CN111023971A - 一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法 - Google Patents

一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法，采用气浮靶标作为激光跟踪仪测量合作靶标测量光学元件表面；通过对气浮靶标供气，使气浮面微孔输出稳定的高压气流，在气浮面与光学元件表面形成固定大小的气隙层，达到非接触测量的目的。使用激光跟踪仪结合气浮靶标非接触扫描测量光学元件轮廓，对扫描点进行处理后得到面形误差。本发明方法在面形测量过程中不与光学元件接触和摩擦，能够有效保护光学镜面，可以实现快速扫描测量，降低环境对面形测量的影响；相对于传统点接触，本方法单次采样区域为气浮面口径，具有采样均化效应，同时，角锥方向可以固定指向跟踪仪，不会引入偏心误差，具有良好的精度及重复性。

Description

一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的 方法
技术领域
本发明属于光学测试领域，具体涉及一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法。
背景技术
随着现代科技的发展，大口径光学元件因具有优异的光学特性，在光学工程领域中得到了广泛应用，目前对大口径光学元件的需求也在持续的增加。随着光学元件口径的不断增大，其在加工和检测上也都面临着巨大的挑战。
激光跟踪仪因具有柔性测量、测量范围大、动态性能好、精度高等优点，已被成功应用于大口径光学元件在研磨及初抛光阶段的面形在位检测之中。目前采用激光跟踪仪测量大口径光学元件面形的方式为：将激光跟踪仪置于待测面顶点曲率半径位置处，利用其合作靶标球形角锥镜与待测面接触并获取角锥镜中心坐标，移动球形角锥镜扫描测量光学元件表面获取整个表面的轮廓坐标信息，再对所获取测量点坐标进行半径补偿，计算分析获得面形误差。
利用球形角锥镜配合激光跟踪仪接触式扫描测量大口径光学元件面形有以下不足：
(1)在镜面处于抛光阶段，球形角锥镜的接触扫描会对镜面产生划伤风险；
(2)接触扫描产生的摩擦会使球形角锥镜接触点磨损，降低球形角锥镜精度，影响面形测量精度；
(3)点接触式扫描易受灰尘及光学元件表面加工残余物的影响，引入面形测量误差；
(4)激光跟踪仪采用有限采样点拟合面形，而现有扫描测量仅获取接触点的信息，光学表面的局部及高频误差会影响面形拟合的精度。
发明内容
本发明目的是解决上述激光跟踪仪接触式测量大口径光学元件面形的不足，提供一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法。本方法是采用气浮靶标作为激光跟踪仪测量合作靶标测量光学元件表面；通过对气浮靶标供气，使气浮面微孔输出稳定的高压气流，在气浮面与光学元件表面形成固定的气隙层，达到非接触扫描测量的目的。
本发明采用的技术方案为：一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法，包括以下步骤：
步骤一：选取气浮垫
气浮垫口径应根据光学元件顶点曲率半径及气浮垫气隙特性决定，对于大曲率半径光学元件面形测量，可选取小口径平面气浮垫；对于小曲率半径光学元件面形测量，可以选择球形气浮垫；
步骤二：气浮靶标组装及标定
(1)如图2、3所示，将气浮垫1安装于连接座3底部安装孔内，角锥镜2安装于连接座3上端安装孔内，完成气浮靶标组装；
(2)将角锥镜中心与气浮垫气浮面调至同心；
(3)标定气浮靶标有效偏离值；
步骤三：使用气浮靶标扫描测量面形
使用激光跟踪仪结合气浮靶标扫描测量光学元件表面，获取气浮靶标在表面移动时角锥镜中心的位置坐标；
步骤四：气浮靶标有效偏离值补偿
结合光学元件的面形方程，利用标定的气浮靶标有效偏离值对原始测量坐标数据进行偏离补偿，补偿后的坐标点即为光学元件表面点坐标；
步骤五：分析数据获取结果
根据上述得到光学元件表面测量点，结合光学元件面形方程，计算得到面形误差；
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过气浮方式实现靶标与光学元件非接触，能保护被测光学表面不被划伤以及防止靶标磨损。同时，该测量方式采样具有均化效应，并且不易受光学元件表面灰尘及加工残余物的影响；
(2)本发明其结构简单、操作便捷、易实现，且测量效率高、成本低；
(3)本发明检测方法不局限用于各种大型光学元件的面形检测，也可应用于各种大尺寸机械件的高精度面形误差检测。
附图说明
图1为本发明采用气浮靶标配合激光跟踪仪扫描测量大口径光学元件表面的流程示意图；
图2为本发明气浮靶标组合体示意图；
图3为图2三维结构视图；
图4为本发明方法检测大口径非球面面形的示意图；
图5为本发明半径补偿示意图。
具体实施方式
为了便于更好的理解本发明方法，以下通过附图及实施例子的方式详细的对本发明所涉及到的各个环节进行说明。
实施方案过程：通过使用本发明方法检测顶点曲率半径为13m的非球面进行详细说明。
实施骤如下：
步骤一：气浮垫的选取
气浮垫的选取与被测面形状及气浮垫工作特性相关。对于曲率半径为13m的非球面，其任意25mm2区域范围内矢高差为5～5.5μm，因此选取小口径平面气浮垫即可。在本实施方案中，选取了气浮面口径为23mm2多孔介质平面气浮垫，气浮面平面度0.5μm，在理想负载情况下，气隙间隔稳定在5～6μm。
步骤二：气浮靶标组装及标定
(1)如图2、3所示，为本发明所使用的气浮靶标，其组成包括为：气浮垫1、角锥镜2、连接座3；图中气浮垫1上端为安装面，下端为气浮工作面，其外圆柱面上有进气接口；角锥镜2为圆柱形，其角锥顶点与外圆柱偏心量可精确标定；连接座3上下各有一个安装定位孔，并开有气管连接槽；
本发明气浮靶标组装方式：利用连接座3上端中心孔安装角锥镜2，下端中心孔安装气浮垫1，并使气浮垫螺纹接口正对连接座3气管安装槽，以便气管与气浮垫连接；
(2)将角锥镜角锥顶点与气浮垫气浮面调至同心：利用圆柱度仪先调试气浮垫与圆柱度仪回转工作台同心，再以气浮垫中心为基准，结合角锥镜顶点与外圆柱的偏心数据调试角锥镜顶点与气浮垫同心；
(3)标定气浮靶标有效偏离值：分别使用球形靶标及气浮靶标测量同一平面，计算两平面的高度差，此高度差与球形靶标半径之和即为气浮靶标有效偏离值。
步骤三：使用气浮靶标扫描测量面形
如图4所示：根据激光跟踪仪精度特性，将其置于非球面顶点曲率半径位置处，再结合气浮靶标扫描测量非球面表面，并获取气浮靶标在表面移动时角锥中心的位置坐标；
步骤四：气浮靶标有效偏离值补偿
如图5所示：根据上述测量获取气浮靶标角锥中心位置坐标O1，要得到非球面表面测量点坐标O2，需要对气浮靶标进行有效偏离值补偿。补偿依据为：结合非球面方程，根据测量点所处位置坐标计算其相应的法线方向，再根据偏离值r进行补偿，即：
Figure BDA0002326009410000041
上式中O1：为气浮靶标角锥中心点；O2：为气浮靶标接触面；
步骤五：分析数据获取结果
根据上述得到非球面表面测量点，结合光学元件面形方程，对数据进行计算，使测量坐标值与理论坐标值进行比较并获得面形偏差。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、采用气浮靶标作为激光跟踪仪测量合作靶标测量光学元件表面；通过对气浮靶标供气，使气浮面微孔输出稳定的高压气流，在气浮面与光学元件表面形成固定的气隙层，达到非接触扫描测量的目的；
步骤(2)、气浮靶标由气浮垫(1)、角锥镜(2)及连接座(3)组成，气浮垫(1)用于在光学元件表面形成固定气隙；角锥镜(2)用于激光跟踪仪跟踪测量；连接座(3)用于连接角锥镜及气浮垫，并提供合适大小的负载力；
步骤(3)、角锥镜中心应与气浮垫气浮面调至同心；
步骤(4)、气浮垫口径及形状应根据光学元件顶点曲率半径及气浮垫气隙大小决定，对于大曲率半径光学元件面形测量，可选取小口径平面气浮垫；对于小曲率半径光学元件面形测量，可以选择球形气浮垫；
步骤(5)、通过标定角锥中心至气浮面的距离，结合光学元件面形方程，实现测量点的偏离补偿。
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