CN108562226A - 坐标系建立装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种坐标系建立装置及方法，其中的装置包括固定在测量仪器上的底座、设置在底座上的第一支撑台和第二支撑台；其中，在第一支撑台上设置有第一圆柱，在第二支撑台上设置有第二圆柱，第一圆柱和第二圆柱的中心轴相互垂直；在底座上固定有两个产品定位座，待测量产品固定在产品定位座上，第一圆柱的中心轴和第二圆柱的中心轴形成待测量产品的X轴和Y轴坐标系。利用上述发明能够快速精确的建立自由曲面元件的坐标系，弥补单边式坐标系建立方式所存在的缺陷。

Description

坐标系建立装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测试技术领域，更为具体地，涉及一种坐标系建立装置及方法。

背景技术

光学中的自由曲面主要是指无法用球面或者非球面系数来表示的曲面，主要指任意非传统、非对称的曲面，或者只能用参数向量来表示的曲面。与传统结构的光学元件相比，自由曲面元件具有外形复杂、自由多元化设计、制造精密、注塑材料多样性等特点，在光学领域，特别是在AR、VR或者微型激光投影技术等方面的应用具有不可动摇的地位。

目前，由于自由曲面元件加工精度要求高且无规则的特征，形成自由曲面的所有点的相对位置都无任何规律可循，因此，无法在自由曲面上建立坐标系，导致无法对成型的自由曲面元件进行测量评定，后续的补正调整也没有相应的数据依据，从而严重影响此类元件的光学测试及质量。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种坐标系建立装置及方法，以决绝目前针对自由曲面元件无法建立精确坐标系，导致此类元件无法进行准确测量评定，影响产品性能等问题。

本发明提供的坐标系建立装置，包括固定在测量仪器上的底座、设置在底座上的第一支撑台和第二支撑台；其中，在第一支撑台上设置有第一圆柱，在第二支撑台上设置有第二圆柱，第一圆柱和第二圆柱的中心轴相互垂直；在底座上固定有两个产品定位座，待测量产品固定在产品定位座上，第一圆柱的中心轴和第二圆柱的中心轴形成待测量产品的X轴和Y轴坐标系。

此外，优选的方案是，待测量产品为自由曲面元件。

此外，优选的方案是，在第一支撑台设置有第一V型槽，在第二支撑台上设置有与第一V型槽相互垂直的第二V型槽；第一圆柱限位固定在第一V型槽内，第二圆柱限位固定在第二V型槽内。

此外，优选的方案是，两个待测量产品关于第二圆柱的中心轴对称分布。

此外，优选的方案是，在产品定位座上设置有与第一支撑台和/或第二支撑台相贴合的切边，产品定位座限位固定在第一支撑台和第二支撑台的结合处。

根据本发明的另一方面，提供一种坐标系建立方法，利用上述坐标系建立装置建立坐标系；其中，方法包括：将第一圆柱固定在第一支撑台上，将第二圆柱固定在第二支撑台上；控制测量仪器的校准探针沿基准X轴方向匀速运动，并扫描第一圆柱的最大外径曲线；同时，控制校准探针沿基准Y轴方向匀速运动，并扫描第二圆柱的最大外径曲线；根据第一圆柱的最大外径曲线和第二圆柱的最大外径曲线，校准第一圆柱和第二圆柱的位置，以使第一圆柱和第二圆柱的中心轴相互垂直。

此外，优选的方案是，当第一圆柱的中心轴与基准X轴方向相平行时，第一圆柱的最大外径曲线趋于直线；当第一圆柱的中心轴与基准X轴方向存在偏差时，第一圆柱的最大外径曲线为弧线。

此外，优选的方案是，当第二圆柱的中心轴与基准X轴方向相平行时，第二圆柱的最大外径曲线趋于直线；当第二圆柱的中心轴与基准X轴方向存在偏差时，第二圆柱的最大外径曲线为弧线。

此外，优选的方案是，在根据第一圆柱的最大外径曲线和第二圆柱的最大外径曲线，校准第一圆柱和第二圆柱的位置的过程中，调整第一圆柱和/或第二圆柱的位置，直至第一圆柱的中心轴与基准X轴方向相平行，第二圆柱的中心轴与基准Y轴方向相平行。

此外，优选的方案是，通过测量仪器的校准探针实时探测扫描坐标系建立装置的Z轴高度。

利用上述坐标系建立装置及方法，通过圆柱式坐标轴简单有效的实现自由曲面元件的坐标系建立，能够减小取点误差，提高产品的测量精度，为自由曲面元件的补正及型修提供强有力的数据支持。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的坐标系建立装置结构示意图；

图2为根据本发明实施例的坐标系建立装置的调试图一；

图3为根据本发明实施例的坐标系建立装置的调试图二；

图4为根据本发明实施例的坐标系建立装置的调试流程示意图；

图5为根据本发明实施例的坐标系建立方法的流程图。

其中的附图标记包括：底座1、第一圆柱2、第二圆柱3、固定螺丝4、待测量产品5、校准探针6、第一支撑台7、第二支撑台8、产品定位座9。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

为详细描述本发明的坐标系建立装置及方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的坐标系建立装置的结构。

如图1所示，本发明实施例的坐标系建立装置，包括固定在测量仪器上的底座1、设置在底座1上的第一支撑台7和第二支撑台8；其中，在第一支撑台7上设置有第一圆柱2，在第二支撑台8上设置有第二圆柱3，第一圆柱2和第二圆柱3的中心轴相互垂直；在底座1上固定有两个产品定位座9，待测量产品5固定在产品定位座9上，第一圆柱2的中心轴和第二圆柱3的中心轴形成待测量产品5的X轴和Y轴坐标系。

具体地，待测量产品5可以为自由曲面元件，由于自由曲面元件的外形比较复杂，形成自由曲面的各点的相对位置无任何规律，导致传统的单边式坐标系建立方式对其建立坐标系的精度较低，存在坐标偏差无法调整等问题。为此，本发明提供的坐标系建立装置，采用圆柱式坐标建立方式，对自由曲面元件进行高精度的坐标系建立，同时，能够在测量仪器校准探针6的辅助作用下，对建立的坐标系进行校准和调整，确保元件的高精度测量。

在本发明的一个具体实施方式中，在第一支撑台7设置有第一V型槽，在第二支撑台8上设置有与第一V型槽相互垂直的第二V型槽；第一圆柱2限位固定在第一V型槽内，第二圆柱3限位固定在第二V型槽内；此外，第一圆柱2和第二圆柱3可分别通过固定螺丝4固定在第一支撑台7和第二支撑台8上。

其中，为避免坐标系的重复建立，简化坐标系的调试过程，将两个待测量产品5关于第二圆柱3的中心轴对称设置在第二圆柱3的两侧，即可对两个待测量产品5同时进行相关光学参数测量。

进一步地，第一圆柱2和第二圆柱3的精度加工可采用纳米车床完成，第一圆柱2和第二圆柱3的回转半径尺寸较小，精度可做到2nm左右。

需要说明的是，为确保第一圆柱2的中心轴和第二圆柱3的中心轴相互垂直，二者能够配合形成待测量产品5的X轴和Y轴坐标系，还需要对固定在第一支撑台7和第二支撑台8上的第一圆柱2和第二圆柱3之间的垂直度进行检测，在二者未完全垂直或者其坐标系与基准坐标不相平行时，需对第一圆柱2和第二圆柱3的位置进行对应的调整及校准。

在本发明的另一具体实施方式中，在产品定位座9上设置有与第一支撑台和/或第二支撑台相贴合的切边(图中未示出)，产品定位座9限位固定在第一支撑台和第二支撑台的结合处，通过切边与第一支撑台和/或第二支撑台的贴合，实现对待测量产品5的定位。

为详细描述本发明的坐标系建立装置，以下将结合附图对其坐标系的建立调试过程进行详细描述。

具体地，图2和图3分别从不同角度示出了根据本发明实施例的坐标系建立装置的调试状态；图4示出了根据本发明实施例的坐标系建立装置的调试流程状态。

结合图1至图4共同所示，本发明实施例的坐标系建立装置的调试过程主要包括：

首先，将坐标系建立装置的底座1放置在测量仪器上，将高精度加工的第一圆柱2和第二圆柱3分别固定在第一支撑台7和第二支撑台8的V型槽(包括第一V型槽和第二V型槽)内，取第一圆柱2的中心轴作为X轴，第二圆柱3的中心轴作为Y轴。

其次，控制测量仪器的校准探针6沿基准x轴方向匀速运动，并在运动过程中扫描第一圆柱2的中心最大外径曲线。例如，在采用U3AP测量系统进行校准检测时，第一圆柱坐标轴的变化可以通过图像直接进行显示，当X轴(即第一圆柱2的中心轴)与基准x轴之间出现偏差(或者中心偏移)时，即X轴与基准x轴之间存在夹角时，第一圆柱2的中心最大外径曲线会呈曲线波动。如图3所示，其中a表示X轴与基准x轴之间的中心偏差，b表示校准探针6的扫描位置。

当X轴与基准x轴之间出现偏差时，需要对第一圆柱2的位置进行调整，直至X轴与基准x轴相平行，此时，第一圆柱2的中心最大外径曲线会趋于直线波动。

同理，控制测量仪器的校准探针6沿基准y轴方向匀速运动，并在运动过程中扫描第二圆柱3的中心最大外径曲线。例如，在采用U3AP测量系统进行校准检测时，第二圆柱坐标轴的变化可以通过图像直接进行显示，当Y轴(即第二圆柱3的中心轴)与基准y轴之间出现偏差(或者中心偏移)时，即Y轴与基准y轴之间存在夹角时，第二圆柱3的中心最大外径曲线会呈曲线波动。

当Y轴与基准y轴之间出现偏差时，需要对第二圆柱3的位置进行调整，直至Y轴与基准y轴相平行，此时，第二圆柱3的中心最大外径曲线会趋于直线波动。至此，第一圆柱2和第二圆柱3的位置调整完毕，第一圆柱2和第二圆柱3的中心轴形成坐标系建立装置的坐标系。

最后，将待测量产品5固定在底座1上，并通过测量仪器及建立完毕的坐标系测量元件的相关参数，结构如图4所示。

与上述坐标系建立装置相对应，本发明还提供一种坐标系建立方法，利用上述坐标系建立装置建立坐标系。

具体地，图5示出了根据本发明实施例的坐标系建立方法的流程。

如图5所示，本发明实施例的坐标系建立方法，主要包括以下步骤：

S510：将第一圆柱固定在第一支撑台的V型槽内，将第二圆柱固定在第二支撑台的V型槽内。

S520：控制测量仪器的校准探针沿基准X轴方向匀速运动，并扫描第一圆柱的最大外径曲线。

S530：控制校准探针沿基准Y轴方向匀速运动，并扫描第二圆柱的最大外径曲线。

S540：根据第一圆柱的最大外径曲线和第二圆柱的最大外径曲线，校准第一圆柱和第二圆柱的位置，以使第一圆柱和第二圆柱的中心轴相互垂直。

其中，在测试系统通过校准探针进行坐标检测时，当第一圆柱的中心轴与基准X轴方向相平行时，第一圆柱的最大外径曲线趋于直线；当第一圆柱的中心轴与基准X轴方向存在偏差时，第一圆柱的最大外径曲线为弧线。同理，当第二圆柱的中心轴与基准X轴方向相平行时，第二圆柱的最大外径曲线趋于直线；当第二圆柱的中心轴与基准X轴方向存在偏差时，第二圆柱的最大外径曲线为弧线。

此外，在根据第一圆柱的最大外径曲线和第二圆柱的最大外径曲线，校准第一圆柱和第二圆柱的位置的过程中，不断调整第一圆柱和/或第二圆柱的位置，直至第一圆柱的中心轴与基准X轴方向相平行，第二圆柱的中心轴与基准Y轴方向相平行，及完成对坐标系的校准过程，此时，坐标系建立装置的坐标即为：第一圆柱的中心轴为X轴，第二圆柱的中心轴为Y轴。

有关坐标系建立方法的实施例与坐标系建立装置的实施例相一致，具体可参考坐标系建立装置实施例中的描述，此处不再一一赘述。

通过上述描述可知，本发明实施例的坐标系建立方法，不仅能够简单有效的实现自由曲面的坐标系建立，还能够方便的实现探针扫描测高，即通过测量仪器的校准探针实时探测扫描坐标系建立装置的Z轴高度，可对自由曲面类元件进行相关光学测量，产品测量误差小、精度高、可应用至无法精确确立坐标系的领域。此外，自由曲面坐标系的建立还能够为光学元件的测量提供基本的精度保证，为产品的型修提供数据支持，为自由曲面类产品的开发和设计提供相应的理论依据及测量方式。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的坐标系建立装置及方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的坐标系建立装置及方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种坐标系建立装置，其特征在于，包括固定在测量仪器上的底座、设置在所述底座上的第一支撑台和第二支撑台；其中，

在所述第一支撑台上设置有第一圆柱，在所述第二支撑台上设置有第二圆柱，所述第一圆柱和所述第二圆柱的中心轴相互垂直；

在所述底座上固定有两个产品定位座，待测量产品固定在所述产品定位座上，所述第一圆柱的中心轴和所述第二圆柱的中心轴形成所述待测量产品的X轴和Y轴坐标系。

2.如权利要求1所述的坐标系建立装置，其特征在于，

所述待测量产品为自由曲面元件。

3.如权利要求1所述的坐标系建立装置，其特征在于，

在所述第一支撑台设置有第一V型槽，在所述第二支撑台上设置有与所述第一V型槽相互垂直的第二V型槽；

所述第一圆柱限位固定在所述第一V型槽内，所述第二圆柱限位固定在所述第二V型槽内。

4.如权利要求1所述的坐标系建立装置，其特征在于，

两个待测量产品关于所述第二圆柱的中心轴对称分布。

5.如权利要求1所述的坐标系建立装置，其特征在于，

在所述产品定位座上设置有与所述第一支撑台和/或所述第二支撑台相贴合的切边，所述产品定位座限位固定在所述第一支撑台和所述第二支撑台的结合处。

6.一种坐标系建立方法，其特征在于，利用如权利要求1至5任一项所述的坐标系建立装置建立坐标系；其中，所述方法包括：

将第一圆柱固定在第一支撑台上，将第二圆柱固定在第二支撑台上；

控制测量仪器的校准探针沿基准X轴方向匀速运动，并扫描所述第一圆柱的最大外径曲线；同时，控制所述校准探针沿基准Y轴方向匀速运动，并扫描所述第二圆柱的最大外径曲线；

根据所述第一圆柱的最大外径曲线和所述第二圆柱的最大外径曲线，校准所述第一圆柱和所述第二圆柱的位置，以使所述第一圆柱和所述第二圆柱的中心轴相互垂直。

7.如权利要求6所述的坐标系建立方法，其特征在于，

当所述第一圆柱的中心轴与所述基准X轴方向相平行时，所述第一圆柱的最大外径曲线趋于直线；

当所述第一圆柱的中心轴与所述基准X轴方向存在偏差时，所述第一圆柱的最大外径曲线为弧线。

8.如权利要求6所述的坐标系建立方法，其特征在于，

当所述第二圆柱的中心轴与所述基准X轴方向相平行时，所述第二圆柱的最大外径曲线趋于直线；

当所述第二圆柱的中心轴与所述基准X轴方向存在偏差时，所述第二圆柱的最大外径曲线为弧线。

9.如权利要求6所述的坐标系建立方法，其特征在于，在根据所述第一圆柱的最大外径曲线和所述第二圆柱的最大外径曲线，校准所述第一圆柱和所述第二圆柱的位置的过程中，

调整所述第一圆柱和/或所述第二圆柱的位置，直至所述第一圆柱的中心轴与所述基准X轴方向相平行，所述第二圆柱的中心轴与所述基准Y轴方向相平行。

10.如权利要求6所述的坐标系建立方法，其特征在于，

通过所述测量仪器的校准探针实时探测扫描所述坐标系建立装置的Z轴高度。