CN112517940B - 一种超精密车削加工在位检测装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超精密车削加工在位检测装置及其应用方法，本发明的超精密车削加工在位检测装置包括三维精密调整台、五维精密调整台、夹具、小口径干涉仪组件和计算全息图板，所述五维精密调整台、夹具分别安装在三维精密调整台上，所述小口径干涉仪组件安装在夹具上，所述计算全息图板安装在五维精密调整台上；本发明的应用方法为应用于超过小口径干涉仪组件测量口径的待测光学元件的在位检测方法。本发明能够实现波面干涉的在位检测，提高波面干涉检测的精确度，并能够进一步超精密车削加工的效率，尤其适用于大口径光学元件的在位检测。

Description

一种超精密车削加工在位检测装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及光学元件的超精密车削加工技术，具体涉及一种超精密车削加工在位检测装置及其应用方法。

背景技术

超精密车削技术是铜、铝等有色金属、硅、锗等晶体材料光学元件的高效低成本加工方法，得到广泛应用。超精密车床6的精度主要由机床自身的运动精度决定，加工后的光学元件残留的面形误差会包含机床导轨直线度等确定性误差，严重影响加工精度提升。通常采用误差在位检测和补偿的方法，消除确定性误差，有效提升加工精度。因此，在位检测的精度直接影响补偿后的精度水平。

现有的光学元件面形误差的检测方法一般分为轮廓扫描检测和波面干涉检测，考虑到操作空间的限制，超精密车削过程的在位检测一般使用轮廓扫描检测，将位移传感器放置于车刀架一侧，利用车床的两直线轴X和Z以及工件回转轴C的运动，遍历光学元件表面实现轮廓探测，再与标准轮廓对比得到面形误差。这一方法受限于传感器和机床自身的精度，很难达到亚微米以下的精度。而波面干涉检测的方法虽然可以实现纳米精度的光学面形检测，但是干涉仪组件4较大的尺寸，尤其是非球面检测中较为复杂的调整光路，使其尚未广泛应用于超精密车削在位检测过程中，严重制约了在位补偿的精度提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种超精密车削加工在位检测装置及其应用方法，本发明能够实现波面干涉的在位检测，提高波面干涉检测的精确度，并能够进一步超精密车削加工的效率，尤其适用于大口径光学元件的在位检测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种超精密车削加工在位检测装置，包括三维精密调整台、五维精密调整台、夹具、小口径干涉仪组件和计算全息图板，所述五维精密调整台、夹具分别安装在三维精密调整台上，所述小口径干涉仪组件安装在夹具上，所述计算全息图板安装在五维精密调整台上。

可选地，所述三维精密调整台为具有升降自由度以及俯仰、倾斜姿态调整功能的精密调整台。

可选地，所述五维精密调整台为具有三直线自由度以及俯仰、倾斜姿态调整功能的精密调整台。

可选地，所述小口径干涉仪组件包括依次相连的小口径波面干涉仪、扩束装置和干涉仪镜头，所述小口径波面干涉仪安装固定在夹具上。

可选地，所述计算全息图板上雕刻有光路对准微结构单元与波前调控微结构单元，所述光路对准微结构单元用于辅助调整计算全息图板与小口径干涉仪组件之间的空间相对位置使计算全息图板对准小口径干涉仪组件的干涉仪光路；所述波前调控微结构单元用于将小口径干涉仪组件的干涉仪镜头产生的标准平面或球面波前调控成待测光学元件所需标准非球面波前。

可选地，所述波前调控微结构单元为位于计算全息图板中的圆形结构，所述光路对准微结构单元为均匀分布于波前调控微结构单元四周的4个点结构。

可选地，所述三维精密调整台安装在超精密车床上，所述超精密车床设有水平布置的X轴直线轴系和Z轴直线轴系，所述X轴直线轴系的X轴溜板上设有C轴主轴以及用于驱动C轴主轴转动的C轴电机，所述C轴主轴的端部设有用于安装待测光学元件的固定机构，所述三维精密调整台安装在Z轴直线轴系的Z轴溜板上。

此外，本发明还提供一种前述超精密车削加工在位检测装置的应用方法，包括：

1）将超出小口径干涉仪组件测量口径的待测光学元件固定在车床的C轴上，调节超精密车削加工在位检测装置的姿态，使得小口径干涉仪组件相对待测光学元件的中心向外偏移，使其仅覆盖待测光学元件的一个子区域，并采集子区域的误差数据；

2）通过调整车床的C轴改变待测光学元件的姿态，调整超精密车削加工在位检测装置的位置并通过小口径干涉仪组件采集该姿态对应子区域的误差数据，最终得到待测光学元件所有子区域的误差数据；

3）将待测光学元件所有子区域的误差数据拼接得到全口径数据。

可选地，步骤2）中调整超精密车削加工在位检测装置的位置并通过小口径干涉仪组件采集该姿态对应子区域的误差数据的步骤包括：

2.1）通过五维精密调整台将计算全息图板对准小口径干涉仪组件的光路；

2.2）通过机床和三维精密调整台调整小口径干涉仪组件的光路，使得小口径干涉仪组件的光路对准待测光学元件；

2.3）通过三维精密调整台调整小口径干涉仪组件的光路直至产生干涉条纹，并通过解算干涉条纹获得该姿态对应子区域的误差数据。

可选地，步骤2.1）中将计算全息图板对准小口径干涉仪组件的光路是指使计算全息图板上的光路对准微结构单元反射的光点处于小口径干涉仪组件的视场内十字叉指示线中心。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、检测精度大幅提升：用基于波面干涉的光学元件面形检测精度可到纳米量级，而基于传感器扫描的光学元件面形检测精度很难超过亚微米量级，两者精度相差十倍以上。对于超精密车削加工而言，更高的检测精度有助于达到更高的加工补偿精度。

2、检测时间大幅缩短：基于波面干涉的光学元件面形检测，在第一次光路调整完毕后，后续的每一次测量只需要将超精密车床相应轴移动到固定位置，微调干涉条纹即可直接得到全口径面形误差数据的瞬时测量。而轮廓扫描检测需要用超精密车床带动位移传感器驻点扫描以获取轮廓数据，然后再将其与标准轮廓对比，算出面形误差数据。对于单件生产而言，两种方法耗时相差不大，但对于批量生产而言，两种方法耗时相差十倍以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例在位检测装置的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中计算全息图板的结构示意图。

图3为本发明实施例安装在超精密车床上的结构示意图。

图4为本发明实施例中子区域的拼接原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下文将以直径为100mm的单晶硅非球面反射镜作为待测光学元件的实例，对本发明基于计算全息图干涉测量的超精密车削在位检测装置与方法进行进一步的详细说明。毫无疑问，本发明的在位检测装置与方法还可以适用于其它类型的光学元件，例如其他回转对称非球面、离轴非球面甚至非回转对称的自由曲面。

如图1所示，本实施例超精密车削加工在位检测装置包括三维精密调整台1、五维精密调整台2、夹具3、干涉仪组件4和计算全息图板5，五维精密调整台2、夹具3分别安装在三维精密调整台1上，干涉仪组件4安装在夹具3上，计算全息图板5安装在五维精密调整台2上。本实施例超精密车削加工在位检测装置采用计算全息图板5使干涉仪组件4的标准平面或球面波前变成标准非球面波前，经待测光学元件反射后发生光学干涉，解析干涉条纹得到形状误差；同时计算全息图板5固定在五维精密调整台2上，实现其与干涉仪组件4的对准；两者共同固定在三维精密调整台1上，结合超精密车床6的运动轴，实现与待测光学元件的对准，本发明能够实现波面干涉的在位检测，提高波面干涉检测的精确度，比现有的基于位移传感器的在位检测方法精度提升一个数量级以上，并能够进一步超精密车削加工的效率；本实施例超精密车削加工在位检测装置通过五维精密调整台2可实现对计算全息图板5的位姿调整，从而实现对待测光学元件的子区域的测量，可将测量口径增大一倍以上，尤其适用于大口径光学元件的在位检测。

本实施例中，三维精密调整台1为具有升降自由度以及俯仰、倾斜姿态调整功能的精密调整台，对准后的计算全息图板5（包括五维精密调整台2）和干涉仪组件4共同固定在三维精密调整台1上，结合超精密车床两水平直线轴X和Z共同调整姿态，使标准非球面波前与待测光学元件的反射波前发生干涉，进一步微调得到合适的干涉条纹。

本实施例中，五维精密调整台2为具有三直线自由度以及俯仰、倾斜姿态调整功能的精密调整台，由于计算全息图板5固定在五维精密调整台2上，通过五自由度姿态调整，使其在计算全息图板5对准干涉仪组件4的光路。

如图1所示，本实施例中干涉仪组件4包括依次相连的小口径波面干涉仪41（口径不大于5mm）、扩束装置42和干涉仪镜头43，小口径波面干涉仪41安装固定在夹具3上。通过上述结构设计，可确保干涉仪组件4的紧凑性，使其可与车刀并排放置。本实施例中，小口径波面干涉仪41、扩束装置42和干涉仪镜头43三者采用模块化的设计理念，得到结构紧凑的干涉仪组件4为标准4英寸的干涉仪系统。

本实施例中，计算全息图板5上雕刻有光路对准微结构单元51与波前调控微结构单元52，光路对准微结构单元51用于辅助调整计算全息图板5与干涉仪组件4之间的空间相对位置使计算全息图板5对准干涉仪组件4的干涉仪光路；波前调控微结构单元52用于将干涉仪组件4的干涉仪镜头产生的标准平面或球面波前调控成待测光学元件所需标准非球面波前。如图2所示，本实施例中波前调控微结构单元52为位于计算全息图板5中的圆形结构，光路对准微结构单元51为均匀分布于波前调控微结构单元四周的4个点结构。

如图3所示，本实施例中三维精密调整台1安装在超精密车床6上，超精密车床6设有水平布置的X轴直线轴系61和Z轴直线轴系62，X轴直线轴系61的X轴溜板上设有C轴主轴611以及用于驱动C轴主轴611转动的C轴电机612，C轴主轴611的端部设有用于安装待测光学元件（如图3中a所示）的固定机构，三维精密调整台1安装在Z轴直线轴系62的Z轴溜板上（干涉仪组件4如图3中b所示）。超精密车床6具备一个带角度控制功能的C轴主轴611、两个互相垂直的X轴直线轴系61和Z轴直线轴系62，且坐落在空气隔振平台上，以保证干涉条纹不受外界振动的影响，得到稳定的干涉条纹，以便准确解析面形误差。参见图3，本实施例中超精密车床6的Z轴直线轴系62的Z轴溜板上上还安装有刀架621，刀架621上安装有金刚石刀具，使得超精密车床6集测量、加工功能为一体。

综上所述，本实施例超精密车削加工在位检测装置采用计算全息图板5使干涉仪组件4的标准平面或球面波前变成标准非球面波前，经待测光学元件反射后发生光学干涉，解析干涉条纹得到形状误差；同时计算全息图板5固定在五维精密调整台2上，实现其与干涉仪组件4的对准；两者共同固定在三维精密调整台1上，结合超精密车床6的运动轴，实现与待测光学元件的对准，本实施例能够实现波面干涉的在位检测，提高波面干涉检测的精确度，比现有的基于位移传感器的在位检测方法精度提升一个数量级以上，并能够进一步超精密车削加工的效率。本实施例通过五维精密调整台可实现对计算全息图板的位姿调整，从而实现对待测光学元件的子区域的测量，可将测量口径增大一倍以上，尤其适用于大口径光学元件。

此外，本实施例还提供一种前述超精密车削加工在位检测装置的应用方法，包括：

1）将超出干涉仪组件4测量口径的待测光学元件固定在车床的C轴上，调节超精密车削加工在位检测装置的姿态，使得干涉仪组件4相对待测光学元件的中心向外偏移，使其仅覆盖待测光学元件的一个子区域，并采集子区域的误差数据；

2）通过调整车床的C轴改变待测光学元件的姿态，调整超精密车削加工在位检测装置的位置并通过干涉仪组件4采集该姿态对应子区域的误差数据，最终得到待测光学元件所有子区域的误差数据；

3）将待测光学元件所有子区域的误差数据拼接得到全口径数据。

本实施例中，步骤2）中调整超精密车削加工在位检测装置的位置并通过干涉仪组件4采集该姿态对应子区域的误差数据的步骤包括：

2.1）通过五维精密调整台2将计算全息图板5对准干涉仪组件4的光路；

2.2）通过机床和三维精密调整台1调整干涉仪组件4的光路，使得干涉仪组件4的光路对准待测光学元件；

2.3）通过三维精密调整台1调整干涉仪组件4的光路直至产生干涉条纹；

2.4）解算干涉条纹获得该姿态对应子区域的误差数据。

本实施例中，步骤2.1）中将计算全息图板5对准干涉仪组件4的光路是指使计算全息图板5上的光路对准微结构单元反射的光点处于干涉仪组件4的视场内十字叉指示线中心。

本实施例中，步骤2.2）通过机床和三维精密调整台1调整干涉仪组件4的光路时，机床的调整是指调整超精密车床6的X轴直线轴系61和Z轴直线轴系62。

需要说明的是，步骤2）中待测光学元件所有子区域的数量可根据干涉仪组件4的测量口径、待测光学元件的口径来进行确定。图4所示为干涉仪组件4的测量口径r1（圆心为c）为待测光学元件的口径r2（圆心为d）的一半的一种特例，在这种情况下，干涉仪组件4最少只需要转动一周，例如每一步转动1°，则一共采集360个子区域的误差数据，拼接时则各取过待测光学元件的中心d、且内角为1°的区域进行拼接，即可得到全口径数据。当然，在转动一周的情况下，在拼接时靠近待测光学元件的边缘处会有误差，且采集次数越少误差越大，因此可通过增加采集次数，或者通过改变圆心c与d之间的距离转动多周的方式来消除上述误差。若干涉仪组件4的测量口径r1大于待测光学元件的口径r2的一半，则同样最少只需要转动一周；若干涉仪组件4的测量口径r1小于待测光学元件的口径r2的一半，则最少需要转动两周甚至更多，可基于同样的原理进行裁剪出各个子区域的误差数据来拼接得到全口径数据，在此不再展开说明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超精密车削加工在位检测装置，其特征在于，包括三维精密调整台（1）、五维精密调整台（2）、夹具（3）、小口径干涉仪组件（4）和计算全息图板（5），所述五维精密调整台（2）、夹具（3）分别安装在三维精密调整台（1）上，所述小口径干涉仪组件（4）安装在夹具（3）上，所述计算全息图板（5）安装在五维精密调整台（2）上；所述三维精密调整台（1）安装在超精密车床（6）上，所述超精密车床（6）设有水平布置的X轴直线轴系（61）和Z轴直线轴系（62），所述X轴直线轴系（61）的X轴溜板上设有C轴主轴（611）以及用于驱动C轴主轴（611）转动的C轴电机（612），所述C轴主轴（611）的端部设有用于安装待测光学元件的固定机构，所述三维精密调整台（1）安装在Z轴直线轴系（62）的Z轴溜板上。

2.根据权利要求1所述的超精密车削加工在位检测装置，其特征在于，所述三维精密调整台（1）为具有升降自由度以及俯仰、倾斜姿态调整功能的精密调整台。

3.根据权利要求1所述的超精密车削加工在位检测装置，其特征在于，所述五维精密调整台（2）为具有三直线自由度以及俯仰、倾斜姿态调整功能的精密调整台。

4.根据权利要求1所述的超精密车削加工在位检测装置，其特征在于，所述小口径干涉仪组件（4）包括依次相连的小口径波面干涉仪（41）、扩束装置（42）和干涉仪镜头（43），所述小口径波面干涉仪（41）安装固定在夹具（3）上。

5.根据权利要求1所述的超精密车削加工在位检测装置，其特征在于，所述计算全息图板（5）上雕刻有光路对准微结构单元（51）与波前调控微结构单元（52），所述光路对准微结构单元（51）用于辅助调整计算全息图板（5）与小口径干涉仪组件（4）之间的空间相对位置使计算全息图板（5）对准小口径干涉仪组件（4）的干涉仪光路；所述波前调控微结构单元（52）用于将小口径干涉仪组件（4）的干涉仪镜头产生的标准平面或球面波前调控成待测光学元件所需标准非球面波前。

6.根据权利要求5所述的超精密车削加工在位检测装置，其特征在于，所述波前调控微结构单元（52）为位于计算全息图板（5）中的圆形结构，所述光路对准微结构单元（51）为均匀分布于波前调控微结构单元四周的4个点结构。

7.一种权利要求1～6中任意一项所述的超精密车削加工在位检测装置的应用方法，其特征在于，包括：

1）将超出小口径干涉仪组件（4）测量口径的待测光学元件固定在车床的C轴上，调节超精密车削加工在位检测装置的姿态，使得小口径干涉仪组件（4）相对待测光学元件的中心向外偏移，使其仅覆盖待测光学元件的一个子区域，并采集子区域的误差数据；

2）通过调整车床的C轴改变待测光学元件的姿态，调整超精密车削加工在位检测装置的位置并通过小口径干涉仪组件（4）采集该姿态对应子区域的误差数据，最终得到待测光学元件所有子区域的误差数据；

3）将通过小口径干涉仪组件（4）最少转动一周采集得到的待测光学元件所有子区域的误差数据拼接得到全口径数据。

8.根据权利要求7所述的超精密车削加工在位检测装置的应用方法，其特征在于，步骤2）中调整超精密车削加工在位检测装置的位置并通过小口径干涉仪组件（4）采集该姿态对应子区域的误差数据的步骤包括：

2.1）通过五维精密调整台（2）将计算全息图板（5）对准小口径干涉仪组件（4）的光路；

2.2）通过机床和三维精密调整台（1）调整小口径干涉仪组件（4）的光路，使得小口径干涉仪组件（4）的光路对准待测光学元件；

2.3）通过三维精密调整台（1）调整小口径干涉仪组件（4）的光路直至产生干涉条纹，并通过解算干涉条纹获得该姿态对应子区域的误差数据。

9.根据权利要求8所述的超精密车削加工在位检测装置的应用方法，其特征在于，步骤2.1）中将计算全息图板（5）对准小口径干涉仪组件（4）的光路是指使计算全息图板（5）上的光路对准微结构单元反射的光点处于小口径干涉仪组件（4）的视场内十字叉指示线中心。

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