CN110879046A - 基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法 - Google Patents

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Abstract

基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法属于光学元件面形检测技术领域，目的在于解决现有技术存在的面形离焦量测量结果不准确以及测量过程繁琐的问题。本发明包括以下步骤：采用摆臂式轮廓检测方法对待测面进行检测，获得加工前多条采样轮廓线坐标值；采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工前摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；对待测面进行加工，加工完成后清洗待测工件表面；对加工后多条采样轮廓线坐标值采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工后摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；加工前后的倾斜值作差，从倾斜差值中提取获得待测面面形加工前后的离焦量变化值。

Description

基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法
技术领域
本发明属于光学元件面形检测技术领域，具体涉及一种基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法。
背景技术
摆臂式轮廓检测技术由于其测量动态范围大的优点，近年来被用于大口径光学元件面形加工过程的面形检测。例如在申请号为201510589812.9的发明专利就公开了一种摆臂轮廓仪，旨在实现对于超大口径的面形高精度检测。
从以上现有技术可以看出，摆臂式轮廓检测是基于球面的采样基底实现对目标面形的测量；但是受这种检测原理和结构的限制，摆臂式轮廓检测结果中面形离焦量信息与系统姿态误差耦合，难以准确测量待测面形的离焦值。为获得待测面形的离焦值，往往需要借助额外的手段辅助测量，测量过程繁琐。
如公开发表在《光学学报》上的《2m量级SiC非球面反射镜的摆臂轮廓检测》一文中，采用激光跟踪仪对面形离焦量进行测量，结合摆臂式轮廓检测的方式，指导2m口径反射镜完成研磨阶段的面形加工。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法，解决现有技术存在的面形离焦量测量结果不准确以及测量过程繁琐的问题。
为实现上述目的，本发明的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法包括以下步骤：
步骤一：将摆臂式轮廓检测装置装调至测头扫描轨迹位于待测镜最接近球面上，记录下当前机床上的位置读数；
步骤二：采用摆臂式轮廓检测方法对待测面进行检测，获得加工前多条采样轮廓线坐标值；
步骤三：对步骤二获得的加工前多条采样轮廓线坐标值采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工前摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；
步骤四：移走摆臂式轮廓检测装置，对待测面进行加工，加工完成后清洗待测工件表面；
步骤五：根据步骤一中获得的位置读数将摆臂式轮廓检测装置移回，并重复步骤二对加工后的待测面进行面形检测，获得加工后多条采样轮廓线坐标值；
步骤六：对步骤五中获得的加工后多条采样轮廓线坐标值采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工后摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；
步骤七；将步骤六与步骤三的倾斜值作差，从倾斜差值中提取获得待测面面形加工前后的离焦量变化值。
本发明的有益效果为：本发明的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法从所有采样轮廓线中提取姿态信息，采用差分最小二乘拟合的方法，分离出检测数据中的离焦量变化信息；利用本发明的方案在面形测量的同时完成离焦量信息的高精度提取。这样，在不需要其他辅助手段进行二次测量的情况下，在待测面面形加工过程中，可以实现对加工前后的面形离焦量变化信息进行检测，有效指导工件面形加工收敛。
附图说明
图1为本发明的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法流程图；
图2为通过本发明对第一实施例所述的采样轮廓线的示意图；
图3为通过本发明对第一实施例所述的倾斜姿态分离的坐标；
图4为通过本发明对第二实施例所述的采样轮廓线的示意图；
图5为通过本发明对第二实施例所述的倾斜姿态分离的坐标；
图6为通过本发明对第三实施例所述的采样轮廓线的示意图；
图7为通过本发明对第三实施例所述的倾斜姿态分离的坐标。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法包括以下步骤：
步骤一：将摆臂式轮廓检测装置装调至测头扫描轨迹位于待测镜最接近球面上，记录下当前机床上的位置读数；
步骤二：采用摆臂式轮廓检测方法对待测面进行检测，获得加工前多条采样轮廓线坐标值；采用摆臂式轮廓检测方法对待测面进行检测为现有技术，在采用摆臂式轮廓检测方法对待测面进行检测时，首先获得多条采样轮廓线，经过坐标变化(详见论文《2m量级SiC非球面反射镜的摆臂轮廓检测》)获得多条采样轮廓线中每条的坐标值；
步骤三：对步骤二获得的加工前多条采样轮廓线坐标值采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工前摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；
步骤四：移走摆臂式轮廓检测装置，对待测面进行加工，加工完成后清洗待测工件表面；
步骤五：根据步骤一中获得的位置读数将摆臂式轮廓检测装置移回，并重复步骤二对加工后的待测面进行面形检测，获得加工后多条采样轮廓线坐标值；
步骤六：对步骤五中获得的加工后多条采样轮廓线坐标值采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工后摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；
步骤七；将步骤六与步骤三的倾斜值作差，从倾斜差值中提取获得待测面面形加工前后的离焦量变化值。
利用本发明的方法对待测面加工前后离焦量变化值进行测量时，采用摆臂式轮廓检测装置对待测面进行检测，本实施例中加工前和加工后获得的采样轮廓弧线绕待测镜中心均匀分布，轮廓线数目为36条，本发明不限制采样轮廓线的数目和是否均匀分布。
每个采样轮廓线的坐标值通用表达式为：
x＝LcosP+L (1)
y＝Lsinβ (2)
其中：L为测头至气浮转台旋转轴的垂直矩离；
β为气浮转台摆动角度。
经步骤三和步骤六的倾斜拟合的通用方程为：
Figure BDA0002336021040000041
其中：(xij，yij，zij)为第i条轮廓弧线的第j个采样点的位置坐标值。
本发明中的采样轮廓线的倾斜姿态表达式为：
z＝ax+by+c (4)
其中：a为拟合平面沿X方向的倾斜，b为拟合平面沿Y方向的倾斜，c为转台沿Z方向的平移。
通过公式(1)-(3)并参考公式(4)的表达形式，获得待测面加工前的面形采样轮廓线倾斜拟合式(5)以及加工后的面形采样轮廓线倾斜拟合式(6)可以表示为：
z1＝a1·L·cosβ+a1·L+b1·L·sinβ+c1 (5)
z2＝a2·L·cosβ+a2·L+b2·L·sinβ+c2 (6)
将加工后和加工前的采样轮廓线的倾斜拟合值作差可得差值ΔZ：
Δz＝z2-z1＝(a2-a1)·L·cosβ+(a2-a1)·L+(b2-b1)·L·sinβ+(c2-c1) (7)
在所有的采样轮廓线中，采用最小二乘法拟合采样轮廓线的倾斜姿态信息，轮廓线倾斜姿态信息中耦合了气浮转台倾斜姿态值和待测工件的离焦量值，但面形加工前后的两次面形检测过程中，气浮转台的姿态不发生变化，因此面形加工前后的采样轮廓线倾斜姿态拟合值作差可剔出气浮转台倾斜姿态值，从而提取出面形加工前后的离焦量变化值。待测工件离焦量的形式表示为：
Figure BDA0002336021040000042
其中，coe为离焦量的系数值；r为待测工件外径。
结合公式(1)和(2)待测工件离焦量值即为：
Figure BDA0002336021040000051
从待测面面形加工前后的采样轮廓线得到倾斜值差值中提取出与面形离焦形式相同的信息，即为离焦量变化值。
参见附图2和附图3，一种情况中，单条轮廓弧线的直径2L等于待测面半径r，因此该种情况下的面形的离焦量值表示为：
Figure BDA0002336021040000052
结合公式(5)公式(6)以及公式(7)，待测工件面形加工前后的轮廓线倾斜差值中与面形离焦量相关的部分为(a2-a1)·L·cosβ，在本发明所述的第一种情况下，面形离焦项的系数为：
coe＝(a2-a1)·L (11)
面形离焦量的变化值即为：
ΔZpow＝(a2-a1)·L·cosβ 12)；
参见附图4-7，对于更普遍的第二和第三种情况中，其中r≠2L，通过对cosβ前的系数进行匹配以提取面形离焦信息，即
Figure BDA0002336021040000053
获得面形加工前后的面形离焦项的系数为：
Figure BDA0002336021040000054
面形离焦量的变化值即为：
Figure BDA0002336021040000055

Claims (6)

1.基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将摆臂式轮廓检测装置装调至测头扫描轨迹位于待测镜最接近球面上，记录下当前机床上的位置读数；
步骤二：采用摆臂式轮廓检测方法对待测面进行检测，获得加工前多条采样轮廓线坐标值；
步骤三：对步骤二获得的加工前多条采样轮廓线坐标值采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工前摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；
步骤四：移走摆臂式轮廓检测装置，对待测面进行加工，加工完成后清洗待测工件表面；
步骤五：根据步骤一中获得的位置读数将摆臂式轮廓检测装置移回，并重复步骤二对加工后的待测面进行面形检测，获得加工后多条采样轮廓线坐标值；
步骤六：对步骤五中获得的加工后多条采样轮廓线坐标值采用最小二乘方法进行倾斜拟合，得到待测面加工后摆臂式轮廓检测装置中采样轮廓线的倾斜值；
步骤七；将步骤六与步骤三的倾斜值作差，从倾斜差值中提取获得待测面面形加工前后的离焦量变化值。
2.根据权利要求1所述的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法，其特征在于，每个采样轮廓线的坐标值通用表达式为：
x＝Lcosβ+L (1)
y＝LsinP (2)
其中：L为测头至气浮转台旋转轴的垂直矩离；
β为气浮转台摆动角度。
3.根据权利要求2所述的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法，其特征在于，经步骤三和步骤六的倾斜拟合的通用方程为：
Figure FDA0002336021030000021
其中：(xij，yij，zij)为第i条轮廓弧线的第j个采样点的位置坐标值。
4.根据权利要求3所述的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法，其特征在于，采样轮廓线的倾斜姿态表达式为：
z＝ax+by+c (4)
其中：a为拟合平面沿X方向的倾斜，b为拟合平面沿Y方向的倾斜，c为转台沿Z方向的平移。
5.根据权利要求4所述的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法，其特征在于，将步骤六与步骤三的倾斜值作差具体为：
通过公式(1)-(3)并参考公式(4)的表达形式，获得待测面加工前的面形采样轮廓线倾斜拟合式(5)以及加工后的面形采样轮廓线倾斜拟合式(6)可以表示为：
z1＝a1·L·cosβ+a1·L+b1·L·sinβ+c1 (5)
z2＝a2·L·cosβ+a2·L+b2·L·sinβ+c2 (6)
将加工后和加工前的采样轮廓线的倾斜拟合值作差可得差值ΔZ：
Δz＝z2-z1＝(a2-a1)·L·cosβ+(a2-a1)·L+(b2-b1)·L·sinβ+(c2-c1) (7)。
6.根据权利要求5所述的基于摆臂式轮廓检测的面形离焦量变化值的测量方法，其特征在于，步骤七所述的从倾斜差值中提取获得待测面面形加工前后的离焦量变化值具体为：
待测工件离焦量的形式表示为：
Figure FDA0002336021030000022
其中，coe为离焦量的系数值；r为待测工件外径；
结合公式(1)和(2)待测工件离焦量值即为：
Figure FDA0002336021030000031
当单条轮廓弧线的直径2L等于待测面半径r时，面形的离焦量值表示为：
Figure FDA0002336021030000032
结合公式(5)公式(6)以及公式(7)，待测工件面形加工前后的轮廓线倾斜差值中与面形离焦量相关的部分为(a2-a1)·L·cosβ，面形离焦项的系数为：
coe＝(a2-a1)·L (11)
面形离焦量的变化值即为：
ΔZpow＝(a2-a1)·L·cosβ (12)；
当待测面半径r不等于单条轮廓弧线的直径2L，通过对cosβ前的系数进行匹配以提取面形离焦信息，即
Figure FDA0002336021030000033
获得面形加工前后的面形离焦项的系数为：
Figure FDA0002336021030000034
面形离焦量的变化值即为：
Figure FDA0002336021030000035
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