CN110057288A - 光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法，所采用的标定装置包括光学旋转抛物面基准件阵列、角度传感器、三坐标测量机，光学旋转抛物面基准件阵列置于三坐标测量机工作台上，包括阵列基座和布设在基座上的多个光学旋转抛物面基准件，角度传感器用以测量光学旋转抛物面基准件上的点的角度信息，包括激光器、反射镜、针孔滤波器、汇聚透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜和光电探测器。本发明可以消除光学旋转抛物面基准件安装时带来的位置误差。

Description

光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法
技术领域
本发明涉及一种光学基准件的标定方法，特别是一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法。
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光学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。由于各个光学旋转抛物面型的排布加工过程中，各个光学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，因此仅用光学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与理论设计的间距存在差异，因此需要对实际加工出的基准件上的各个抛物面中心距离进行标定，进而提高使用该标准件对被测系统位置测量的准确性和精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定装置，进而给出标定方法。本发明利用光学旋转抛物面自身的面型特点精确标定出各个光学旋转抛物面间的中心距离，消除光学旋转抛物面安装带来的误差，为相关检测提供基准数据。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：
一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法，所采用的标定装置包括光学旋转抛物面基准件阵列、角度传感器、三坐标测量机，光学旋转抛物面基准件阵列置于三坐标测量机工作台上，包括阵列基座和布设在基座上的多个光学旋转抛物面基准件，所述的角度传感器固定于测量机的运动主轴，阵列基座置于三坐标测量机的工作台上，其特征在于，
所述的角度传感器用以测量光学旋转抛物面基准件上的点的角度信息，包括激光器、反射镜、针孔滤波器、汇聚透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜和光电探测器；经过反射镜的反射的激光器出射光线经过针孔滤波器滤波后由汇聚透镜对光线进行汇聚，汇聚后的光线经过偏振分光棱镜后改变光线的方向和能量；反射的光线经过四分之一波片改变光线的相位后照射到光学旋转抛物面基准件，经由光学旋转抛物面基准件反射的光线依次透过偏振分光棱镜和物镜后被光电探测器接收；所述光电探测器位于物镜的焦平面上；
光学旋转抛物面基准件阵列上的单个光学旋转抛物面按行列编号，以x方向为行，以y方向为列，第i行第j列编号为P(i,j)，标定方法采用以下步骤：
1)标定采用逐行逐列的方式进行采点，测量第一行第一列光学旋转抛物面基准件P(1,1)x方向的坐标，三坐标测量机主轴带动角度传感器沿X方向在P(1,1)测量n个点的角度信息α11、α12···α1n，同时记录三坐标测量机在X方向的反馈值X11、X12···X1n；
2)测量第一行第一列光学旋转抛物面基准件P(1,1)y方向的坐标，三坐标测量机主轴带动角度传感器沿Y方向在P(1,1)测量n个点的角度信息β11、β12···β1n，同时记录三坐标测量机在Y方向的反馈值Y11、Y12···Y1n；
3)对测量得到的反馈值X11、X12···X1n和角度信息α11、α12···α1n进行最小二乘线性拟合，得到的拟合直线方程的截距b11即为P(1,1)的x方向的坐标；同理对测量得到的反馈值Y11、Y12···Y1n和角度信息β11、β12···β1n进行最小二乘线性拟合，得到的拟合直线方程的截距B11即为P(1,1)的y方向的坐标；则P(1,1)在三坐标测量机坐标系下的坐标为(b11,B11)；
4)对第i行第j列编号为P(i,j)的光学旋转抛物面基准件的x方向的坐标和y方向的坐标可以通过重复步骤1)-3)测量得到,为(bij,Bij)；对第m行第n列编号为P(m,n)的光学旋转抛物面基准件的x方向的坐标和y方向的坐标也可以通过重复步骤1)-3)测量得到,为(bmn,Bmn)；则P(i,j)与P(m,n)的中心距离为(bij-bmn,Bij-Bmn)；
5)重复上述步骤标定出光学旋转抛物面基准件阵列中单个光学旋转抛物面两两之间中心的相对距离。
优选地，所述的激光器为圆点光斑激光器。所述的针孔滤波器为孔径光阑。
本发明具有的优点和积极效果是：通过三坐标测量机配合角度传感器完成对光学旋转抛物面基准件阵列上各个光学旋转抛物面中心点横纵间距的标定，消除了光学旋转抛物面基准件安装时带来的位置误差，为相关检测提供了基准数据，对利用光学旋转抛物面基准件阵列实现大范围高精度位置测量具有重要意义。
附图说明
图1为本发明应用的标定装置示意图
图中：1、光学旋转抛物面基准件阵列，2、角度传感器，3、三坐标测量机
图2为本发明应用的光学旋转抛物面基准件阵列示意图
图中：1-1、光学旋转抛物面基准件；1-2、阵列基座
图3为本发明应用的角度传感器光路结构示意图
图中：2-1、激光器；2-2、反射镜；2-3、针孔滤波器；2-4、汇聚透镜；2-5、偏振分光棱镜；2-6、四分之一波片；1-1、光学旋转抛物面基准件；2-7、物镜；2-8、光电探测器
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：
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法、装置，该方法利用光学旋转抛物面自身的面型特点精确标定出各个光学旋转抛物面间的中心距离，消除光学旋转抛物面安装带来的误差，为相关检测提供基准数据。
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：一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法、装置，所述一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法、装置包括光学旋转抛物面基准件阵列1、角度传感器2和三坐标测量机3。
所述光学旋转抛物面基准件阵列1安放在所述三坐标测量机3的工作台上，由多个光学旋转抛物面基准件1-1和阵列基座1-2组成。光学旋转抛物面基准件为黄铜材质，在基准件的表面加工出光学旋转抛物面。基准件底部设有螺纹孔，通过螺栓与阵列基座相连接，基准件间中心距离有待进一步标定。光学旋转抛物面基准件阵列上的单个光学旋转抛物面按行列编号，以x方向为行，以y方向为列，第i行第j列编号为P(i,j)。
如图2所示，一种适用于光学自由曲面面型检测的角度传感器，所述角度传感器2由激光器2-1、反射镜2-2、针孔滤波器2-3、汇聚透镜2-4、偏振分光棱镜2-5、四分之一波片2-6、光学旋转抛物面基准件1-1、物镜2-7、光电探测器2-8等组成，可以测量光学旋转抛物面基准件上的点的角度信息。
所述的激光器为圆点光斑激光器，激光器出射光线为竖直光线；所述反射镜位于激光器的正下方，与水平方向成45°角，镜面斜向左上方；所述针孔滤波器即为孔径光阑，孔径大小为200um,孔心正对激光光束；所述汇聚透镜位于针孔滤波器右侧，对光线进行汇聚，其焦距不宜选择较大；所述偏振分光棱镜为半透半反镜，可以改变光线的方向和能量；所述四分之一波片位于偏振分光棱镜的正下方，可以改变光线的相位；所述待检测光学旋转抛物面基准件通过连接件连接于三坐标测量机工作台上；所述物镜为凸透镜，对成像光束进行汇聚，提高成像质量；所述光电探测器位于物镜的焦平面上，一般为工业CMOS相机。
进一步地，所述激光器出射激光被反射镜反射从而使竖直粗光束变成水平粗光束，水平粗光束被针孔滤波器限制后变成直径为200um的细光束，再经过汇聚透镜的汇聚后通过偏振分光棱镜，这时光束中的p光完全通过，s光被反射经过四分之一波片直达待检测光学旋转抛物面基准件，反射光线再依次经过四分之一波片、偏振分光棱镜、物镜后成像于光电探测器上。根据光电探测器上的光斑位置信息即可得到待测自由曲面的面型信息。
假设待检测光学自由曲面为小口径光学旋转抛物面，且已知光学旋转抛物面上点的斜率与其距离光学旋转抛物面顶点的水平距离成正比。对于加工完成的光学旋转抛物面，将其固定在三坐标测量机工作台上；通过调节三坐标测量机使其在水平面X方向上以一定步距做直线运动，测量n个点；再通过调节三坐标测量机使其在水平面Y方向移动一定步距，重复上述步骤测量m个点；如此往复，直至测量点基本覆盖待测光学旋转抛物面。理论上，测量点在光电探测器上的光斑位置分布符合一定规律如等间距分布的n×m阵列，实际检测结果若与预期不符则表明加工出的光学旋转抛物面不符合要求，存在面型误差，且可以根据检测信息有针对地加以修正，否则即为合格加工产品。
所述三坐标测量机3具有三个相互正交方向的运动轴和水平的工作台，并且角度传感器2搭载在三坐标测量机垂直运动的主轴上，光学旋转抛物面基准件阵1列安放在三坐标测量机的工作台上。
该标定方法采用以下步骤：
1)标定采用逐行逐列的方式进行采点，先测量第一行第一列光学旋转抛物面基准件P(1,1)x方向的坐标，三坐标测量机主轴带动角度传感器沿X方向在P(1,1)测量n个点的角度信息α11、α12···α1n，同时记录三坐标测量机在X方向的反馈值X11、X12···X1n。
2)再测量第一行第一列光学旋转抛物面基准件P(1,1)y方向的坐标，三坐标测量机主轴带动角度传感器沿Y方向在P(1,1)测量n个点的角度信息β11、β12···β1n，同时记录三坐标测量机在Y方向的反馈值Y11、Y12···Y1n。
3)对测量机得到的反馈值X11、X12···X1n和角度信息α11、α12···α1n进行最小二乘线性拟合，得到的拟合直线方程的截距b11即为P(1,1)的x方向的坐标；同理对测量机得到的反馈值Y11、Y12···Y1n和角度信息β11、β12···β1n进行最小二乘线性拟合，得到的拟合直线方程的截距B11即为P(1,1)的y方向的坐标；则P(1,1)在三坐标测量机坐标系下的坐标为(b11,B11)。
4)对第i行第j列编号为P(i,j)的光学旋转抛物面基准件的x方向的坐标和y方向的坐标可以通过重复步骤1)-3)测量得到,为(bij,Bij)；对第m行第n列编号为P(m,n)的光学旋转抛物面基准件的x方向的坐标和y方向的坐标也可以通过重复步骤1)-3)测量得到,为(bmn,Bmn)；则P(i,j)与P(m,n)的中心距离为(bij-bmn,Bij-Bmn)。
5)重复上述步骤，即可标定出光学旋转抛物面基准件阵列中单个光学旋转抛物面两两之间中心的相对距离。
本发明的原理：
本发明利用了面积较小且面型变化规律已知的光学自由曲面对准直光束的敏感特性，设计了一套简单的光路结构，在已知光学自由曲面面型变化规律的前提下，可以通过本光路结构检测加工出的光学自由曲面面型，甄别出存在较大加工误差的产品。
在采用光学旋转抛物面基准件阵列作为位置基准进行位置测量时，由于光学旋转抛物面基准件在安装是通常存在一定位置误差，因此需要对各个光学旋转抛物面基准件的中心距离进行标定，得到它们之间的精确位置。本发明利用光学旋转抛物面自身的面型特点，利用三坐标测量机记录测量点的位置信息，借助角度传感器获得测量点的角度信息，通过最小二乘法线性拟合精确获得光学旋转抛物面基准件的中心坐标，进而精确标定出各个光学旋转抛物面间的中心距离，消除光学旋转抛物面安装带来的误差，为相关检测提供基准数据。
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 (3)

1.一种光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定方法，所采用的标定装置包括光学旋转抛物面基准件阵列、角度传感器、三坐标测量机，光学旋转抛物面基准件阵列置于三坐标测量机工作台上，包括阵列基座和布设在基座上的多个光学旋转抛物面基准件，所述的角度传感器固定于测量机的运动主轴，阵列基座置于三坐标测量机的工作台上，其特征在于，
所述的角度传感器用以测量光学旋转抛物面基准件上的点的角度信息，包括激光器、反射镜、针孔滤波器、汇聚透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜和光电探测器；经过反射镜的反射的激光器出射光线经过针孔滤波器滤波后由汇聚透镜对光线进行汇聚，汇聚后的光线经过偏振分光棱镜后改变光线的方向和能量；反射的光线经过四分之一波片改变光线的相位后照射到光学旋转抛物面基准件，经由光学旋转抛物面基准件反射的光线依次透过偏振分光棱镜和物镜后被光电探测器接收；所述光电探测器位于物镜的焦平面上；
光学旋转抛物面基准件阵列上的单个光学旋转抛物面按行列编号，以x方向为行，以y方向为列，第i行第j列编号为P(i,j)，标定方法采用以下步骤：
1)标定采用逐行逐列的方式进行采点，测量第一行第一列光学旋转抛物面基准件P(1,1)x方向的坐标，三坐标测量机主轴带动角度传感器沿X方向在P(1,1)测量n个点的角度信息α11、α12···α1n，同时记录三坐标测量机在X方向的反馈值X11、X12···X1n；
2)测量第一行第一列光学旋转抛物面基准件P(1,1)y方向的坐标，三坐标测量机主轴带动角度传感器沿Y方向在P(1,1)测量n个点的角度信息β11、β12···β1n，同时记录三坐标测量机在Y方向的反馈值Y11、Y12···Y1n；
3)对测量得到的反馈值X11、X12···X1n和角度信息α11、α12···α1n进行最小二乘线性拟合，得到的拟合直线方程的截距b11即为P(1,1)的x方向的坐标；同理对测量得到的反馈值Y11、Y12···Y1n和角度信息β11、β12···β1n进行最小二乘线性拟合，得到的拟合直线方程的截距B11即为P(1,1)的y方向的坐标；则P(1,1)在三坐标测量机坐标系下的坐标为(b11,B11)；
4)对第i行第j列编号为P(i,j)的光学旋转抛物面基准件的x方向的坐标和y方向的坐标可以通过重复步骤1)-3)测量得到,为(bij,Bij)；对第m行第n列编号为P(m,n)的光学旋转抛物面基准件的x方向的坐标和y方向的坐标也可以通过重复步骤1)-3)测量得到,为(bmn,Bmn)；则P(i,j)与P(m,n)的中心距离为(bij-bmn,Bij-Bmn)；
5)重复上述步骤标定出光学旋转抛物面基准件阵列中单个光学旋转抛物面两两之间中心的相对距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的激光器为圆点光斑激光器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的针孔滤波器为孔径光阑。
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