得到第二个曲率中心点的坐标为O_2w(x_2w,y_2w,z_2w)，O_2w位置如图4B所示。

步骤7.建立高次曲面二次光轴空间位置计算模型，计算得到经过曲率中心点O_1w和O_2w的空间直线方程为：

即高次曲面光学元件光轴的空间方程。高次曲面自动定中系统中自旋机构的空间方程为x＝x_rw,y＝y_rw，其中的x_rw、y_rw是由最小二乘最佳圆拟合得到的自旋机构的自旋轴C2二维位置。计算得到自动定中系统中XY二维平移调整机构的调整量，对应Y轴平移机构S6的调整量Δy，X轴平移机构S7的调整量Δx：

同时，计算得到自动定中系统中绕XY的二维摆动机构的调整量，对应绕Y轴摆动机构S4的调整量Δβ，绕X轴摆动机构S5的调整量Δγ：

步骤8.按照步骤7得到的四维调整量对相应机构的位置和姿态调整。图5A表示自动定中系统的自旋转轴C2和元件光轴C3的初始位置图，经过Δx、Δy调整之后，两轴的位置如图5B显示，再经过Δβ、Δγ调整之后，两轴的位置如图5C显示。

步骤9.利用光学装调中的旋转测量法测量高次曲面光学元件光轴C3与自动定中系统的自旋机构转轴C2间的最大偏差，具体如下：

每驱动自旋机构S8旋转30°后，CCD S11采集一幅十字叉丝像，随着自旋角度的不同，十字叉丝像在CCD S11视场上的位置也不同，大体轨迹为一个圆，其中圆心就是自旋转轴所在的位置；通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心的运动轨迹，从而得到运动轨迹的圆心；计算每幅十字叉丝像的中心到圆心的距离，其中最大距离即为高次曲面光学元件光轴C3与自动定中系统的自旋机构转轴C2间的最大偏差。

步骤10.对最大偏差进行判断，若最大偏差在容许误差范围内，则完成高次曲面定中单元光轴C1、高次曲面光学元件光轴C3和自动定中系统中的自旋机构转轴C2的三轴轴系一致性调整，并跳转至步骤11；若最大偏差大于最大容许误差，则说明高次曲面光学元件的光轴C3与自旋转轴C2不重合，此时先通过调节自动定中系统中XY二维平移调整机构S6、S7使得十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，然后跳转至步骤9。

步骤11.驱动高次曲面定中单元S0沿Z向扫描，得到清晰的高次曲面光学元件顶点P1的表面像，具体判别方法如步骤4所述。如图6所示，继续驱动其沿Z方向向下，直到CCDS11视场中心再次出现清晰的十字叉丝像，该像即为高次曲面光学元件顶点曲率中心所对应的球心像，记录此时坐标即为高次曲面光学元件顶点曲率中心坐标P2，记录Z轴从表面像移动至球心像的距离，即为高次曲面光学元件顶点曲率半径R。

Claims (5)

1.高次曲面空间位置自动定中系统，有八个维度，其特征在于从上往下依次包括高次曲面定中单元、Z向调节立柱、自定心夹持机构、二维摆动机构、XY二维平移机构、自旋机构、底部Y向导轨和X向导轨；高次曲面定中单元设置在Z向调节立柱上，自定心夹持机构设置有待测元件，二维摆动机构包括Y轴摆动机构和X轴摆动机构，XY二维平移机构包括Y轴平移机构和X轴平移机构；自定心夹持机构与二维摆动机构相连接，二维摆动机构根据光学结构参数，利用两个可达微米量级定位精度的精密导轨，对应配合两个步进电机的驱动，使步进电机在接收到程序指令后对绕XY的二维摆动机构进行定量的角度调整，即对Y轴摆动机构和X轴摆动机构分别进行定量的角度调整；二维摆动机构下方连接有XY二维平移机构，同理，XY二维平移机构也有对应的电机控制模式进行定量的位移调整；自旋机构与XY二维平移机构相连，使高次曲面光学元件能够进行自旋转动，方便对待测元件每隔已知角度采集十字叉丝像用来确定自旋轴的位置，底部的Y向导轨和X向导轨是通过转接板与自旋机构下方相连固紧，Y向导轨和X向导轨均可达微米量级定位精度的精密平移；从而实现对自旋机构至XY二维摆动机构的整体移动。

2.根据权利要求1所述的高次曲面位置自动定中方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.初始化高次曲面定中单元；

步骤2.将高次曲面光学元件移动至高次曲面定中单元下，并且能够在高次曲面定中单元的CCD上得到十字叉丝像；

步骤3.沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像；

步骤4.判断十字叉丝为表面像还是球心像，具体判断如下：

驱动X向导轨和Y向导轨进行微调，观察视场中的十字叉丝是否随之移动，如果跟随导轨移动则得到高次曲面光学元件表面上某一点对应的曲率中心的球心像，并跳转至步骤5；反之则得到高次曲面光学元件表面上某一点的表面像，驱动Z向调节立柱继续进行扫描，并在扫描的过程中再次找到最清晰的十字叉丝像；

步骤5.驱动X向和Y向导轨调节高次曲面光学元件的位置使十字叉丝像在CCD的视场中心，从而该十字叉丝像所对应的高次曲面光学元件表面点的曲率中心与高次曲面定中单元的光轴重合；

步骤6.记录上述曲率中心点的坐标为O_1w(x_1w,y_1w,z_1w)，驱动X向和Y向导轨进行较小位移的调整，使CCD视场内出现另一个不在视场中心且模糊的十字叉丝像，重复步骤3-步骤5，并且得到第二个曲率中心点的坐标为O_2w(x_2w,y_2w,z_2w)；

步骤7.建立高次曲面二次光轴空间位置计算模型，计算得到经过曲率中心点O_1w和O_2w的空间直线方程为：

即高次曲面光学元件光轴的空间方程；高次曲面自动定中系统中自旋机构的空间方程为x＝x_rw,y＝y_rw，其中的x_rw、y_rw是由最小二乘最佳圆拟合得到的自旋机构的自旋轴二维位置；计算得到自动定中系统中XY二维平移调整机构的调整量，对应Y轴平移机构的调整量Δy，X轴平移机构的调整量Δx：

同时，计算得到自动定中系统中绕XY的二维摆动机构的调整量，对应绕Y轴摆动机构的调整量Δβ，绕X轴摆动机构的调整量Δγ：

步骤8.按照步骤7得到的四维调整量进行相应机构的位置和姿态调整；

步骤9.利用光学装调中的旋转测量法测量高次曲面光学元件光轴与自动定中系统中自旋机构转轴间的最大偏差；

步骤10.对最大偏差进行判断。

3.根据权利要求2所述的高次曲面位置自动定中方法，其特征在于步骤9所述的最大偏差的具体求解如下：

每驱动自旋机构旋转30°后，CCD采集一幅十字叉丝像，随着自旋角度的不同，十字叉丝像在CCD视场上的位置也不同，大体轨迹为一个圆，其中圆心就是自旋转轴所在的位置；通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心的运动轨迹，从而得到运动轨迹的圆心；计算每幅十字叉丝像的中心到圆心的距离，其中最大距离即为高次曲面光学元件光轴与自动定中系统的自旋机构转轴间的最大偏差。

4.根据权利要求3所述的高次曲面位置自动定中方法，其特征在于若最大偏差在容许误差范围内，则完成高次曲面定中单元光轴、高次曲面光学元件光轴和自动定中系统中的自旋机构转轴的三轴轴系一致性调整，驱动高次曲面定中单元沿Z向扫描，得到清晰的高次曲面光学元件顶点的表面像，具体判别方法如步骤4所述；继续驱动其沿Z方向向下，直到CCD视场中心再次出现清晰的十字叉丝像，该像即为高次曲面光学元件顶点曲率中心所对应的球心像，记录此时坐标即为高次曲面光学元件顶点曲率中心坐标，记录Z轴从表面像移动至球心像的距离，即为高次曲面光学元件顶点曲率半径。

5.根据权利要求3所述的高次曲面位置自动定中方法，其特征在于若最大偏差大于最大容许误差，则说明高次曲面光学元件的光轴与自旋转轴不重合，此时先通过调节自动定中系统的XY二维平移调整机构使得十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，然后跳转至步骤9。