CN109163658A - 一种可提供位置和角度基准的光学基准件的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可提供位置和角度基准的光学基准件的标定方法，待标定的光学基准件的表面加工有旋转抛物面阵列，所采用的设备包括辅助运动台，光学位置读数头和激光干涉仪。采用以下的步骤：干涉镜组和反射镜选择直线度测量镜组使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准点P(1,1)范围内，记录系统标定的零位点；标定基准行上各抛物面中心距基准点P(1,1)的y方向距离；标定基准列上各抛物面中心距基准点P(1,1)的x方向距离；以基准列第i行抛物面P(i,1)为起始点，标定第i行抛物面P(i,j)距P(i,1)在x方向上的距离x(i,j)；以基准行第j列抛物面P(1,j)为起始点，标定第j列抛物面P(i,j)距P(1,j)在y方向上的距离y(i,j)；得到抛物面阵列上各点距基准点的距离标定矩阵。

Description

一种可提供位置和角度基准的光学基准件的标定方法

技术领域

本发明涉及一种光学基准件的标定方法，特别是一种可提供位置和角度基准的光学基准件的标定方法。

背景技术

光学自由曲面具有很大的加工自由度，加工精度高，可以用作测量的基准件。如光学旋转抛物面具有表面斜率变化与位置变化成线性关系的特点，可以用于对位置的测量。目前成熟的加工技术中，对单个光学旋转抛物面的面型及表面粗糙度的加工具有很高的精度，光学旋转抛物面用于测量时往往采用多个抛物面排布组合成阵列的方式使用，而目前的加工技术中对各个抛物面之间的中心间距定位精度不高或需要付出很大的加工代价。而测量系统整体精度的提高同时依赖于单个旋转抛物面的加工精度和多个抛物面间距的定位精度。

在许多应用场合，例如数控机床、多轴位移台的运动检测需要使用位置基准和角度基准进行测量。使用光学自由曲面加工技术设计加工一种可提供位置和角度基准的光学基准件用于测量检测。由于各个旋转抛物面型的排布加工过程中，各个旋转抛物面的中心与设计的理论位置将存在偏差，以及基准件在长期的使用中受到外界环境条件的影响发生微小变形，各个特征点间的间距也将与设计值产生偏差，因此仅用旋转抛物面间的设计间距和角度作为基准对被测量系统的位置及角度进行测量是不正确的，实际加工出的抛物面间距和角度与理论设计的间距和角度必然不同，因此需要对实际加工出的基准件上的各个抛物面特征间距和角度进行标定，进而提高使用该标准件对被测系统位置和角度量测量的准确性和精度。

中国专利申请CN2017103981012公布了一种基于曲面基准的二维位移测量方法，该专利中提及的曲面基准即为旋转抛物面，光学旋转抛物面上点的坐标与其所在的切线的夹角具有一一对应的特征，本专利申请实施例提及的光学基准件与该专利提及的光学旋转抛物面相同，但本专利申请公布的标定方法不限于对旋转抛物面，其他具有类似的自由曲面特征的光学基准件标定方法与此基本一致。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可提供位置和角度基准的光学基准件的标定方法，采用该方法消除旋转抛物特征面加工定位误差，为位置和角度检测提供基准数据。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种可提供位置和角度基准的光学基准件的标定方法，待标定的光学基准件的表面加工有旋转抛物面阵列，所采用的设备包括辅助运动台，光学位置读数头和激光干涉仪，所述辅助运动台包括固定的载物平台和可二维移动的运动轴，所述光学基准件安放在载物平台上，所述所述光学位置读数头固定在运动轴上；所述激光干涉仪包括双频激光器、干涉镜组和反射镜，所述双频激光器独立于辅助运动台架设固定，所述干涉镜组安装在所述辅助运动台的运动轴上，所述反射镜独立于辅助运动台安装固定；该标定方法将光学基准件上的抛物面阵列上的特征点按行列编号，第i行第j列编号P(i,j)，以抛物面第1行第1列抛物面P(1,1)为基准点抛物面，以第1行为基准行，以第1列为基准列，标定基准行第j列抛物面P(1,j)距P(1,1)的y方向上的距离y(1,j)，标定基准列第i行抛物面P(i,1)距基准点抛物面P(1,1)的x方向上的距离x(i,1)；以基准列第i行抛物面为P(i,1)起始点，标定第i行抛物面P(i,j)距P(i,1)在x方向上的距离x(i,j)；以基准行第j列抛物面P(1,j)为起始点，标定第j列抛物面P(i,j)距P(1,j)在y方向上的距离y(i,j)。采用以下的步骤：

1)干涉镜组和反射镜选择直线度测量镜组使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准点P(1,1)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T₁₁的坐标读数p₁₁(x₁₁,y₁₁)，记录激光干涉直线度读数s₁₁，记为系统标定的零位点。

2)标定基准行上各抛物面中心距基准点P(1,1)的y方向距离：控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(1,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_1j坐标读数p_1j(x_1j,y_1j)，记录激光干涉仪的直线度读数s_1j；P(1,j)距P(1,1)的y方向距离由以下公式给出：

y(1,j)＝s_1j+s₁₁+y_1j

3)标定基准列上各抛物面中心距基准点P(1,1)的x方向距离：控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,1)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_i1的坐标读数p_i1(x_i1,y_i1)，记录激光干涉仪的直线度读数s_i1；P(i,1)距P(1,1)的x方向距离由以下公式给出：

x(i,1)＝s_i1+s₁₁+x_i1

4)以基准列第i行抛物面P(i,1)为起始点，标定第i行抛物面P(i,j)距P(i,1)在x方向上的距离x(i,j)：干涉镜组和反射镜选择线性测量镜组，调整干涉仪光路沿阵列x方向,使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准列第i行P(i,1)抛物面范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_i1的坐标读数p_i1(x_i1,y_i1)，记录激光干涉仪的距离读数d_i1，记为系统行方向标定的零位点，控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_ij坐标读数p_ij(x_ij,y_ij)，记录激光干涉仪的距离读数d_ij；P(i,j)距P(i,1)的x方向距离由以下公式给出：

x(i,j)＝x_1j+d_ij-d_i1+x_ij

5)以基准行第j列抛物面P(1,j)为起始点，标定第j列抛物面P(i,j)距P(1,j)在y方向上的距离y(i,j)，干涉镜组和反射镜选择线性测量镜组，调整干涉仪光路沿阵列y方向，使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准行第j列抛物面P(1,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_1j的坐标读数p_1j(x_1j,y_1j)，记录激光干涉仪的距离读数d_1j，记为系统列方向标定的零位点，控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_ij坐标读数p_ij(x_ij,y_ij)，记录激光干涉仪的距离读数d_ij；P(i,j)距P(1,j)的y方向距离由以下公式给出：

y(i,j)＝y_i1+d_ij-d_1j+y_ij

(6)根据步骤(2)得到的y(1,j)、步骤(3)得到的x(i,1)、步骤(4)得到的x(i,j)、步骤(5)得到的y(i,j)，通过计算可以得到P(i,j)距P(1,1)在x方向和y方向上的距离标定矩阵A(Dij)。

其中，P(i,j)距P(1,1)的x方向距离通过以下公式给出：

X_ij＝x(i,j)+x(1,j)

P(i,j)距P(1,1)的y方向距离通过以下公式给出：

Y_ij＝y(i,j)+y(i,1)

记P(i,j)距P(1,1)的距离(X_ij,Y_ij)为D_ij,将D_ij作为矩阵元素得到的数字矩阵A，即为抛物面阵列上各点距基准点的距离标定矩阵A(Dij)。

本发明具有的优点和积极效果是：通过激光干涉仪配合光学位置读数头完成对光学旋转抛物面基准件上各个旋转抛物面特征中心点横纵间距的标定，不仅使得光学基准件用于测量时的测量精度得到提高和保证，也使得光学基准件中旋转抛物面加工过程中对抛物面的定位精度无特殊要求，极大的降低了标准件的加工难度，对利用旋转抛物面阵列基准件实现大范围高精度位置测量和角度测量应用具有重要意义，对促进位置测量技术和角度测量技术的发展具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明应用的示意图；

图2为本发明标定原理示意图。

1-激光干涉仪，2-运动轴，3-干涉镜组，4-光学位置读数头，5-反射镜，6-特征曲面i，7-特征曲面1，8-光学基准件

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，本发明的可提供位置和角度基准的光学基准件的误差标定方法，所采用的设备包括辅助运动台，待标定光学位置和角度的光学基准件8，光学位置读数头4，激光干涉仪1。所述辅助运动台具有固定的载物平台和可二维移动的运动轴2，所述光学基准件安放在所述辅助运动台的载物平台上，所述光学基准件表面加工有光学旋转抛物面阵列，所述光学位置读数头4安装在所述辅助运动台的运动轴2上。所述激光干涉仪由双频激光器、干涉镜组3和反射镜5构成。所述双频激光器独立于辅助运动台架设固定，所述干涉镜组3安装在所述辅助运动台的运动轴2上，所述反射镜5独立于辅助运动台安装固定。该标定方法采用以下步骤：

1)依据直线度误差的测定原理，干涉镜组3和反射镜5选择直线度测量镜组。使所述光学位置读数头4在运动轴2的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准点P(1,1)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T₁₁的坐标读数p₁₁(x₁₁,y₁₁)，记录激光干涉直线度读数s₁₁，记为系统标定的零位点。

标定基准行上各抛物面中心距基准点P(1,1)的y方向距离。控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(1,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_1j坐标读数p_1j(x_1j,y_1j)，记录激光干涉仪的直线度读数s_1j；P(1,j)距P(1,1)的y方向距离由以下公式给出：

y(1,j)＝s_1j+s₁₁+y_1j

标定基准列上各抛物面中心距基准点P(1,1)的x方向距离。控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,1)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_i1的坐标读数p_i1(x_i1,y_i1)，记录激光干涉仪的直线度读数s_i1；P(i,1)距P(1,1)的x方向距离由以下公式给出：

x(i,1)＝s_i1+s₁₁+x_i1

2)以基准列第i行抛物面P(i,1)为起始点，标定第i行抛物面P(i,j)距P(i,1)在x方向上的距离x(i,j)。依据定位误差的测定原理进行，干涉镜组3和反射镜5选择线性测量镜组，调整干涉仪光路沿阵列x方向。使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准列第i行P(i,1)抛物面范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_i1的坐标读数p_i1(x_i1,y_i1)，记录激光干涉仪的距离读数d_i1，记为系统行方向标定的零位点。控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_ij坐标读数p_ij(x_ij,y_ij)，记录激光干涉仪的距离读数d_ij；P(i,j)距P(i,1)的x方向距离由以下公式给出：

x(i,j)＝x_1j+d_ij-d_i1+x_ij

3)以基准行第j列抛物面P(1,j)为起始点，标定第j列抛物面P(i,j)距P(1,j)在y方向上的距离y(i,j)。依据定位误差的测定原理，干涉镜组3和反射镜5选择线性测量镜组，调整干涉仪光路沿阵列y方向。使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准行第j列抛物面P(1,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_1j的坐标读数p_1j(x_1j,y_1j)，记录激光干涉仪的距离读数d_1j，记为系统列方向标定的零位点。控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_ij坐标读数p_ij(x_ij,y_ij)，记录激光干涉仪的距离读数d_ij；P(i,j)距P(1,j)的y方向距离由以下公式给出：

y(i,j)＝y_i1+d_ij-d_1j+y_ij

4)计算各个抛物特征面距基准点的x方向距离。P(i,j)距P(1,1)的x方向距离通过以下公式给出：

X_ij＝x(i,j)+x(1,j)

计算各个抛物特征面距基准点的y方向距离。P(i,j)距P(1,1)的y方向距离通过以下公式给出：

Y_ij＝y(i,j)+y(i,1)

得出矩阵标定列表A。记P(i,j)距P(1,1)的距离(X_ij,Y_ij)为D_ij，即为抛物面阵列上各点距基准点的距离数据矩阵。

旋转抛物面阵列标定矩阵A(Dij)的列表

本发明的原理：

在采用光学旋转抛物面阵列作为位置基准进行位置测量和角度测量时，由于旋转抛物面阵列特征点间的定位精度很难通过加工进行保证，或者通过加工保证需要付出很大的加工代价，而特征点间的定位精度误差将直接影响到利用旋转抛物面阵列进行位置测量和角度测量的测量精度。因此需要对旋转抛物面阵列基准件的特征点中心间距进行标定，得到各个特征点间的精确位置用于测量。由于光学读数头能在X方向和Y方向上测量测量点在单个抛物面内距离抛物面中心的距离而不能测量测量点在两抛物面间的距离，而激光干涉仪可以测量测量点在两抛物面间的距离但不能测量该测量点距抛物面中心的距离，两者互补可以完成对抛物面中心间距的标定。当抛物面阵列中各个特征点中心的坐标位置标定完成后，即可用该标定值对被测对象的位置的角度进行测量，被测对象携带光学测头运动到单个跑物面内，光学测头根据当前测量在本抛物面坐标系下的坐标和本抛物面中心在基准件坐标系下的坐标并可得到本测量点在基准件坐标系下的坐标。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可提供位置和角度基准的光学基准件的标定方法，待标定的光学基准件的表面加工有旋转抛物面阵列，所采用的设备包括辅助运动台，光学位置读数头和激光干涉仪，所述辅助运动台包括固定的载物平台和可二维移动的运动轴，所述光学基准件安放在载物平台上，所述所述光学位置读数头固定在运动轴上；所述激光干涉仪包括双频激光器、干涉镜组和反射镜，所述双频激光器独立于辅助运动台架设固定，所述干涉镜组安装在所述辅助运动台的运动轴上，所述反射镜独立于辅助运动台安装固定；该标定方法将光学基准件上的抛物面阵列上的特征点按行列编号，第i行第j列编号P(i,j)，以抛物面第1行第1列抛物面P(1,1)为基准点抛物面，以第1行为基准行，以第1列为基准列，标定基准行第j列抛物面P(1,j)距P(1,1)的y方向上的距离y(1,j)，标定基准列第i行抛物面P(i,1)距基准点抛物面P(1,1)的x方向上的距离x(i,1)；以基准列第i行抛物面为P(i,1)起始点，标定第i行抛物面P(i,j)距P(i,1)在x方向上的距离x(i,j)；以基准行第j列抛物面P(1,j)为起始点，标定第j列抛物面P(i,j)距P(1,j)在y方向上的距离y(i,j)。采用以下的步骤：

1)干涉镜组和反射镜选择直线度测量镜组使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准点P(1,1)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T₁₁的坐标读数p₁₁(x₁₁,y₁₁)，记录激光干涉直线度读数s₁₁，记为系统标定的零位点；

2)标定基准行上各抛物面中心距基准点P(1,1)的y方向距离：控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(1,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_1j坐标读数p_1j(x_1j,y_1j)，记录激光干涉仪的直线度读数s_1j；P(1,j)距P(1,1)的y方向距离由以下公式给出：

y(1,j)＝s_1j+s₁₁+y_1j

3)标定基准列上各抛物面中心距基准点P(1,1)的x方向距离：控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,1)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_i1的坐标读数p_i1(x_i1,y_i1)，记录激光干涉仪的直线度读数s_i1；P(i,1)距P(1,1)的x方向距离由以下公式给出：

x(i,1)＝s_i1+s₁₁+x_i1

4)以基准列第i行抛物面P(i,1)为起始点，标定第i行抛物面P(i,j)距P(i,1)在x方向上的距离x(i,j)：干涉镜组和反射镜选择线性测量镜组，调整干涉仪光路沿阵列x方向,使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准列第i行P(i,1)抛物面范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_i1的坐标读数p_i1(x_i1,y_i1)，记录激光干涉仪的距离读数d_i1，记为系统行方向标定的零位点，控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_ij坐标读数p_ij(x_ij,y_ij)，记录激光干涉仪的距离读数d_ij；P(i,j)距P(i,1)的x方向距离由以下公式给出：

x(i,j)＝x_1j+d_ij-d_i1+x_ij

5)以基准行第j列抛物面P(1,j)为起始点，标定第j列抛物面P(i,j)距P(1,j)在y方向上的距离y(i,j)，干涉镜组和反射镜选择线性测量镜组，调整干涉仪光路沿阵列y方向，使所述光学位置读数头在运动轴的携带下移动到基准件抛物面阵列的基准行第j列抛物面P(1,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_1j的坐标读数p_1j(x_1j,y_1j)，记录激光干涉仪的距离读数d_1j，记为系统列方向标定的零位点，控制运动轴运动，使得光学位置读数头达到P(i,j)范围内，记录光学位置读数头的激光测量点T_ij坐标读数p_ij(x_ij,y_ij)，记录激光干涉仪的距离读数d_ij；P(i,j)距P(1,j)的y方向距离由以下公式给出：

y(i,j)＝y_i1+d_ij-d_1j+y_ij

(6)根据步骤(2)得到的y(1,j)、步骤(3)得到的x(i,1)、步骤(4)得到的x(i,j)、步骤(5)得到的y(i,j)，通过计算可以得到P(i,j)距P(1,1)在x方向和y方向上的距离标定矩阵A(Dij)；

其中，P(i,j)距P(1,1)的x方向距离通过以下公式给出：

X_ij＝x(i,j)+x(1,j)

P(i,j)距P(1,1)的y方向距离通过以下公式给出：

Y_ij＝y(i,j)+y(i,1)

记P(i,j)距P(1,1)的距离(X_ij,Y_ij)为D_ij,将D_ij作为矩阵元素得到的数字矩阵A，即为抛物面阵列上各点距基准点的距离标定矩阵A(Dij)。