CN110181334B - 基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法，属于自由曲面光学元件超精密加工技术领域，本发明为解决现有自由曲面光学元件面形误差检测装置采用离线检测方式导致精度低、效率差的问题。基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置，X轴和Z轴为水平面上的两个轴，Y轴为垂直于水平面的纵向轴，旋转轴安装在Y轴移动台上，旋转轴上安装有真空吸盘，待测自由曲面光学元件安装在真空吸盘上，白光共焦测头通过夹具安装在Z轴移动台上，白光共焦测头的出射光平行于Z轴移动台，且出射光穿过旋转轴的中心线，白光共焦测头的检测数据经由控制器传输至机床工控机。本发明用于对自由曲面光学元件进行检测。

Description

基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装 置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法，属于自由曲面光学元件超精密加工技术领域。

背景技术

自由表面光学元件没有恒定的旋转轴线，形状任意，可以规则或不规则，作为下一代的现代光学元件，它具有光学性能优异、系统集成性好等优点，在航空、深潜、绿色能源和精密照明等光学系统上具有很大的应用潜力。自由曲面光学元件的发展给光学设计提供了更大的设计灵活性及创新范围，但同时对光学制造和检测提出了新的挑战。

尽管通过多轴联动超精密机床可以实现自由曲面光学元件的加工，但很多因素会引起面形误差，例如环境温度变化、振动以及刀具磨损。因此，为了获得高精度的光学表面，检测和补偿加工是必不可少的重要技术。

目前，自由曲面光学元件的检测方式包括离线检测和在机检测。离线检测时，被测自由曲面光学元件从机床到检测仪器的二次安装会带来新的系统误差。而在机检测能够避免重复安装误差，并且可以利用超精密机床各轴的超高运动精度和定位精度，进而扩大测量范围并提高测量效率。现有的商用检测仪器通常都是离线检测。检测误差大，此外，商用仪器的测量范围小、耗时长。

检测手段主要包括探针接触检测和光学非接触检测。探针接触检测是目前超精密加工中的常用方式，但它容易在光学元件表面产生划伤，而且在测量自由曲面时存在滑移误差和侧向力误差。

发明内容

本发明目的是为了解决现有自由曲面光学元件面形误差检测装置采用离线检测方式导致精度低、效率差的问题，以及探针接触检测易损伤光学元件表面的问题，提供了一种基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法。

本发明所述基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置，该检测装置包括X轴移动台、Y轴移动台、Z轴移动台、旋转轴、真空吸盘、白光共焦测头、夹具、控制器和机床工控机；

X轴和Z轴为水平面上的两个轴，Y轴为垂直于水平面的纵向轴，旋转轴安装在Y轴移动台上，旋转轴上安装有真空吸盘，待测自由曲面光学元件安装在真空吸盘上，白光共焦测头通过夹具安装在Z轴移动台上，白光共焦测头的出射光平行于Z轴移动台，且出射光穿过旋转轴的中心线，白光共焦测头的检测数据经由控制器传输至机床工控机。

本发明所述基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，该检测方法的具体过程为：

S1、调整X轴移动台和Y轴移动台，使白光共焦测头正对待测自由曲面光学元件的左上角边缘的点，通过Z轴移动台调整白光共焦测头与待测自由曲面光学元件的间距，使白光共焦测头的输出的检测数据为0；

S2、根据自由曲面描述方程，生成X坐标和Y坐标等间距的三维坐标点序列，将生成的三维坐标点序列插入数控程序代码中，通过X轴移动台、Y轴移动台和Z轴移动台的联动，白光共焦测头沿栅格式扫描路径扫描待测自由曲面光学元件，此时白光共焦测头输出的检测数据即为待测自由曲面光学元件在表面不同位置的面形误差值；

S3、在扫描检测过程中，将X轴移动台、Y轴移动台和Z轴移动台的位置坐标以及白光共焦测头的检测数据实时同步保存在机床工控机的电子表格文件中；

S4、在机床工控机上对保存的电子表格文件中的数据进行奇异值处理，计算待测自由曲面光学元件面形误差PV值，生成自由曲面光学元件面形误差分布点云图。

优选的，S2所述自由曲面描述方程为：

z＝f(x,y)；

S2所述生成X坐标和Y坐标等间距的三维坐标点序列，依次为：

P₁₁、…、P_1n、P_2n、…、P₂₁、P₃₁、…、P_3n、…、P_ij、…、P_mn；

其中：P_ij表示待测自由曲面光学元件(8)表面的位于第i列、第j行的测量点，P_mn表示待测自由曲面光学元件表面的位于第m列、第n行的测量点，m为测量点的总列数，n为测量点的总行数；

P_ij的坐标为(X_pij,Y_pij,Z_pij)：

其中，ΔL表示点间距，L_x表示待测自由曲面光学元件沿X轴的最大长度，L_y表示待测自由曲面光学元件沿Y轴的最大长度；

ΔL满足：

优选的，S2所述白光共焦测头沿栅格式扫描路径扫描待测自由曲面光学元件的实现方法为：

S2-1、Y轴移动台和Z轴移动台按照输入的三维坐标点序列以速度v进行插补运动；

S2-2、判断Y轴移动台的坐标是否为0或L_y，如果否，则返回执行S2-1，如果是，则执行S2-3；

S2-3、X轴移动台偏移ΔL；然后，返回执行S2-1；

所述速度v＝ΔL*F，F为白光共焦测头的数据采样频率。

优选的，S3所述将X轴移动台、Y轴移动台和Z轴移动台的位置坐标以及白光共焦测头的检测数据实时同步保存在机床工控机的电子表格文件中，电子表格文件为四列，第一列存储X轴移动台的位置坐标，第二列存储Y轴移动台的位置坐标，第三列存储Z轴移动台的位置坐标，第四列存储白光共焦测头的检测数据，且同一时刻的X轴移动台、Y轴移动台和Z轴移动台的位置坐标以及白光共焦测头的检测数据存储在电子表格文件的同一行中，同一行的数据为(X_T,Y_T,Z_T,E_T)；

其中T＝t*F+1，t表示时刻，

优选的，S4所述对保存的电子表格文件中的数据进行奇异值处理的具体过程为：

S4-1、对白光共焦测头的检测数据值E₁～E_m*n进行统计分布分析，获得累积分布占比函数R(E_T)：

E_T表示检测数据值E₁～E_m*n中的任意一个数据，min(E)≤E_T≤max(E)，min(E)表示检测数据值E₁～E_m*n中的最小值，max(E)表示检测数据值E₁～E_m*n中的最大值，N(E≤E_T)表示检测数据值E₁～E_m*n中小于等于E_T的数据的个数，

S4-2、根据设定的阈值范围，将大于最大阈值R(E_T2)或小于最小阈值R(E_T1)的检测数据值作为奇异值；

所述最大阈值R(E_T2)为98％，所述最小阈值R(E_T1)为3％；

S4-3、将奇异值的数据去除，通过临近点线性插值方法，将被去除的数据点修复补全，得到修复后的待测自由曲面光学元件在表面不同位置的面形误差值E₁～E_m*n，并将修复后的数据覆盖电子表格文件的第四列。

优选的，S4所述计算待测自由曲面光学元件面形误差PV值，生成自由曲面光学元件面形误差分布点云图的具体过程为：

计算修复后的电子表格文件的第四列中的最大值与最小值的差，差值即为待测自由曲面光学元件面形误差PV值；

采用修复后的电子表格文件的第四列中的数据进行四维绘图，获得自由曲面光学元件面形误差分布点云图，云图中每个点的三维空间位置坐标对应于电子表格文件中每行前三列的数据，每个点的颜色对应于电子表格文件中每行第四列的数据。

本发明的优点：本发明提出的基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法，具有如下优点：

1、采用在机检测方式，提高检测精度和检测效率，充分利用了超精密机床各直线轴的高定位精度和运动精度，避免了被检测光学元件从加工机床到检测仪器的重复安装误差，提高了检测精度。而且还节省时间，提高了检测效率。此外，获得的被检测光学元件面形误差结果，将可直接用于其补偿加工。提高自由曲面光学元件的整体超精密加工效率。

2、采用光学非接触检测手段，避免划伤光学元件表面，以及避免造成滑移误差和侧向力误差，进而提高检测精度。

附图说明

图1是本发明所述基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置的结构示意图；

图2是栅格式扫描路径的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置，该检测装置包括X轴移动台1、Y轴移动台2、Z轴移动台3、旋转轴4、真空吸盘5、白光共焦测头6、夹具7、控制器9和机床工控机10；

X轴和Z轴为水平面上的两个轴，Y轴为垂直于水平面的纵向轴，旋转轴4安装在Y轴移动台2上，旋转轴4上安装有真空吸盘5，待测自由曲面光学元件8安装在真空吸盘5上，白光共焦测头6通过夹具7安装在Z轴移动台3上，白光共焦测头6的出射光平行于Z轴移动台3，且出射光穿过旋转轴4的中心线，白光共焦测头6的检测数据经由控制器9传输至机床工控机10。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，白光共焦测头6的量程为-75～75μm，可测自由光学元件表面的倾斜范围为±42°。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，该检测方法的具体过程为：

S1、调整X轴移动台1和Y轴移动台2，使白光共焦测头6正对待测自由曲面光学元件8的左上角边缘的点，通过Z轴移动台3调整白光共焦测头6与待测自由曲面光学元件8的间距，使白光共焦测头6的输出的检测数据为0；

S2、根据自由曲面描述方程，生成X坐标和Y坐标等间距的三维坐标点序列，将生成的三维坐标点序列插入数控程序代码中，通过X轴移动台1、Y轴移动台2和Z轴移动台3的联动，白光共焦测头6沿栅格式扫描路径扫描待测自由曲面光学元件8，此时白光共焦测头6输出的检测数据即为待测自由曲面光学元件8在表面不同位置的面形误差值；

S3、在扫描检测过程中，将X轴移动台1、Y轴移动台2和Z轴移动台3的位置坐标以及白光共焦测头6的检测数据实时同步保存在机床工控机10的电子表格文件中；

S4、在机床工控机10上对保存的电子表格文件中的数据进行奇异值处理，计算待测自由曲面光学元件8面形误差PV值，生成自由曲面光学元件面形误差分布点云图。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，S2所述自由曲面描述方程为：

z＝f(x,y)；

S2所述生成X坐标和Y坐标等间距的三维坐标点序列，依次为：

P₁₁、…、P_1n、P_2n、…、P₂₁、P₃₁、…、P_3n、…、P_ij、…、P_mn；

其中：P_ij表示待测自由曲面光学元件8表面的位于第i列、第j行的测量点，P_mn表示待测自由曲面光学元件8表面的位于第m列、第n行的测量点，m为测量点的总列数，n为测量点的总行数；

P_ij的坐标为(X_pij,Y_pij,Z_pij)：

其中，ΔL表示点间距，L_x表示待测自由曲面光学元件8沿X轴的最大长度，L_y表示待测自由曲面光学元件8沿Y轴的最大长度；

ΔL满足：

具体实施方式五：本实施方式对实施方式四作进一步说明，S2所述白光共焦测头6沿栅格式扫描路径扫描待测自由曲面光学元件8的实现方法为：

S2-1、Y轴移动台2和Z轴移动台3按照输入的三维坐标点序列以速度v进行插补运动；

S2-2、判断Y轴移动台2的坐标是否为0或L_y，如果否，则返回执行S2-1，如果是，则执行S2-3；

S2-3、X轴移动台1偏移ΔL；然后，返回执行S2-1；

所述速度v＝ΔL*F，F为白光共焦测头6的数据采样频率。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式三或五作进一步说明，S3所述将X轴移动台1、Y轴移动台2和Z轴移动台3的位置坐标以及白光共焦测头6的检测数据实时同步保存在机床工控机10的电子表格文件中，电子表格文件为四列，第一列存储X轴移动台1的位置坐标，第二列存储Y轴移动台2的位置坐标，第三列存储Z轴移动台3的位置坐标，第四列存储白光共焦测头6的检测数据，且同一时刻的X轴移动台1、Y轴移动台2和Z轴移动台3的位置坐标以及白光共焦测头6的检测数据存储在电子表格文件的同一行中，同一行的数据为(X_T,Y_T,Z_T,E_T)；

其中T＝t*F+1，t表示时刻，

具体实施方式七：本实施方式对实施方式六作进一步说明，S4所述对保存的电子表格文件中的数据进行奇异值处理的具体过程为：

S4-1、对白光共焦测头6的检测数据值E₁～E_m*n进行统计分布分析，获得累积分布占比函数R(E_T)：

E_T表示检测数据值E₁～E_m*n中的任意一个数据，min(E)≤E_T≤max(E)，min(E)表示检测数据值E₁～E_m*n中的最小值，max(E)表示检测数据值E₁～E_m*n中的最大值，N(E≤E_T)表示检测数据值E₁～E_m*n中小于等于E_T的数据的个数，

S4-2、根据设定的阈值范围，将大于最大阈值R(E_T2)或小于最小阈值R(E_T1)的检测数据值作为奇异值；

所述最大阈值R(E_T2)为98％，所述最小阈值R(E_T1)为3％；

S4-3、将奇异值的数据去除，通过临近点线性插值方法，将被去除的数据点修复补全，得到修复后的待测自由曲面光学元件8在表面不同位置的面形误差值E₁～E_m*n，并将修复后的数据覆盖电子表格文件的第四列。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式七作进一步说明，S4所述计算待测自由曲面光学元件8面形误差PV值，生成自由曲面光学元件面形误差分布点云图的具体过程为：

计算修复后的电子表格文件的第四列中的最大值与最小值的差，差值即为待测自由曲面光学元件8面形误差PV值；

采用修复后的电子表格文件的第四列中的数据进行四维绘图，获得自由曲面光学元件面形误差分布点云图，云图中每个点的三维空间位置坐标对应于电子表格文件中每行前三列的数据，每个点的颜色对应于电子表格文件中每行第四列的数据。

Claims (5)

1.基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，该检测方法的具体过程为：

S1、调整X轴移动台(1)和Y轴移动台(2)，使白光共焦测头(6)正对待测自由曲面光学元件(8)的左上角边缘的点，通过Z轴移动台(3)调整白光共焦测头(6)与待测自由曲面光学元件(8)的间距，使白光共焦测头(6)的输出的检测数据为0；

S2、根据自由曲面描述方程，生成X坐标和Y坐标等间距的三维坐标点序列，将生成的三维坐标点序列插入数控程序代码中，通过X轴移动台(1)、Y轴移动台(2)和Z轴移动台(3)的联动，白光共焦测头(6)沿栅格式扫描路径扫描待测自由曲面光学元件(8)，此时白光共焦测头(6)输出的检测数据即为待测自由曲面光学元件(8)在表面不同位置的面形误差值；

S3、在扫描检测过程中，将X轴移动台(1)、Y轴移动台(2)和Z轴移动台(3)的位置坐标以及白光共焦测头(6)的检测数据实时同步保存在机床工控机(10)的电子表格文件中；

S4、在机床工控机(10)上对保存的电子表格文件中的数据进行奇异值处理，计算待测自由曲面光学元件(8)面形误差PV值，生成自由曲面光学元件面形误差分布点云图；

其特征在于，S2所述自由曲面描述方程为：

z＝f(x,y)；

S2所述生成X坐标和Y坐标等间距的三维坐标点序列，依次为：

P₁₁、…、P_1n、P_2n、…、P₂₁、P₃₁、…、P_3n、…、P_ij、…、P_mn；

其中：P_ij表示待测自由曲面光学元件(8)表面的位于第i列、第j行的测量点，P_mn表示待测自由曲面光学元件(8)表面的位于第m列、第n行的测量点，m为测量点的总列数，n为测量点的总行数；

P_ij的坐标为(X_pij,Y_pij,Z_pij)：

其中，ΔL表示点间距，L_x表示待测自由曲面光学元件(8)沿X轴的最大长度，L_y表示待测自由曲面光学元件(8)沿Y轴的最大长度；

ΔL满足：

0≤x≤L_x，0≤y≤L_y。

2.根据权利要求1所述的基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，其特征在于，S2所述白光共焦测头(6)沿栅格式扫描路径扫描待测自由曲面光学元件(8)的实现方法为：

S2-1、Y轴移动台(2)和Z轴移动台(3)按照输入的三维坐标点序列以速度v进行插补运动；

S2-2、判断Y轴移动台(2)的坐标是否为0或L_y，如果否，则返回执行S2-1，如果是，则执行S2-3；

S2-3、X轴移动台(1)偏移ΔL；然后，返回执行S2-1；

所述速度v＝ΔL*F，F为白光共焦测头(6)的数据采样频率。

3.根据权利要求2所述的基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，其特征在于，S3所述将X轴移动台(1)、Y轴移动台(2)和Z轴移动台(3)的位置坐标以及白光共焦测头(6)的检测数据实时同步保存在机床工控机(10)的电子表格文件中，电子表格文件为四列，第一列存储X轴移动台(1)的位置坐标，第二列存储Y轴移动台(2)的位置坐标，第三列存储Z轴移动台(3)的位置坐标，第四列存储白光共焦测头(6)的检测数据，且同一时刻的X轴移动台(1)、Y轴移动台(2)和Z轴移动台(3)的位置坐标以及白光共焦测头(6)的检测数据存储在电子表格文件的同一行中，同一行的数据为(X_T,Y_T,Z_T,E_T)；

其中T＝t*F+1，t表示时刻，

4.根据权利要求3所述的基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，其特征在于，S4所述对保存的电子表格文件中的数据进行奇异值处理的具体过程为：

S4-1、对白光共焦测头(6)的检测数据值E₁～E_m*n进行统计分布分析，获得累积分布占比函数R(E_T)：

E_T表示检测数据值E₁～E_m*n中的任意一个数据，min(E)≤E_T≤max(E)，min(E)表示检测数据值E₁～E_m*n中的最小值，max(E)表示检测数据值E₁～E_m*n中的最大值，N(E≤E_T)表示检测数据值E₁～E_m*n中小于等于E_T的数据的个数，

S4-2、根据设定的阈值范围，将大于最大阈值R(E_T2)或小于最小阈值R(E_T1)的检测数据值作为奇异值；

所述最大阈值R(E_T2)为98％，所述最小阈值R(E_T1)为3％；

S4-3、将奇异值的数据去除，通过临近点线性插值方法，将被去除的数据点修复补全，得到修复后的待测自由曲面光学元件(8)在表面不同位置的面形误差值E₁～E_m*n，并将修复后的数据覆盖电子表格文件的第四列。

5.根据权利要求4所述的基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，其特征在于，S4所述计算待测自由曲面光学元件(8)面形误差PV值，生成自由曲面光学元件面形误差分布点云图的具体过程为：

计算修复后的电子表格文件的第四列中的最大值与最小值的差，差值即为待测自由曲面光学元件(8)面形误差PV值；

采用修复后的电子表格文件的第四列中的数据进行四维绘图，获得自由曲面光学元件面形误差分布点云图，云图中每个点的三维空间位置坐标对应于电子表格文件中每行前三列的数据，每个点的颜色对应于电子表格文件中每行第四列的数据。

Images