CN113124774A - 一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，包括垂直线性运动组件、中控旋转组件、水平径向扫描组件及曲面镜定心定位旋转组件；垂直线性运动组件包括电机、导轨和垂直承载滑块；中控旋转组件包括旋转电机、旋转轴承和支撑架；水平径向扫面组件包括电机、导轨、承载滑块及激光传感器；曲面镜定心定位旋转组件包括卡盘、三个可移动等高球面支撑爪、水平仪及定位挡板。本发明由各组件带动激光传感器沿中控旋转平台中心线的垂直方向及不同半径周向旋转运动，实现了激光传感器的初始位置标定、曲面镜的局部面形误差测量及曲面三维扫描；曲面镜定心定位旋转组件为曲面镜的中心定位及局部等曲率半径的提供了精确移动及支撑作用。

Description

一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统
技术领域
本发明属于光电测试技术领域，涉及一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统。
背景技术
曲面镜在光学产品和光学工程中有大量应用，目前曲面镜的制备有传统的数控加工+精密磨削及模压+研磨，其粗制备的镜面面形误差已达10-2mm级，精加工的镜面面形误差可达10-4mm，高精密的镜面制备对镜面质量的检查技术也提出了更高要求，现阶段曲面镜的面形误差多采用光学干涉的方法+图像识别处理的方法进行测量，其测量装置复杂，成本较高。目前便携的测量方式，采用的是手动旋转探针测量法，测量效率低，精度低，不能直观的反应整个镜面的质量非分布情况，因此需要设计一套自动化程度高，测量精度高、测试效率高、成本低的测试装置。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，保证测量精度的前提下，对曲面镜的局部面形误差进行激光非接触测量，同时可以完成整个曲面镜的面形三维扫描重构，获得曲面镜的口径、曲率半径等关键参数。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其包括垂直线性运动组件1、中控旋转组件2、水平径向扫描组件3及曲面镜定心定位旋转组件4；中控旋转组件2安装在垂直线性运动组件1上且可上下运动，水平径向扫描组件3安装在中控旋转组件2底部，水平径向扫描组件3相对中控旋转组件2能够作旋转运动，水平径向扫描组件3上安装能够水平运动的激光传感器14，曲面镜定心定位旋转组件4布置在水平径向扫描组件3正下方，其上安放曲面镜，曲面镜定心定位旋转组件4中卡盘中心线与中控旋转组件2的旋转轴中心线重合。
本发明还提供一种使用上述曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统的双曲线曲面镜面形误差直接检测方法，其过程为：
1)将曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统放置在气动平台上，调整平台使水平仪微液滴处于中心位置；
2)将曲面镜放置在曲面镜定心定位旋转组件的三个可移动等高球面支撑爪上，根据曲面镜的半径，调节支撑爪在卡槽的位置，然后通过螺母固定支撑爪；
3)打开激光传感器使从激光传感器发射口发出，光斑打在所测位置，控制垂直线性运动组件中电机Ⅰ，垂直承载滑块Ⅰ带动中控旋转组件和水平径向扫面组件垂直运动，同时观察激光传感器上的数据显示，当激光传感器数据显示达到中心测量距离，停止电机Ⅰ运行；
4)设置水平径向扫面组件中电机Ⅲ的行程和转速，设置中控旋转组件中电机Ⅱ的转速和启停间隔，电机Ⅲ在完成一个完整的行程后，电机Ⅱ转动一个丝,再进行电机Ⅱ的下一个行程；
5)将激光传感器的测量数据及电机Ⅱ、电机Ⅲ带动激光传感器的运动轨迹，实时传输到上位机，进行轨迹重构，以激光传感器测量的相对距离为Z轴、以激光传感器光斑水平运动距离为X轴，以中控旋转组件的旋转角度为Y轴，进行曲面镜局部面形误差测量。
本发明又提供一种使用上述曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统的单凹球面曲面镜三维面形扫描方法，其过程为：
1)将曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统放置在气动平台上，调整平台使水平仪微液滴处于中心位置；
2)将单凹球面曲面镜放置在曲面镜定心定位旋转组件的三个可移动等高球面支撑爪上，根据曲面镜的半径，调节支撑爪在卡槽的位置，然后通过螺母固定支撑爪，将挡板紧靠在曲面镜边缘，固定挡板；
3)打开激光传感器使激光从激光传感器发射口发出，激光传感器发射口接受反射激光，控制垂直线性运动组件中电机Ⅰ，垂直承载滑块Ⅰ带动中控旋转组件和水平径向扫面组件垂直运动，同时观察激光传感器上的数据显示，当激光传感器数据显示达到中心测量距离，停止电机Ⅰ运行；
4)设置水平径向扫描组件中电机Ⅲ的步进和启停间隔，电机Ⅲ每前进一个步进，停止时间t1；设置中控旋转组件中电机Ⅱ的转速U0，电机Ⅱ在完成完整的周转运动后，电机Ⅲ运动到下一个步进,依次完成整个曲面镜的面形扫描；
5)将激光传感器的测量数据及电机Ⅱ、电机Ⅲ带动激光传感器的运动轨迹，实时传输到上位机，建立球面极坐标，以激光传感器测量的相对距离为Z轴、以激光传感器光斑水平运动距离为X轴，以中控旋转组件的旋转角度为激光传感器光斑与中心连线相对X轴的角度α，进行轨迹重构，完成三维面形扫描。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统及方法，可快速、准确的检测曲面镜的面形误差，并通过三维面形重构，直观的获得曲面镜的局部缺陷，尤其是在曲面镜抛光和磨削阶段的粗制备阶段，可迅速的定位面形缺陷，指导曲面镜的下一步精加工工艺。该装置操作简单，成本低，检测方法效率高、准确，为曲面镜的面形误差检测提供了便捷的方法和装置。
附图说明
图1为本发明中的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统装置总体结构示意图；
图2为本发明中的垂直线性运动组件和中控旋转组件支撑架组装结构的左视示意图；
图3为本发明中的垂直线性运动组件和中控旋转组件支撑架组装结构的正等侧视示意图；
图4为本发明中的中控旋转组件的正等侧视结构示意图；
图5为本发明中的中控旋转组件的左视结构示意图；
图6为本发明中的曲面镜定心定位旋转组件结构示意图；
图7为本发明中的等高球面支撑爪的结构示意图；
图8为本发明中的激光传感器示意图；
图1中，1.垂直线性运动组件 2.中控旋转组件 3.水平径向扫描组件 4.曲面镜定心定位旋转组件 5.电机Ⅰ 6.垂直承载滑块Ⅰ 7.导轨Ⅰ 8.支撑基座 9.电机Ⅱ 10.旋转轴承 11.支撑架 12.电机Ⅲ 13.承载滑块Ⅱ 14.激光传感器 15.导轨Ⅱ 16.螺钉Ⅰ 17.螺钉Ⅱ 18.卡盘 19.等高球面支撑爪 20.球面柱 21.定位挡板 22.水平仪 23.螺母 24.螺柱。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1至图7所示，本实施例曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统包括垂直线性运动组件1、中控旋转组件2、水平径向扫描组件3及曲面镜定心定位旋转组件4；中控旋转组件2安装在垂直线性运动组件1上且可上下运动，水平径向扫描组件3安装在中控旋转组件2底部，水平径向扫描组件3相对中控旋转组件2能够作旋转运动，水平径向扫描组件3上安装能够水平运动的激光传感器14，曲面镜定心定位旋转组件4布置在水平径向扫描组件3正下方，其上安放曲面镜，曲面镜定心定位旋转组件4中卡盘中心线与中控旋转组件2的旋转轴中心线重合。
其中，垂直线性运动组件1包括电机Ⅰ5、导轨Ⅰ7、垂直承载滑块Ⅰ6、支撑基座8；支撑基座8包括水平支撑部和竖直安装部，导轨Ⅰ7和电机Ⅰ5安装在竖直安装部上，导轨Ⅰ7竖直布置，垂直承载滑块Ⅰ6安装在导轨Ⅰ7上，中控旋转组件2安装在垂直承载滑块Ⅰ6上，通过控制电机Ⅰ5，调整垂直承载滑块Ⅰ6在导轨Ⅰ7上沿竖直方向运动。
中控旋转组件2包括电机Ⅱ9、旋转轴承10和支撑架11；支撑架11上设置有螺纹孔，垂直承载滑块Ⅰ6上设置有螺纹孔，使用螺钉Ⅰ16、螺钉Ⅱ17穿过螺纹孔将支撑架11与垂直承载滑块Ⅰ6连接；旋转轴承10安装在支撑架11上，水平径向扫描组件3连接旋转轴承10；电机Ⅱ9安装在支撑架11上，驱动旋转轴承10带动水平径向扫描组件3旋转。
水平径向扫描组件3包括电机Ⅲ12、导轨Ⅱ15、水平承载滑块Ⅱ13及激光传感器14；导轨Ⅱ15连接旋转轴承10，水平承载滑块Ⅱ13安装在导轨Ⅱ15上，激光传感器14设置在水平承载滑块Ⅱ13上，两者通过胶粘连接，电机Ⅲ12驱动水平承载滑块Ⅱ13沿导轨Ⅱ15滑动。
曲面镜定心定位旋转组件4放置在支撑基座8上，可手动移动；曲面镜定心定位旋转组件4包括卡盘18、三个可移动等高球面支撑爪19、水平仪22及定位挡板21；卡盘18为圆形，其上沿径向均匀间隔开设有三个卡槽，三个可移动等高球面支撑爪19布置在卡槽内，可沿卡槽移动，移动到位后，可通过螺母23和螺栓24固定定位；水平仪22嵌入在卡盘18上。曲面镜放置在三个可移动等高球面支撑爪19上，曲面镜可自由旋转和移动；定位挡板21布置在卡盘18上的径向板槽内，能够立起和放平，定位挡板21立起时，对曲面镜外周定位。
垂直线性运动组件1、中控旋转组件2、水平径向扫描组件3分别通过电机Ⅰ5、电机Ⅱ9和电机Ⅲ12联动控制，实现激光传感器14沿中控旋转平台中心线的垂直方向及不同距离的周向旋转运动。
曲面镜定心定位旋转组件4中三个可移动等高球面支撑爪19，在曲面镜移动时，可时时顶在曲面镜一侧，以曲面镜的一侧镜面为基准，保证了曲面镜处处厚度相等，以此进行曲面镜局部面形误差测量。
在进行三维面形扫描时，曲面镜定心定位旋转组件4中卡盘中心线与中控旋转轴中心线重合，激光中心测量点初始位置为卡盘中心位置。
本实施例中，垂直线性运动组件1主要是带动中控旋转组件2和水平径向扫描组件3上下运动，同时调节激光传感器14测量的初始中心位置，因此垂直线性运动组件应具有足够的垂直承载能力和运动精度。
垂直线性运动组件1水平负载可达150kg，垂直载重为70kg，而中控旋转组件2和水平径向扫描组件3共重7kg，远小于垂直运动组件1的载重范围，垂直线性运动组件1有效行程为500mm；激光传感器采用的波长为625nm的激光，其中心测量位置为100mm，测量范围为±35mm。
支撑架11必须具有一定的刚度，避免中控旋转组件2和水平径向扫描组件3上下运动时，支撑刚度不足，导致激光传感器上下晃动，影响测量精度，甚至由于曲面镜表面面形误差较小，激光传感器上下晃动引起的误差大于曲面镜面形误差，导致其无法进行测量。
本发明实施案例中，中控旋转平台2主要影响测量精度是旋转平台的平行度，旋转平台的平行度直接反映在局部面形测量时激光位置点的跳变。
垂直线性运动组件1选择的是安卡传动科技GX150重型大负载精密直线导轨滑台，中控旋转组件2选择的是汉斯科技HSK的MTG200-10/18-N旋转平台，水平径向扫描组件3选择的是藤原科技的线性移动导轨，其余部件自主设计制备。
实施例1
本实施案例以直径
Figure BDA0003011946780000061
的双曲线曲面镜面形误差直接检测为例。
1)将曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统放置在气动平台上，调整平台使水平仪微液滴处于中心位置。
2)将曲面镜放置在曲面镜定心定位旋转组件的三个可移动等高球面支撑爪上，根据曲面镜的半径，调节支撑爪在卡槽的位置，然后通过螺母固定支撑爪。
3)打开激光传感器使从激光传感器发射口25发出，光斑打在所测位置，控制垂直线性运动组件中电机Ⅰ，垂直承载滑块Ⅰ带动中控旋转组件和水平径向扫面组件垂直运动，同时观察激光传感器上的数据显示，当激光传感器数据显示达到中心测量距离，停止电机Ⅰ运行。
4)设置水平径向扫面组件中电机Ⅲ的行程和转速，设置中控旋转组件中电机Ⅱ的转速和启停间隔，保证在电机Ⅲ在完成一个完整的行程后，电机Ⅱ转动一个丝(360°/6000),再进行电机Ⅱ的下一个行程。
5)将激光传感器的测量数据及电机Ⅱ、Ⅲ带动激光传感器的运动轨迹，实时传输到上位机，进行轨迹重构，以激光传感器测量的相对距离为Z轴、以激光传感器光斑水平运动距离为X轴，以中控旋转组件的旋转角度为Y轴，进行曲面镜局部面形误差测量。
实施例2
以直径
Figure BDA0003011946780000071
的单凹球面曲面镜三维面形扫描。
1)将本专利所述的一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统装置放置在气动平台上，调整平台使水平仪微液滴处于中心位置。
2)将单凹球面曲面镜放置在曲面镜定心定位旋转组件的三个可移动等高球面支撑爪上，根据曲面镜的半径，调节支撑爪在卡槽的位置，然后通过螺母固定支撑爪，将挡板紧靠在曲面镜边缘，固定挡板。
3)打开激光传感器使激光从激光传感器发射口25发出，激光传感器发射口26接受反射激光，控制垂直线性运动组件中电机Ⅰ，垂直承载滑块Ⅰ带动中控旋转组件和水平径向扫面组件垂直运动，同时观察激光传感器上的数据显示，当激光传感器数据显示达到中心测量距离(100mm)，停止电机Ⅰ运行。
4)设置水平径向扫描组件中电机Ⅲ的步进和启停间隔，电机Ⅲ每前进一个步进，停止时间t1(t1≥2R曲率半径/U0)；设置中控旋转组件中电机Ⅱ的转速U0，电机Ⅱ在完成完整的周转运动后，电机Ⅲ运动到下一个步进,依次完成整个曲面镜的面形扫描。
5)将激光传感器的测量数据及电机Ⅱ、Ⅲ带动激光传感器的运动轨迹，实时传输到上位机，建立球面极坐标，以激光传感器测量的相对距离为Z轴、以激光传感器光斑水平运动距离为X轴，以中控旋转组件的旋转角度为激光传感器光斑与中心连线相对X轴的角度α，进行轨迹重构，完成三维面形扫描。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，包括垂直线性运动组件(1)、中控旋转组件(2)、水平径向扫描组件(3)及曲面镜定心定位旋转组件(4)；中控旋转组件(2)安装在垂直线性运动组件(1)上且可上下运动，水平径向扫描组件(3)安装在中控旋转组件(2)底部，水平径向扫描组件(3)相对中控旋转组件(2)能够作旋转运动，水平径向扫描组件(3)上安装能够水平运动的激光传感器(14)，曲面镜定心定位旋转组件(4)布置在水平径向扫描组件(3)正下方，其上安放曲面镜，曲面镜定心定位旋转组件(4)中卡盘中心线与中控旋转组件(2)的旋转轴中心线重合。
2.如权利要求1所述的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，所述垂直线性运动组件(1)包括电机Ⅰ(5)、导轨Ⅰ(7)、垂直承载滑块Ⅰ(6)、支撑基座(8)；支撑基座(8)包括水平支撑部和竖直安装部，导轨Ⅰ(7)和电机Ⅰ5安装在竖直安装部上，导轨Ⅰ(7)竖直布置，垂直承载滑块Ⅰ(6)安装在导轨Ⅰ(7)上，中控旋转组件(2)安装在垂直承载滑块Ⅰ(6)上，通过控制电机Ⅰ5，调整垂直承载滑块Ⅰ6在导轨Ⅰ(7)上沿竖直方向运动。
3.如权利要求2所述的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，所述中控旋转组件(2)包括电机Ⅱ(9)、旋转轴承(10)和支撑架(11)；支撑架(11)上设置有螺纹孔，垂直承载滑块Ⅰ(6)上设置有螺纹孔，使用螺钉Ⅰ(16)、螺钉Ⅱ(17)穿过螺纹孔将支撑架(11)与垂直承载滑块Ⅰ(6)连接；旋转轴承(10)安装在支撑架(11)上，水平径向扫描组件(3)连接旋转轴承(10)；电机Ⅱ(9)安装在支撑架(11)上，驱动旋转轴承(10)带动水平径向扫描组件(3)旋转。
4.如权利要求3所述的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，所述水平径向扫描组件(3)包括电机Ⅲ(12)、导轨Ⅱ(15)、水平承载滑块Ⅱ(13)及激光传感器(14)；导轨Ⅱ(15)连接旋转轴承(10)，水平承载滑块Ⅱ(13)安装在导轨Ⅱ(15)上，激光传感器(14)设置在水平承载滑块Ⅱ(13)上，两者通过胶粘连接，电机Ⅲ(12)驱动水平承载滑块Ⅱ(13)沿导轨Ⅱ(15)滑动。
5.如权利要求4所述的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，所述曲面镜定心定位旋转组件(4)包括卡盘(18)、三个可移动等高球面支撑爪(19)、水平仪(22)及定位挡板(21)；卡盘(18)为圆形，其上沿径向均匀间隔开设有三个卡槽，三个可移动等高球面支撑爪(19)布置在卡槽内，可沿卡槽移动，移动到位后，通过螺母(23)和螺栓(24)固定定位；水平仪(22)嵌入在卡盘(18)上；曲面镜放置在三个可移动等高球面支撑爪(19)上，曲面镜自由旋转和移动。
6.如权利要求5所述的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，所述曲面镜定心定位旋转组件(4)还包括：定位挡板(21)，布置在卡盘(18)上的径向板槽内，能够立起和放平，定位挡板(21)立起时，对曲面镜外周定位。
7.如权利要求6所述的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，所述垂直线性运动组件(1)水平负载150kg，垂直载重为70kg，垂直线性运动组件(1)有效行程为500mm；激光传感器采用的波长为625nm的激光，其中心测量位置为100mm，测量范围为±35mm。
8.如权利要求7所述的曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，其特征在于，所述垂直线性运动组件(1)选用安卡传动科技GX150重型大负载精密直线导轨滑台，中控旋转组件(2)选用汉斯科技的MTG200-10/18-N旋转平台，水平径向扫描组件(3)选用藤原科技的线性移动导轨使用权利要求。
9.使用权利要求8所述曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统的双曲线曲面镜面形误差直接检测方法，其特征在于，检测方法的过程为：
1)将曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统放置在气动平台上，调整平台使水平仪微液滴处于中心位置；
2)将曲面镜放置在曲面镜定心定位旋转组件的三个可移动等高球面支撑爪上，根据曲面镜的半径，调节支撑爪在卡槽的位置，然后通过螺母固定支撑爪；
3)打开激光传感器使从激光传感器发射口发出，光斑打在所测位置，控制垂直线性运动组件中电机Ⅰ，垂直承载滑块Ⅰ带动中控旋转组件和水平径向扫面组件垂直运动，同时观察激光传感器上的数据显示，当激光传感器数据显示达到中心测量距离，停止电机Ⅰ运行；
4)设置水平径向扫面组件中电机Ⅲ的行程和转速，设置中控旋转组件中电机Ⅱ的转速和启停间隔，电机Ⅲ在完成一个完整的行程后，电机Ⅱ转动一个丝,再进行电机Ⅱ的下一个行程；
5)将激光传感器的测量数据及电机Ⅱ、电机Ⅲ带动激光传感器的运动轨迹，实时传输到上位机，进行轨迹重构，以激光传感器测量的相对距离为Z轴、以激光传感器光斑水平运动距离为X轴，以中控旋转组件的旋转角度为Y轴，进行曲面镜局部面形误差测量。
10.使用权利要求8所述曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统的单凹球面曲面镜三维面形扫描方法，其特征在于，扫描方法的过程为：
1)将曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统放置在气动平台上，调整平台使水平仪微液滴处于中心位置；
2)将单凹球面曲面镜放置在曲面镜定心定位旋转组件的三个可移动等高球面支撑爪上，根据曲面镜的半径，调节支撑爪在卡槽的位置，然后通过螺母固定支撑爪，将挡板紧靠在曲面镜边缘，固定挡板；
3)打开激光传感器使激光从激光传感器发射口发出，激光传感器发射口接受反射激光，控制垂直线性运动组件中电机Ⅰ，垂直承载滑块Ⅰ带动中控旋转组件和水平径向扫面组件垂直运动，同时观察激光传感器上的数据显示，当激光传感器数据显示达到中心测量距离，停止电机Ⅰ运行；
4)设置水平径向扫描组件中电机Ⅲ的步进和启停间隔，电机Ⅲ每前进一个步进，停止时间t1；设置中控旋转组件中电机Ⅱ的转速U0，电机Ⅱ在完成完整的周转运动后，电机Ⅲ运动到下一个步进,依次完成整个曲面镜的面形扫描；
5)将激光传感器的测量数据及电机Ⅱ、电机Ⅲ带动激光传感器的运动轨迹，实时传输到上位机，建立球面极坐标，以激光传感器测量的相对距离为Z轴、以激光传感器光斑水平运动距离为X轴，以中控旋转组件的旋转角度为激光传感器光斑与中心连线相对X轴的角度α，进行轨迹重构，完成三维面形扫描。
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