CN108286950A - 一种反射镜面形的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种反射镜面形的在线检测方法。该反射镜面形的在线检测方法基于条纹反射原理，通过显示器显示理想周期变化的条纹图像，再通过孔径相机采集经超精密切削机床加工反射镜反射形成的条纹图像，以条纹图像的弯曲程度判断和重构反射镜面形，实现反射镜面形的在线检测。本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法无需光学补偿器件，也无需精密位姿调整，从而可检测任意光滑连续面形的反射镜，该方法比现有的激光干涉检测仪在线检测方法的动态范围更大，比现有的采用接触式或非接触式传感器的逐点测距扫描在线检测方法的时间更短且受机床精度及环境条件的影响更小。

Description

一种反射镜面形的在线检测方法

技术领域

本发明涉及反射镜面形检测的技术领域，具体涉及一种在超精密切削机床上进行加工的反射镜面形的在线检测方法。

背景技术

由于超精密切削机床具有微米级的加工精度，超精密切削机床已经广泛应用于光学元件和模具加工等领域。超精密切削机床的加工精度主要依赖于机床主轴及导轨自身精度，缺乏加工过程中的精度实时检测与校正措施。传统的离线检测方式不仅耗时长，而且由于迭代的反复拆装会引起定位误差从而影响加工发射镜面形的精度。

目前，为了解决离线检测所存在的问题，有两种在线检测的方法。方法一：在机床上集成激光干涉检测仪进行反射镜面形的在线检测方法。激光干涉检测仪对于不同面形的反射镜，需要配合不同的光学补偿器件，因此，激光干涉检测仪在光路布置上存在一定的限制；进一步地，激光干涉检测仪虽然检测精度高，但是其动态范围相对较小，无法适应面形分布起伏较大的反射镜面形的检测。方法二：在机床上集成接触式或非接触式的测距传感器逐点扫描完成面形分布的检测。逐点扫描在线检测方法不仅扫描时间长，其扫描精度还取决于机床主轴、导轨精度及环境变化等因素的影响。

因此，针对现有采用激光干涉检测仪或者逐点扫描在线检测反射镜面形的方法所存在的问题，急需一种结构简单、无需光学补偿器件且动态范围大而面形适应性强，且检测时间短、受机床精度及环境条件的影响更小、稳定性好的反射镜面形的在线检测方法。

发明内容

针对现有采用激光干涉检测仪或者逐点扫描在线检测反射镜面形的方法所存在的问题，本发明实施例提出一种基于条纹反射原理的超精密切削机床加工反射镜的反射镜面形在线检测的方法。该检测方法基于条纹反射原理，通过显示器显示理想周期变化的条纹图像，再通过相机采集经超精密切削机床加工反射镜反射形成的条纹图像，根据条纹图像的弯曲程度判断和重构反射镜面形，实现反射镜面形的在线检测，有效地缩短反射镜加工周期提高反射镜制备效率。

该反射镜面形在线检测方法的具体方案如下：一种反射镜面形的在线检测方法，包括步骤S1：在切削机床的主体的预设位置处设置一显示器和一孔径相机；步骤S2：在检测反射镜面形时，所述显示器显示特征点斑，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述特征点斑的点斑图像；步骤S3：所述显示器依次显示一组具有相位变化的水平条纹，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述水平条纹的水平条纹图像；所述显示器依次显示一组具有相位变化的竖直条纹，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述竖直条纹的竖直条纹图像；步骤S4：根据所述显示器显示的特征点斑与所述孔径相机采集的点斑图像，计算所述显示器图像坐标系和所述孔径相机的像面坐标系的共相位点关系；步骤S5：根据所述孔径相机所采集的水平条纹图像和竖直条纹图像，进行相位展开和解算重构获得所述反射镜的面形分布。

优选地，所述在线检测方法还包括步骤S6：将所获得的反射镜的面形分布与预期的面形分布进行比对而获得面形分布偏差量，根据所述偏差量修正切削机床进行下一轮的反射镜加工的参数。

优选地，所述反射镜加工的参数包括加工路径和加工驻留时间分布。

优选地，所述步骤S5具体包括步骤S51：根据所述孔径相机采集的水平条纹图像和竖直条纹图像计算所述反射镜在水平方向和竖直方向上的法线方向分布；步骤S52：根据所述反射镜在水平方向和竖直方向的法线方向分布，计算反射镜的镜面水平斜率分布和竖直斜率分布；步骤S53：根据所述反射镜的镜面水平斜率分布和竖直斜率分布，计算反射镜的面形分布。

优选地，所述孔径相机在首次使用时，进行标定以确认主点、主距和畸变参数。

优选地，所述预设位置需满足条件：所述显示器和所述孔径相机不干扰所述切削机床的刀具的正常运行，且所述显示器所显示的图像经过反射镜反射后可被所述孔径相机采集。

优选地，采用激光跟踪仪检测所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的位姿，确认所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的相对位置关系。

优选地，采用关节臂三坐标测量仪检测所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的位姿，确认所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的相对位置关系

优选地，步骤S2中所述的特征点斑包括九点或九点以上呈预设规则排布的点斑图像。

优选地，步骤S3中所述的一组具有相位变化的水平条纹或者竖直条纹包括相位相差预设度数的多幅渐变特征函数的灰度条纹图像或者以色彩变化表征相位相差预设度数的多幅彩色水平条纹图像或者竖直条纹图像。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法可实现在超精密切削机床上加工反射镜时的在线检测，缩短了反射镜面形检测与加工反射镜的迭代时间，从而有效地提高了反射镜制备的效率。进一步地，本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法有效地避免了因离线检测而引起的反复拆装的定位误差，以及由于加工和检测支撑状态不一致的应力变形误差，从而有利于提高反射镜的制备精度。进一步地，本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法所用的检测装置结构简单，仅包含一显示器和一孔径相机，方便与切削机床集成，且不干扰切削机床的正常工作，而且该检测装置对切削机床环境的少量振动也不敏感，从而不影响检测精度。进一步地，本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法不含现有在线检测方法的单点扫描式检测的镜面遍历扫描过程，因此，采集序列条纹图像后即可重构反射镜全口径面形，有效地缩短了检测过程的时间。进一步地，本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法无需光学补偿器件，也无需精密位姿调整，从而可检测任意光滑连续面形的反射镜，且该方法的动态范围比现有的激光干涉检测仪在线检测方法更大。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种反射镜面形的在线检测方法所采用的检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种反射镜面形的在线检测方法的步骤流程示意图；

图3为图2所示流程对应的步骤S5具体的步骤示意图。

附图标记说明：

1、显示器 2、孔径相机 3、支架

4、反射镜 5、切削机床的主体 6、刀具

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中提供的一种反射镜面形的在线检测方法所采用的检测装置的结构示意图。在该实施例中，反射镜面形的在线检测方法所用的检测装置集成在切削机床上，从而实现在加工反射镜的过程中实时在线检测反射镜的面形。优选地，切削机床为超精密切削机床。显示器1和孔径相机2设置在切削机床的主体5的预设位置处。显示器1和孔径相机2形成条纹反射检测系统。在该预设位置处，显示器1和孔径相机2不干扰切削机床的刀具6的正常运行，且显示器1所显示的图像经过反射镜4反射后可被孔径相机2采集，即检测光线不会被遮挡。优选地，显示器1所显示的图像经过反射镜4反射后完全被孔径相机2所采集。在该实施例中，显示器1和孔径相机2通过支架3固定连接在切削机床的主体5的预设位置处。

在该实施例中，反射镜面形的在线检测方法所用的检测装置结构简单，仅包含一显示器和一孔径相机，方便与切削机床集成，且不干扰切削机床的正常工作，而且该检测装置对切削机床环境的少量振动也不敏感，从而不影响检测精度。

本发明实施例所提供的反射镜面形的在线检测方法是基于条纹反射原理，通过显示器显示理想周期变化的条纹图像，再通过孔径相机采集经超精密切削机床加工反射镜反射形成的条纹图像，以条纹图像的弯曲程度判断和重构反射镜面形，实现反射镜的在线检测，有效地缩短反射镜加工周期提高反射镜制备效率。

如图2所示，本发明实施例中提供的一种反射镜面形的在线检测方法的步骤流程示意图。在该实施例中，反射镜面形的在线检测方法包括五个步骤，具体过程如下所述。

步骤S1：在切削机床的主体5的预设位置处设置显示器1和孔径相机2。显示器1和孔径相机2形成条纹反射检测系统。在条纹反射检测系统首次使用时，孔径相机2需要进行标定以确认主点、主距和畸变参数。在条纹反射检测系统首次使用时，采用激光干涉仪检测显示器1、孔径相机2和反射镜4的位姿，确认显示器1、孔径相机2和反射镜4的相对位置关系。显示器1和孔径相机2具体的位置信息，在上文已经进程阐述，此处不再赘述。在工作环境稳定的情况下，当需要在同一切削机床上进行多次反射镜面形检测时，步骤S1只需执行一次即可，后续重复多次的检测无需重复步骤S1的过程。在该实施例中，反射镜4可以进行更换，只需更换后的反射镜仍固定在切削机床上的同一位置即可。

步骤S2：在检测反射镜面形时，所述显示器显示特征点斑，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述特征点斑的点斑图像。在具体实施例中，特征点斑包括九点或九点以上呈预设规则排布的点斑图像。预设规则可根据点斑图像的具体点数具体设计，例如：九点点斑图像时，采用三行三列的排列；十六点点斑图像时，采用四行四列的排列或者二行八列的排布。

步骤S3：所述显示器依次显示一组具有相位变化的水平条纹，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述水平条纹的水平条纹图像；所述显示器依次显示一组具有相位变化的竖直条纹，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述竖直条纹的竖直条纹图像。一组具有相位变化的水平条纹或者竖直条纹包括相位相差预设度数的多幅渐变特征函数的灰度条纹图像或者以色彩变化表征相位相差预设度数的多幅彩色水平条纹图像或者竖直条纹图像。在具体实施例中，一组具有相位变化的水平条纹包括相位相差预设度数的多幅正弦灰度条纹图像，或者以色彩变化表征相位相差预设度数的多幅彩色水平条纹图像。图像的具体幅数可根据需要自行确定，如四幅、五幅、六幅等。相位相差的预设度数可根据需要自行确定，如60度、90度、120度等。渐变特征函数除了该实施例中的正弦函数，还可以包括余弦函数、三角函数等其他类型的渐变特征函数。

步骤S4：根据所述显示器显示的特征点斑与所述孔径相机采集的点斑图像，计算所述显示器图像坐标系和所述孔径相机的像面坐标系的共相位点关系。

步骤S5：根据所述孔径相机所采集的水平条纹图像和竖直条纹图像，进行相位展开和解算重构获得所述反射镜的面形分布。如图3所示，步骤S5具体的步骤示意图。步骤S5具体包括三个步骤：

步骤S51：根据所述孔径相机采集的水平条纹图像和竖直条纹图像计算所述反射镜在水平方向和竖直方向上的法线方向分布。

步骤S52：根据所述反射镜在水平方向和竖直方向的法线方向分布，计算反射镜的镜面水平斜率分布和竖直斜率分布。

步骤S53：根据所述反射镜的镜面水平斜率分布和竖直斜率分布，计算反射镜的面形分布。

在一实施例中，反射镜面形的在线检测方法还包括步骤S6：将所获得的反射镜的面形分布与预期的面形分布进行比对而获得面形分布偏差量，根据所述偏差量修正切削机床进行下一轮的反射镜加工的参数。具体地，反射镜加工的参数包括加工路径和加工驻留时间分布。通过步骤S6，切削机床可根据每次在线检测反射镜面形的结果来进行下一轮的反射镜加工，从而有效地提高反射镜加工的精度。

本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法可实现在超精密切削机床上加工反射镜时的在线检测，缩短了反射镜面形检测与加工反射镜的迭代时间，从而有效地提高了反射镜制备的效率。

本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法有效地避免了因离线检测而引起的反复拆装的定位误差，以及由于加工和检测支撑状态不一致的应力变形误差，从而有利于提高反射镜的制备精度。

本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法不含现有在线检测方法的单点扫描式检测的镜面遍历扫描过程，因此，采集序列条纹图像后即可重构反射镜全口径面形，有效地缩短了检测过程的时间。进一步地，本发明实施例中所提供的反射镜面形的在线检测方法无需光学补偿器件，也无需精密位姿调整，从而可检测任意光滑连续面形的反射镜，且该方法的动态范围比现有的激光干涉检测仪在线检测方法更大。

根据特征点斑和相位变化的水平条纹或竖直条纹的不同，进一步阐述本发明反射镜面形的在线检测方法的两个具体实施例。

在一实施例中，在首次使用孔径相机2前，进行标定以确认主点、主距、畸变等参数。将显示器1和孔径相机2通过支架3固定在超精密加工机床的合适位置上以构成条纹反射检测系统。在条纹反射检测系统首次使用时，采用激光跟踪仪检测显示器1、孔径相机2和反射镜4的位姿，以确认三者的相对位置关系。开启条纹反射检测系统，显示器1显示特征点斑。在该实施例中，特征点斑采用以孔径相机2的光轴为中心的像面中心区域的三行三列九点斑图像。孔径相机2采集经反射镜4形成的九点斑图像像；根据显示器1显示的九点斑图像像与孔径相机2所采集的九点斑图像像，计算显示器1的图像坐标系和孔径相机2的像面坐标系的共相位点关系。显示器1依次显示一组包含一定相位变化的水平条纹。在该实施例中，一组具有相位变化的水平条纹包括相位相差90度的四幅正弦灰度条纹图像。孔径相机2采集经反射镜4形成的水平条纹图像。根据所述两幅图像的对应点坐标，计算反射镜4在水平方向上的法线方向分布，从而得到镜面水平方向的斜率分布。显示器1依次显示同样相位变化的序列竖直条纹，具体为相位相差90度的四幅余弦灰度条纹图像。孔径相机2采集经反射镜4形成的竖直条纹图像。根据两幅图像的对应点坐标，计算待测反射镜在竖直方向上的法线方向分布，从而得到镜面竖直方向的斜率分布。由反射镜4水平方向和竖直方向上的斜率分布计算反射镜的面形分布。再将检测所得反射镜的面形分布与预期的面形分布相比较，获得面形偏差分布，从而形成下一轮加工所需的加工路径及驻留时间分布指导文件。

在另一实施例中，在首次使用孔径相机2前，进行标定以确认主点、主距、畸变等参数。显示器1和孔径相机2通过支架3固定在超精密加工机床的合适位置上以构成条纹反射检测系统。在条纹反射检测系统首次使用时，采用激光跟踪仪检测显示器1、孔径相机2和反射镜4的位姿，以确认三者的相对位置关系。在条纹反射检测系统首次使用时，也可采用关节臂三坐标测量仪检测显示器1、孔径相机2和反射镜4的位姿，以确认三者的相对位置关系。开启条纹反射检测系统，显示器1显示特征点斑。在该实施例中，特征点斑采用可均匀充满孔径相机2的全画幅像面的五行五列二十五点斑图像。孔径相机2采集经反射镜4形成的二十五点斑图像像。根据两幅图像的对应点坐标，计算显示器1的图像坐标系和孔径相机2的像面坐标系的共相位点关系。显示器1依次显示一组包含一定相位变化的水平条纹。在该实施例中，一定相位变化的水平条纹为以色彩变化表征相位相差90度的五幅彩色水平条纹图像。孔径相机2采集经反射镜4形成的水平条纹图像。根据两幅图像的对应点坐标，计算反射镜4在水平方向上的法线方向分布，从而得到反射镜的镜面水平方向的斜率分布。显示器1依次显示同样相位变化的序列竖直条纹，具体为相位相差90度的五幅彩色竖直条纹图像。孔径相机2采集经反射镜4形成的竖直条纹图像。根据两幅图像的对应点坐标，计算待测反射镜在竖直方向上的法线方向分布，从而得到反射镜的镜面竖直方向的斜率分布。由反射镜4水平方向和竖直方向上的斜率分布计算镜面面形分布。再将检测所得反射镜的面形分布与预期的面形分布相比较，获得面形偏差分布，形成下一轮加工所需的加工路径及驻留时间分布指导文件。

除了上述两个实施例中提到的两类特征点斑：以相机光轴为中心的像面中心区域三行三列九点斑图像和可均匀充满相机全画幅像面的五行五列二十五点斑图像。如本领域技术人员所知，还可以根据需要采用其他分布形式的多点、十字叉丝、网格等图案的组合以满足不同的共相位点计算需求，在此不做限定。

除了上述两个实施例中提到的两类序列条纹图像：相位相差90度的四幅正弦灰度条纹图像和以色彩变化表征相位相差90度的五幅彩色条纹图像。如本领域技术人员所知，还可以根据需要采用其他相位分布的多幅条纹图像以满足不同的数字相移面形计算需求，在此不做限定。

除了上述两个实施例中提到的位姿标定方法：使用激光跟踪仪或关节臂三坐标测量仪检测显示器、孔径相机和反射镜的位姿。如本领域技术人员所知，还可以根据需要采用其他标定方法以满足确认三者的相对位置关系的需求，在此不做限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：在切削机床的主体的预设位置处设置一显示器和一孔径相机；

步骤S2：在检测反射镜面形时，所述显示器显示特征点斑，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述特征点斑的点斑图像；

步骤S3：所述显示器依次显示一组具有相位变化的水平条纹，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述水平条纹的水平条纹图像；所述显示器依次显示一组具有相位变化的竖直条纹，所述孔径相机采集经过反射镜反射所述竖直条纹的竖直条纹图像；

步骤S4：根据所述显示器显示的特征点斑与所述孔径相机采集的点斑图像，计算所述显示器图像坐标系和所述孔径相机的像面坐标系的共相位点关系；

步骤S5：根据所述孔径相机所采集的水平条纹图像和竖直条纹图像，进行相位展开和解算重构获得所述反射镜的面形分布。

2.根据权利要求1所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，所述在线检测方法还包括步骤S6：将所获得的反射镜的面形分布与预期的面形分布进行比对而获得面形分布偏差量，根据所述偏差量修正切削机床进行下一轮的反射镜加工的参数。

3.根据权利要求2所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，所述反射镜加工的参数包括加工路径和加工驻留时间分布。

4.根据权利要求1所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：根据所述孔径相机采集的水平条纹图像和竖直条纹图像计算所述反射镜在水平方向和竖直方向上的法线方向分布；

步骤S52：根据所述反射镜在水平方向和竖直方向的法线方向分布，计算反射镜的镜面水平斜率分布和竖直斜率分布；

步骤S53：根据所述反射镜的镜面水平斜率分布和竖直斜率分布，计算反射镜的面形分布。

5.根据权利要求1所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，所述孔径相机在首次使用时，进行标定以确认主点、主距和畸变参数。

6.根据权利要求1所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，所述预设位置需满足条件：所述显示器和所述孔径相机不干扰所述切削机床的刀具的正常运行，且所述显示器所显示的图像经过反射镜反射后可被所述孔径相机采集。

7.根据权利要求6所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，采用激光跟踪仪检测所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的位姿，确认所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的相对位置关系。

8.根据权利要求6所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，采用关节臂三坐标测量仪检测所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的位姿，确认所述显示器、所述孔径相机和所述反射镜的相对位置关系。

9.根据权利要求1所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，步骤S2中所述的特征点斑包括九点或九点以上呈预设规则排布的点斑图像。

10.根据权利要求1所述的一种反射镜面形的在线检测方法，其特征在于，步骤S3中所述的一组具有相位变化的水平条纹或者竖直条纹包括相位相差预设度数的多幅渐变特征函数的灰度条纹图像或者以色彩变化表征相位相差预设度数的多幅彩色水平条纹图像或者竖直条纹图像。