CN110375664A - 一种测量光学自由曲面的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量光学自由曲面的装置，用于测量工件的三维形貌，包括聚焦式激光位移传感器、反射镜、气浮测头、纳米二维位移机构、聚焦式激光位移传感器的信号采集电路、工控机和纳米二维位移机构控制器；气浮测头包括探针、探针轴，反射镜置于探针轴的尾部，探针轴置于气浮导轨上，工控机通过纳米二维位移机构控制器控制纳米二维位移机构按照所设计路径进行运动，气浮测头的探针在测试工件表面滑动，导致反射镜产生连续轴向移动，聚焦式激光位移传感器产生聚焦误差信号，通过信号采集电路把聚焦误差信号输入到工控机。

Description

一种测量光学自由曲面的装置

技术领域

本发明属于表面形貌质量检测装置技术领域，涉及一种测量光学自由曲面的装置。

背景技术

如今光学系统逐渐往小型号化发展，光学自由曲面作为光学系统中的核心关键，光学自由曲面由于面形复杂性而且具有大曲率特性等特点，一直是超精密测量的难题。对于光学自由曲面形貌的测量，目前一般采用日本松下公司的UA3P和英国泰勒霍普森轮廓仪，他们是学术界和工业界的标准，但是都存在设备昂贵缺点。因为测量光学自由曲面比较困难，极大的限制了光学自由曲面的应用。对于光学自由曲面的测量，有许多方法如光学显微测量法、光学干涉测量法、条纹投影法等，但是对于大斜率的光学自由曲面，均不能达到理想的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以用于测量大斜率光学自由曲面的高精度测量装置。本发明可以测量大斜率光学自由曲面的三维形貌，具有体积较小，安装灵活方便，精度高的优点。技术方案如下：

一种测量光学自由曲面的装置，用于测量工件的三维形貌，包括聚焦式激光位移传感器、反射镜、气浮测头、纳米二维位移机构、聚焦式激光位移传感器的信号采集电路、工控机和纳米二维位移机构控制器；气浮测头包括探针、探针轴，反射镜置于探针轴的尾部，探针轴置于气浮导轨上，工控机通过纳米二维位移机构控制器控制纳米二维位移机构按照所设计路径进行运动，气浮测头的探针在测试工件表面滑动，导致反射镜产生连续轴向移动，聚焦式激光位移传感器产生聚焦误差信号，通过信号采集电路把聚焦误差信号输入到工控机；工控机通过分析计算聚焦误差信号得到反射镜产生的轴向位移量，计算出测试工件的工件形貌的高度变化，根据纳米二维位移机构和工件形貌的高度变化构建测试工件的三维形貌。

本发明提出的测量大斜率光学自由曲面的装置，包含聚焦式激光位移传感器及其信号采集电路，高精度气浮测头，纳米二维位移机构及其控制器等主要部分。本发明的装置克服了传统的聚焦式激光位移传感器测量方法，因受数值孔径的原因无法测量大斜率光学自由曲面的缺点，本发明通过在测量装置加入高精度气浮测头，而且光学探针负责测量高精度气浮测头末端位移，直接就很好的解决了聚焦式激光位移传感器的缺陷，并且保留了聚焦式激光位移传感器的精度。本发明的测量装置，实现了纳米级的垂直分辨率，配合纳米二维位移平台，可以实现大斜率的光学自由曲面三维形貌测量。

附图说明

图1：大斜率光学自由曲面高精度测量系统原理示意图

图2：高精度的气浮测头的工作原理示意图

具体实施方式

本发明由高精度气浮测头(包含探针、探针轴和轴套)、聚焦式激光位移传感器及其信号采集电路，纳米二维位移机构及其控制器。

大斜率光学自由曲面高精度测量系统原理示意图如图1，包括聚焦式激光位移传感器1、反射镜2、高精度气浮测头3(包括探针4和探针轴5)、测试工件6、纳米二维位移机构7、大理石平台8、聚焦式激光位移传感器的信号采集电路9、工控机10、纳米二维位移机构控制器11组成。工控机10通过纳米二维位移机构控制器11控制纳米二维位移机构7按照所设计路径进行运动，气浮测头3中的探针4在测试工件6表面连续滑动，导致反射镜2产生连续轴向移动，在聚焦式激光位移传感器的测量量程范围内，聚焦式激光位移传感器产生聚焦误差信号，并通过信号采集电路9把聚焦误差信号输入到工控机10。工控机10通过分析计算聚焦误差信号得到反射镜2产生的轴向位移量，进而可以计算出测试工件6的工件形貌的高度变化。根据纳米二维位移机构和工件形貌的高度变化就可以构建测试工件6的三维形貌。

本发明，采用的高精度的气浮测头的设计原理示意图如图2，气浮测头主要由探针4、探针轴5、气浮导轨14，15，16，17、限转部分18、轴套19、和反射镜安装板2组成。探针4具有良好的刚性、高的机械耐磨性。探针轴5连接探针4和聚焦式激光位移传感器的外部反射镜2，负责将被测表面的形状误差由探针4向聚焦式激光位移传感器实时传递。探针轴5由前后两个气浮导轨14，15支撑，在轴中间处设计了限转部分18，与轴套19相配合。

本发明针对超精密加工中大斜率光学曲面进行高精度三维形貌测量，具体实施流程如下：

(1)由聚焦式激光位移传感器、反射镜、高精度气浮测头、运动控制器、信号采集电路和工控机组成，搭建一种大斜率光学自由曲面高精度测量系统。

(2)将系统组装完成后，需要校准系统的光路，必须保证聚焦式激光位移传感器与反射镜精确垂直度和平行度，保证反射镜到聚焦式激光位移传感器的距离在聚焦式激光位移传感器的工作距离。

(3)标定高精度气浮测头的末端位移变化(即待测表面的高度变化)与工控机采集的聚焦误差信号的函数关系，末端位移和聚焦误差信号电压的函数关系为y＝f(V)。

(4)工控机开启纳米二维位移结构扫描模式，高精度气浮测头按照栅线路径对被测表面进行逐点扫描测量。

具体实施过程中，聚焦式激光位移传感器通过放大滤波电路通过采集卡感器采集的电量信号经过调理后变成可以测量的数字信号，形成聚焦误差曲线采集入工控机，该过程具有高转换率、高带宽、低噪声，可对系统的输出结果进行动态连续采样和处理。在连续测量过程中，高精度气浮测头随着被测面的高度变化而上下移动，聚焦式激光位移传感器产生聚焦误差信号输入工控机。通过分析聚焦误差信号电信号和位移信号的关系，计算出光学自由曲面的相对高度，再结合二维纳米位移机构的反馈坐标，就可以重构大斜率光学自由曲面的三维形貌。

Claims (1)

1.一种测量光学自由曲面的装置，用于测量工件的三维形貌，包括聚焦式激光位移传感器、反射镜、气浮测头、纳米二维位移机构、聚焦式激光位移传感器的信号采集电路、工控机和纳米二维位移机构控制器；气浮测头包括探针、探针轴，反射镜置于探针轴的尾部，探针轴置于气浮导轨上，工控机通过纳米二维位移机构控制器控制纳米二维位移机构按照所设计路径进行运动，气浮测头的探针在测试工件表面滑动，导致反射镜产生连续轴向移动，聚焦式激光位移传感器产生聚焦误差信号，通过信号采集电路把聚焦误差信号输入到工控机；工控机通过分析计算聚焦误差信号得到反射镜产生的轴向位移量，计算出测试工件的工件形貌的高度变化，根据纳米二维位移机构和工件形貌的高度变化构建测试工件的三维形貌。