CN112815871B - 一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统 - Google Patents

Abstract

一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，包括一对位移传感器及其位姿调整机构、大行程直线导轨、待测大口径平面光学元件、旋转机构及其角度调整机构和倾角测量仪，一对位移传感器反向共轴设置；控制器位移传感器沿大行程直线导轨移动，同时位移传感器测量其距离大口径平面光学元件测量面上测量线的距离，其中测量前将三面待检测的大口径平面光学元件两两组合后，依次按角度线进行扫描测量；控制倾角测量仪测量大口径平面光学元件测量面倾角变化；根据测量的大口径平面光学元件测量面倾角变化、位移传感器距离大口径平面光学元件测量面上测量线的距离，进行三面互检面形分离算法以及三维面形的重建后对大口径平面光学元件测量面进行平面度评定。

Description

一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，更具体的说，特别涉及一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统。

背景技术

大口径平面光学元件在惯性约束聚变激光驱动装置ICF等领域有着广泛的应用，大口径平面光学元件的面形质量直接影响高精度光学系统的性能，因此需要对其进行准确测量。

目前针对大口径平面光学元件的面形测量主要采用斐索型平面干涉仪，利用移项干涉技术将准直光束分成参考光和待测光，两束光相干叠加形成干涉图像，完成面形相对测量，测量过程中需要使用标准平晶，高精度大口径标准平晶加工难度大，基于移相干涉的斐索型平面干涉仪测量精度受制于标准平晶参考面的精度，同时标准平晶口径直接限制了平面光学元件最大测量口径。

因此，现有技术存在的问题，有待于进一步改进和发展。

发明内容

（一）发明目的：本发明的目的是提供一种有效扩大测量口径，不需要使用参考面，测量结果直接溯源到激光波长基准的大口径平面光学元件面形绝对测量系统的测量方法。

（二）技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，包括控制器、一对位移传感器及其位姿调整机构、大行程直线导轨、待测大口径平面光学元件、旋转机构及其角度调整机构和倾角测量仪，所述控制器分别与所述的一对位移传感器及其位姿调整机构、所述大行程直线导轨、所述旋转机构及其角度调整机构和所述倾角测量仪连接，所述旋转机构和所述角度调整机构组成大口径平面光学元件的底座，大口径平面光学元件固定在所述底座上；

所述控制器向所述位移传感器和所述大行程直线导轨发出测量命令，所述位移传感器沿所述大行程直线导轨移动，同时所述位移传感器测量其距离大口径平面光学元件测量面上测量线的距离；所述控制器向所述倾角测量仪发出倾角测量命令，所述倾角测量仪测量大口径平面光学元件测量面倾角变化；所述控制器根据测量的大口径平面光学元件测量面倾角变化、所述位移传感器距离大口径平面光学元件测量面上测量线的距离，对大口径平面光学元件测量面进行平面度评定。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述的一对位移传感器包括左位移传感器和右位移传感器，所述测量系统具体实现方法如下：

步骤1，所述控制器调整所述左位移传感器和所述右位移传感器反向共轴；

步骤2，所述控制器标记大口径平面光学元件测量面并按角度划分测量线；

步骤3，所述控制器将大口径平面光学元件测量面，平行对称放置于大行程直线导轨两侧；

步骤4，所述控制器将大口径平面光学元件测量面的测量线，按角度依次对应，并旋转至水平位置；

步骤5，所述控制器控制倾角测量仪测量大口径平面光学元件测量面倾角变化；

步骤6，所述控制器控制所述左位移传感器、所述右位移传感器沿所述大行程直线导轨扫描测量大口径平面光学元件对应角度测量线；

步骤7，所述控制器计算剔除测量面倾斜分量；

步骤8，判断当前大口径平面光学元件测量面内各角度测量线是否都完成测量，如果完成则执行步骤9，否则回到步骤4继续执行；

步骤9，判断全部待测大口径平面光学元件的测量面是否都完成测量，如果完成则执行步骤10，否则回到步骤3继续执行；

步骤10，所述控制器对大口径平面光学元件测量面进行平面度评定；

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述步骤1中，所述控制器通过所述位移传感器的位姿调整机构调整所述左位移传感器、所述右位移传感器，使所述左位移传感器、所述右位移传感器处于反向共轴状态。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述大口径平面光学元件包括有三块，所述步骤2具体包括将所述的三块大口径平面光学元件测量面分别标记为A、B、C，分别对三块大口径平面光学元件的每个测量面按角度划分测量线。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述步骤3具体为，所述控制器将大口径平面光学元件测量面A、B、C两两组合成AB、AC、BC，然后依次将AB、AC、BC平行对称放置于大行程直线导轨两侧。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述步骤4具体为，所述控制器通过旋转机构旋转大口径平面光学元件测量面，将左右测量面上的测量线按角度依次对应起来，再将其旋转至水平位置。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述步骤9中全部待测大口径平面光学元件的测量面，指AB、AC、BC三组测量面。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述步骤10包括：

步骤101，所述控制器分别控制测量获取A、B、C测量面内各角度测量线面形数据，即获取AB、AC、BC各角度线扫描组合测量数据，利用三面互检面形分离算法分离出A、B、C各角度面形；

步骤102，所述控制器利用所述步骤101中的A、B、C各角度面形数据，对大口径平面光学元件A、B、C分别进行三维面形重构；

步骤103，所述控制器对大口径平面光学元件测量面分别进行平面度评定。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述控制器在剔除左右位移传感器线扫描过程中测量面倾斜分量后，通过三面互检面形分离算法如式(1)(2)所示，得到A、B、C测量面内各角度测量线面形分布：

(1)

(2)

其中，/>，/>，/>分别表示大口径平面光学元件测量面A、B、C中角度为/>的测量线面形分布，即/>，/>，/>；/>表示组合测量面为AB，测量线角度为/>的左右位移传感器面形测量之和，/>、/>以此类推；/>表示组合测量面为AB，测量线角度为/>的单侧位移传感器面形测量结果，/>、/>等以此类推；/>表示线扫描过程中大行程直线导轨在位移传感器测量方向的变化量。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述步骤102具体为，将步骤101中三面互检的面形数据分离，二维数据转换成三维数据，完成大口径平面光学元件测量面三维面形重构。

所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其中，所述步骤10中平面度评定，是用最小区域法对步骤102中三维面形重构结果做平面度评定，计算大口径平面光学元件测量面A、B、C的平面度。

（三）有益效果：本发明提供一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，利用反向共轴测量模式依靠大行程直线导轨扫描技术有效扩大测量口径；利用多角度旋转三面互检法不需要使用参考面，避免引入参考面不确定度分量，实现面形的绝对测量。

附图说明

图1是本发明一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统具体实现方法的步骤示意图；

图2是左位移传感器和右位移传感器反向共轴示意图；

图3是大口径平面光学元件测量面角度划分示意图；

图4是大口径平面光学元件测量面A、B、C两两组合后放置于平行对称放置于大行程直线导轨两侧的三面互检示意图；

图5是反向共轴测量模式俯视示意图；

100-位移传感器；200-大口径平面光学元件；300-大行程直线导轨。

具体实施方式

下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

附图是本发明的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。

一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，用于高精度大口径平面光学元件的面形测量。

所述大口径平面光学元件面形绝对测量系统包括控制器、一对位移传感器及其位姿调整机构、大行程直线导轨、待测大口径平面光学元件、旋转机构及其角度调整机构和倾角测量仪，所述的一对位移传感器反向共轴设置；所述控制器分别与所述位移传感器及其位姿调整机构、所述大行程直线导轨、所述旋转机构及其角度调整机构和所述倾角测量仪连接。所述位姿调整机构与所述位移传感器可以一体设置，用于调整所述位移传感器的反向共轴，具体的说调整所述位移传感器角度，并且调整所述卫位移传感器的平移。所述角度调整机构与所述旋转机构可以一体设置，也可以是所述旋转机构和所述角度调整机构组成大口径平面光学元件的底座，大口径平面光学元件固定在所述底座上。所述角度调整机构用于调整所述旋转机构的旋转角度（即控制旋转机构按指定角度进行旋转调整），另外还对待测的大口径平面光学元件进行平移，以及其面形倾角进行调整。如图5所示，所述位移传感器包括左位移传感器和右位移传感器，所述左位移传感器和所述右位移传感器为两个同种型号的高精度位移传感器，这里以位移传感器为例，包括但不限于位移传感器。所述左位移传感器和所述右位移传感器反向共轴安装于所述大行程直线导轨上，，所述左位移传感器和所述右位移传感器的测量方向分别垂直于所述大行程直线导轨的运动方向。

所述大行程直线导轨可以是大行程精密大行程直线导轨，所述大行程直线导轨水平放置。所述左位移传感器和所述右位移传感器可以沿所述大行程直线导轨在水平方向上移动。

所述大行程直线导轨的两侧分别设置所述旋转机构及其所述角度调整机构，也可以是大口径平面光学元件包括有底座，所述底座设置在所述大行程直线导轨的两侧，所述底座包括有旋转机构、角度调整机构，这里不做具体限制。所述旋转机构、所述角度调整机构靠近所述大行程直线导轨的一侧放置待测量的大口径平面光学元件。所述大口径平面光学元件为像光学平晶、平面反射镜等大口径平面光学元件。所述待测量的大口径平面光学元件圆周方向缠绕米尺，所述待测量的大口径平面光学元件通过所述米尺长度数据将所述待测量的大口径平面光学元件按角度划分为若干个各角度测量线。

所述倾角测量仪设置在所述旋转机构远离所述大行程直线导轨的一侧，并且指向所述待测量的大口径平面光学元件。所述倾角测量仪用于测量，因旋转导致大行程直线导轨两侧的待测大口径平面光学元件测量面的倾角变化。所述倾角测量仪可以是光电自准值仪，也可以是其它用于测量倾角变化的倾角测量仪，这里不做具体限制。

一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统的具体实现方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1，所述控制器调整所述左位移传感器和所述右位移传感器反向共轴；

步骤2，所述控制器标记大口径平面光学元件测量面并按角度划分测量线；

步骤3，所述控制器将大口径平面光学元件测量面，平行对称放置于大行程直线导轨两侧；

步骤4，所述控制器将大口径平面光学元件测量面的测量线，按角度依次对应，并旋转至水平位置；

步骤5，所述控制器控制倾角测量仪测量大口径平面光学元件测量面倾角变化；

步骤6，所述控制器控制所述左位移传感器、所述右位移传感器沿所述大行程直线导轨扫描大口径平面光学元件对应角度测量线；

步骤7，所述控制器计算剔除测量面倾斜分量；

步骤8，判断当前大口径平面光学元件测量面内各角度测量线是否都完成测量，如果完成则执行步骤9，否则回到步骤4继续执行；

步骤9，判断全部待测大口径平面光学元件的测量面是否都完成测量，如果完成则执行步骤10，否则回到步骤3继续执行；

步骤10，所述控制器对大口径平面光学元件测量面进行平面度评定；

所述步骤1中，所述控制器通过所述位移传感器的位姿调整机构调整所述左位移传感器、所述右位移传感器，使所述左位移传感器、所述右位移传感器处于反向共轴状态，具体说，使所述左位移传感器、所述右位移传感器发出的光束反向共轴，如图2所示。

所述大口径平面光学元件包括有三块，所述步骤2具体包括将所述的三块大口径平面光学元件测量面分别标记为A、B、C，分别对三块大口径平面光学元件的每个测量面按角度划分测量线。

所述步骤3具体为，所述控制器将大口径平面光学元件测量面A、B、C两两组合成AB、AC、BC，然后依次将AB、AC、BC平行对称放置于大行程直线导轨两侧的旋转机构内。

所述步骤4具体为，所述控制器通过旋转机构旋转大口径平面光学元件测量面，将左右测量面上的测量线按角度依次对应起来，再将其旋转至水平位置。当仅有一个大口径平面光学元件面形需要测量，可仅旋转此面依次将其各角度测量线与水平位置对齐的方式简化测量过程。

所述步骤6中所述左位移传感器、所述右位移传感器同时扫描大口径平面光学元件对应角度测量线，具体操作方式为：所述左位移传感器、所述右位移传感器沿所述大行程直线导轨移动，测量放置于大行程直线导轨两侧的待测量的大口径平面光学元件测量面的整条测量线。

所述步骤9中全部待测大口径平面光学元件的测量面，指AB、AC、BC三组测量面。

所述步骤10包括：

步骤101，所述控制器分别控制测量获取A、B、C测量面内各角度测量线面形分布数据，即获取AB、AC、BC各角度线扫描组合测量数据，利用三面互检面形分离算法分离出A、B、C各角度面形，具体说，是分别获得AB、AC、BC三组测量面中位移传感器与待测面的距离；

步骤102，所述控制器利用所述步骤101中的A、B、C各角度面形数据，对大口径平面光学元件A、B、C分别进行三维面形重构；

步骤103，所述控制器对大口径平面光学元件测量面分别进行平面度评定。

所述控制器在剔除左右位移传感器线扫描过程中测量面倾斜分量后，通过三面互检面形分离算法如式(1)(2)所示，分离出大行程直线导轨传感器测量方向的直线度误差，得到A、B、C测量面内各角度测量线面形分布：

(1)

(2)

其中，/>，/>，/>分别表示大口径平面光学元件测量面A、B、C中角度为/>的测量线面形分布，即/>，/>，/>；/>表示组合测量面为AB，测量线角度为/>的左右位移传感器面形测量之和，/>、/>以此类推；/>表示组合测量面为AB，测量线角度为/>的单侧位移传感器面形测量结果，/>、/>等以此类推；/>表示线扫描过程中大行程直线导轨在位移传感器测量方向的变化量。

所述步骤102具体为，利用大口径平面光学元件测量面内各测量线角度信息，即将步骤101中三面互检的面形数据分离，二维数据转换成三维数据，完成大口径平面光学元件测量面三维面形重构。

所述步骤10中平面度评定，是用最小区域法对步骤92中三维面形重构结果做平面度评定，计算大口径平面光学元件测量面A、B、C的平面度。

一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统具有以下优势：

1、本发明利用反向共轴测量模式依靠大行程直线导轨扫描技术能够有效扩大测量口径，其次通过更换高精度传感器能够测量非光滑、不同材质的表面形貌；另外不仅能对大口径平面光学元件进行面形绝对测量，还能进行面形相对测量，最后能够分离出大行程直线导轨传感器测量方向的直线度误差，大幅降低导轨的精度要求；

2、本发明利用多角度旋转三面互检法，先将测量面两两组合再一一分离，不需要使用高精度参考面，能够避免引入参考面不确定度分量，测量结果直接溯源到激光波长基准。

以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，包括控制器、一对位移传感器及其位姿调整机构、大行程直线导轨、待测大口径平面光学元件、旋转机构及其角度调整机构和倾角测量仪，所述控制器分别与所述的一对位移传感器及其位姿调整机构、所述大行程直线导轨、所述旋转机构及其角度调整机构和所述倾角测量仪连接，所述旋转机构和所述角度调整机构组成大口径平面光学元件的底座，大口径平面光学元件固定在所述底座上；

所述控制器向所述位移传感器和所述大行程直线导轨发出测量命令，所述位移传感器沿所述大行程直线导轨移动，同时所述位移传感器测量其距离大口径平面光学元件测量面上测量线的距离；所述控制器向所述倾角测量仪发出倾角测量命令，所述倾角测量仪测量大口径平面光学元件测量面倾角变化；所述控制器根据测量的大口径平面光学元件测量面倾角变化、所述位移传感器距离大口径平面光学元件测量面上测量线的距离，对大口径平面光学元件测量面进行平面度评定；

所述的一对位移传感器包括左位移传感器和右位移传感器，所述测量系统具体实现方法如下：步骤1，所述控制器调整所述左位移传感器和所述右位移传感器反向共轴；步骤2，所述控制器标记大口径平面光学元件测量面并按角度划分测量线；步骤3，所述控制器将大口径平面光学元件测量面，平行对称放置于大行程直线导轨两侧；步骤4，所述控制器将大口径平面光学元件测量面的测量线，按角度依次对应，并旋转至水平位置；步骤5，所述控制器控制倾角测量仪测量大口径平面光学元件测量面倾角变化；步骤6，所述控制器控制所述左位移传感器、所述右位移传感器沿所述大行程直线导轨扫描测量大口径平面光学元件对应角度测量线；步骤7，所述控制器计算剔除测量面倾斜分量；步骤8，判断当前大口径平面光学元件测量面内各角度测量线是否都完成测量，如果完成则执行步骤9，否则回到步骤4继续执行；步骤9，判断全部待测大口径平面光学元件的测量面是否都完成测量，如果完成则执行步骤10，否则回到步骤3继续执行；步骤10，所述控制器对大口径平面光学元件测量面进行平面度评定。

2.根据权利要求1所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述步骤1中，所述控制器通过所述位移传感器的位姿调整机构调整所述左位移传感器、所述右位移传感器，使所述左位移传感器、所述右位移传感器处于反向共轴状态。

3.根据权利要求1所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述大口径平面光学元件包括有三块，所述步骤2具体包括将所述的三块大口径平面光学元件测量面分别标记为A、B、C，分别对三块大口径平面光学元件的每个测量面按角度划分测量线。

4.根据权利要求1所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述步骤3具体为，所述控制器将大口径平面光学元件测量面A、B、C两两组合成AB、AC、BC，然后依次将AB、AC、BC平行对称放置于大行程直线导轨两侧。

5.根据权利要求1所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述步骤4具体为，所述控制器通过旋转机构旋转大口径平面光学元件测量面，将左右测量面上的测量线按角度依次对应起来，再将其旋转至水平位置。

6.根据权利要求1所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述步骤9中全部待测大口径平面光学元件的测量面，指AB、AC、BC三组测量面。

7.根据权利要求1所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述步骤10包括：

步骤101，所述控制器分别控制测量获取A、B、C测量面内各角度测量线面形数据，即获取AB、AC、BC各角度线扫描组合测量数据，利用三面互检面形分离算法分离出A、B、C各角度面形；

步骤102，所述控制器利用所述步骤101中的A、B、C各角度面形数据，对大口径平面光学元件A、B、C分别进行三维面形重构；

步骤103，所述控制器对大口径平面光学元件测量面分别进行平面度评定。

8.根据权利要求7所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述步骤102具体为，将步骤101中三面互检的面形数据分离，二维数据转换成三维数据，完成大口径平面光学元件测量面三维面形重构。

9.根据权利要求7所述一种大口径平面光学元件面形绝对测量系统，其特征在于，所述步骤10中平面度评定，是用最小区域法对步骤102中三维面形重构结果做平面度评定，计算大口径平面光学元件测量面A、B、C的平面度。