CN113175893A - 基于多误差实时补偿的光学自由曲面全口径检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置及方法，用于检测自由曲面光学元件，包括X轴运动执行系统、Y轴运动执行系统和Z轴运动执行系统；Y轴位置测量系统用于测量X轴运动执行系统在Y轴上的位置；X轴位置测量系统用于测量Z轴运动执行系统在X轴上的位置；双轴倾角传感器用于检测所述非接触位移测头在沿X轴、Y轴运动时，非接触位移测头分别在XZ和YZ平面内的空间姿态变化量，Z轴位置测量系统用于测量非接触位移测头在Z轴上的位置；非接触位移测头沿自由曲面光学元件表面扫描运动。本发明避免测量过程中对元件表面的破坏，并实时补偿测量运动误差，提高大口径自由曲面光学元件面形误差测量精度。

Description

基于多误差实时补偿的光学自由曲面全口径检测方法

技术领域

本发明涉及光学超精密加工技术领域，具体涉及一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测方法。

背景技术

相对于传统的球面光学元件，自由曲面光学元件(如离轴非球面)在光学性能、安调空间、重量限制等方面具有诸多优越性能，已在现代大型超精密光学系统中得到广泛应用。由于自由曲面光学元件具有非旋转对称性，因此一般采用超精密磨削加工的方式实现元件的精密成形加工。磨削成形加工精度，是影响元件后续抛光加工效率、精度以及元件最终使用性能的关键技术指标。光学元件面形误差的高精度检测，一般使用平面干涉仪或球面干涉仪进行测量。磨削加工过程中，硬脆光学材料脆性断裂去除，元件亚表层会产生大量的微裂纹缺陷，导致元件的透光率或反射率较低，难易获得稳定的干涉条纹，因此难以实现元件精度的测量。

中国专利CN201510960082.9提供了一种用于超高精度凹非球面检测的补偿器光学系统，包括透射组、补偿组和待检非球面凹镜，透射组透射球面波，补偿组将透射组提供的球面波转化为与待检非球面凹镜匹配的非球面波。中国专利CN202010640723.3提供了一种基于液体透镜的非球面检测方法，该方法主要是根据液体透镜的特性实现了自变焦的功能，又由非球面的补偿原理，可以相应的设计出由液体透镜进行补偿的补偿镜，在检测过程中完全补偿非球面的法线像差，产生与理想非球面一致波前，进而可以分析非球面的面形误差信息。中国专利CN201110367837.6提供了一种基于条纹反射的离轴非球面镜检测方法，测量系统由被测镜、显示屏和CCD摄像机组成。首先以离轴非球面镜中心建立世界坐标系，并得到世界坐标系、显示屏坐标系及摄像机坐标系之间的关系。测量时，在显示屏上正(余)弦周期性条纹图样，投影在被测镜上被反射回来，由摄像机进行拍摄。通过相移技术及相位展开技术得到相位分布，再结合各坐标之间的关系得到被测非球面的法线向量分布，最后积分重建被测离轴非球面的面形高度信息。

已公开的大口径非球面检测方法，基本都是基于光学干涉测量原理，获得被测表面与参考表面的波前误差，最终解算得到元件的面形误差。针对磨削加工后的光学元件，由于表面透光率或反射率均较低，难以获得稳定清晰的干涉条纹，无法实现元件面形误差的高精度检测。采用成熟的三坐标测量机进行自由曲面面形误差的测量，在测量过程中接触式测针会在光学表面造成二次破坏并产生更深的裂纹缺陷，并且测针球头误差及其解算方法均会引入测量误差，以及测量机自身的机械运动误差，最终导致综合测量精度难以达到亚微米级别的使用要求。

因此，针对大口径自由曲面光学元件超精密制造过程中，如何实现元件面形误差非破坏性高精度测量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测方法，避免测量过程中对元件表面的破坏，并实时补偿测量运动误差，通过后置数据处理算法去除测量运动误差，提高测量精度，解决了大口径自由曲面光学元件超精密制造过程中面形误差高精度检测的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置，用于检测自由曲面光学元件，包括X轴运动执行系统、Y轴运动执行系统和Z轴运动执行系统；

所述Y轴运动执行系统上安装所述X轴运动执行系统和Y轴位置测量系统，Y轴运动执行系统用于驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动，Y轴位置测量系统用于测量X轴运动执行系统在Y轴上的位置；

所述X轴运动执行系统上安装所述Z轴运动执行系统和X轴位置测量系统，X轴运动执行系统用于驱动Z轴运动执行系统沿X轴运动，X轴位置测量系统用于测量Z轴运动执行系统在X轴上的位置；

所述Z轴运动执行系统上安装双轴倾角传感器、非接触位移测头和Z轴位置测量系统；Z轴运动执行系统用于驱动双轴倾角传感器和非接触位移测头沿Z轴运动；所述双轴倾角传感器用于检测所述非接触位移测头在沿X轴、Y轴运动时，非接触位移测头分别在XZ和YZ平面内的空间姿态变化量，Z轴位置测量系统用于测量非接触位移测头在Z轴上的位置；

所述非接触位移测头位于所述自由曲面光学元件的顶端，按照预设的自由曲面轨迹，沿自由曲面光学元件表面扫描运动。

优选的，所述Y轴运动执行系统通过丝杆结构驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动。

优选的，所述X轴运动执行系统通过丝杆结构驱动Z轴运动执行系统沿X轴运动。

优选的，所述Z轴运动执行系统通过丝杆结构驱动双轴倾角传感器和非接触位移测头沿Z轴运动沿Z轴运动；所述非接触位移测头位于丝杆结构的末端，所述双轴倾角传感器和所述非接触位移测头固连。

优选的，所述X轴位置测量系统、Y轴位置测量系统和Z轴位置测量系统均包括位置测量传感器和反射镜，其中，所述位置测量传感器和反射镜分别设置在待测距离的静止端和相对移动端，位置测量传感器向所述反射镜发射激光束，并接收反射镜反射回的激光束，实现待测距离的测量。

本发明公开的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置能够以非接触的形式实现对自由曲面光学元件的面形误差扫描检测，避免测量过程中对元件表面的破坏，有效提高了测量精度，并实现了对不同大口径自由曲面元件的全口径扫描路径的准确控制。

本发明还提供了一种利用上述基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测系统的自由曲面光学元件全口径检测方法，包括如下步骤：

S1、控制非接触位移测头按照全口径测量正交同向光栅式扫描轨迹对所述自由曲面光学元件表面进行扫描运动；

S2、双轴倾角传感器测量得到的非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时，非接触位移测头相对于X轴和Y轴的倾角，并解算得到X轴和Y轴在Z轴方向的运动直线度误差；

S3、结合自由曲面光学元件扫描区域内部的X轴位置数据，Y轴位置数据，Z轴位置数据，解算得到自由曲面表面点的三维坐标；

S4、将自由曲面表面点三维坐标带入自由曲面理论方程，解算得到自由曲面的面形误差。

优选的，所述S2中，根据下式解算得到X轴和Y轴在Z方向的运动直线度误差：

式中：e_x、e_y分别为非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时的直线度误差；

α_x、α_y分别为双轴倾角传感器测量得到的非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时，非接触位移测头相对于X轴和Y轴的倾角；

L_x、L_y分别为扫描区域X轴和Y轴的长度。

优选的，所述S3中，根据下式解算得到自由曲面表面点的三维坐标(x_m,y_m,z_m)：

式中：(x_m,y_m,z_m)为自由曲面表面点的三维坐标；

x_p为X轴位置测量系统测量得到的坐标；

H_x为元件表面距离X轴滑块的距离；

y_pA、y_pB分别为Y轴位置测量系统A和Y轴位置测量系统B测量得到的坐标；Y轴位置测量系统A和Y轴位置测量系统B分别架设于Y轴运动执行系统A、Y轴运动执行系统B上，且Y轴运动执行系统A、Y轴运动执行系统B平行设置，同步驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动；

H_y为元件表面距离Y轴滑块的距离；

z_p为Z轴位置测量系统测量得到的坐标；

e_m为非接触位移测头测量得到的数据；

e_x、e_y分别为非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时的直线度误差。

优选的，所述e_m的计算步骤包括：

根据测量轨迹交叉点进行分段，并将在交叉点处X向扫描测量值和Y向扫描测量值进行平均，得到的平均值为所述交叉点的误差值；

将平均值与X向扫描测量值求差，并计算与交叉点所在当前数据段长度商值的反正切，得到当前数据段的倾斜角α；

将当前数据段反向旋转α角度，实现当前数据段的调整处理；

其他数据段以相同的方法进行调整处理，得到处理后的非接触位移测头数据e_m。

所述S4中，根据下式解算得到自由曲面的面形误差：

e＝z_m-f(x_m,y_m)

式中：e为自由曲面面形误差；

(x_m,y_m,z_m)为自由曲面表面点的三维坐标；

f为自由曲面方程。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明通过多传感器实时测量非接触位移测头运动过程中，由于机械误差而引入的运动误差，并通过后续数据处理的方法实时补偿测量运动误差，提高元件测量精度，在保证测量效率的前提下，解决了大口径自由曲面光学元件超精密制造过程中面形误差高精度检测的问题。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图；

图1为本发明实施例提供的一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的X轴运动执行与位置测量系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的Y轴运动执行与位置测量系统结构示意图；

图4为本发明实施例提供的Z轴运动执行与位置测量系统结构示意图；

图5为本发明实施例提供的全口径测量扫描轨迹示意图。

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做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。

本实施例第一方面公开了一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测，参见图1，给出了基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置整体结构示意图。

用于检测自由曲面光学元件，包括X轴运动执行系统4、Y轴运动执行系统和Z轴运动执行系统7；

所述Y轴运动执行系统上安装所述X轴运动执行系统和Y轴位置测量系统，Y轴运动执行系统用于驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动，Y轴位置测量系统用于测量X轴运动执行系统在Y轴上的位置；

所述X轴运动执行系统上安装所述Z轴运动执行系统和X轴位置测量系统，X轴运动执行系统用于驱动Z轴运动执行系统沿X轴运动，X轴位置测量系统用于测量Z轴运动执行系统在X轴上的位置；

所述Z轴运动执行系统上安装双轴倾角传感器、非接触位移测头和Z轴位置测量系统；Z轴运动执行系统用于驱动双轴倾角传感器和非接触位移测头沿Z轴运动；所述双轴倾角传感器用于检测所述非接触位移测头在沿X轴、Y轴运动时，非接触位移测头分别在XZ和YZ平面内的空间姿态变化量，Z轴位置测量系统用于测量非接触位移测头在Z轴上的位置；

所述非接触位移测头位于所述自由曲面光学元件的顶端，按照预设的自由曲面轨迹，沿自由曲面光学元件表面扫描运动。

在一个实施例中，检测装置还包括底座1、左桥柱2、右桥柱12。底座1用于支撑整个检测装置和自由曲面光学元件，左桥柱2和右桥柱12安装在底座1上。Y轴运动执行系统A5和Y轴运动执行系统B8分别安装在左桥柱2、右桥柱12上，并驱动X轴运动执行系统4沿Y轴滑动。其中，Y轴运动执行系统A5和Y轴运动执行系统B8平行安装，并同步运动。

在一个实施例中，Y轴运动执行系统结构包括：

Y轴运动执行系统A5包括：Y轴承伺服电机A51、Y轴承伺服电机座52、Y轴滚珠丝杆A53、Y轴滑块A55和Y轴承座A56。Y轴承伺服电机座52和Y轴承座A56固定在左桥柱2的两端上，Y轴承伺服电机座52和Y轴承座A56之间架设Y轴滚珠丝杆A53，Y轴承伺服电机座52上安装有Y轴承伺服电机A51，Y轴承伺服电机A51传动连接Y轴滚珠丝杆A53；Y轴滑块A55滑动安装在Y轴滚珠丝杆A53上，在Y轴伺服电机A51驱动下沿Y轴平动。

本实施例中，Y轴承伺服电机座A52和Y轴承座A56之间还架设Y轴导轨A54，Y轴滑块A55同时滑动套装在Y轴导轨A54，对Y轴滑块A55起到定位导向作用。

在一个实施例中，Y轴运动执行系统结构还可以包括：

Y轴运动执行系统B8包括Y轴承伺服电机B81、Y轴承伺服电机座B82、Y轴滚珠丝杆B83、Y轴导轨B84、Y轴滑块B85和Y轴承座B86。Y轴运动执行系统B8的结构和工作原理同Y轴运动执行系统A5相同。

在一个实施例中，X轴运动执行系统4包括横梁9、X轴伺服电机41、X轴滚珠丝杆42、X轴滚珠螺母43、X轴轴承座44、X轴伺服电机座45、X轴滑块47、X轴滑台48。横梁9用于支撑整个X轴运动执行系统4。横梁9两侧分别固定X轴轴承座44和X轴伺服电机座45。X轴轴承座44上安装X轴滚珠丝杆42轴承，X轴伺服电机座45上安装X轴伺服电机41和X轴滚珠丝杆42轴承。X轴伺服电机41带动X轴滚珠丝杆42旋转，X轴滑台48滑动安装在X轴滚珠丝杆42上，X轴滑台48上固定X轴滚珠螺母43，进而驱动X轴滑台48做一维平动。

本实施例中，X轴轴承座44、X轴伺服电机座45之间还架设X轴导轨46，X轴滑块47上固定X轴滑台48，X轴滑块47滑动套装在X轴导轨46，对X轴滑块47起到定位导向作用，X轴滑块47可以沿X轴导轨46做一维平动。

在一个实施例中，Z轴运动执行系统7包括Z轴伺服电机71、电机安装72、同步带73、Z轴滚珠丝杆74、Z轴滑台75、Z轴导轨76。X轴滑台48和Z轴滑台75固连在一起，并在X轴伺服电机41驱动下，一起沿X轴做平动。Z轴滑台75内部有Z轴滑块。Z轴伺服电机71通过电机安装板72和X轴滑台48固连在一起，Z轴伺服电机71的输出轴通过同步带73驱动Z轴滚珠丝杆74旋转，Z轴滚珠丝杆74与Z轴伺服电机71的输出轴平行设置，且同向旋转。通过Z轴滚珠螺母将Z轴滚珠丝杆74的旋转运动转换为Z轴导轨76的同步运动，使得Z轴导轨76在Z轴滑75块内沿Z轴上下平动。Z轴导轨76的末端固定有非接触位移测14和双轴倾角传感13。

Y轴位置测量系统、X轴位置测量系统和Z轴位置测量系统的安装方式如下：

在一个实施例中，Y轴位置测量系统A3安装在Y轴运动执行系统A5上，包括：Y轴位置测量传感器A31和Y轴反射镜A32，Y轴位置测量传感器A31固定在Y轴承座A56上，Y反射镜A32固定在X伺服电机座45上，并在Y轴伺服电机驱动下随着横梁一起沿Y轴平动，位置测量传感器获取横梁9在Y轴的精确位置。

在一个实施例中，Y轴位置测量系统B10安装在Y轴运动执行系统B8上，包括：Y轴位置测量传感器B101和Y轴反射镜B102，二者在Y轴运动执行系统B8上的安装结构与Y轴位置测量传感器A31、Y轴反射镜A32在Y轴运动执行系统A5上的安装结构相同。

本领域技术人员可以理解的是，Y轴位置测量传感器发出激光至Y轴反射镜，经镜面反射回Y轴位置测量传感器内。同一组Y轴位置测量传感器和Y轴反射镜交换位置后，同样能够实现X轴运动执行系统沿Y轴精确位置的测量。

在一个实施例中，X轴伺服电机座45上固定X轴位置测量传感器61，X轴滑台48上固定X轴反射镜62。X轴位置测量传感器61发出激光至X轴反射镜62，经镜面反射回X轴位置测量传感器61内，获得X轴滑台48，即Z轴运动执行系统在X轴上的精确位置、

本领域技术人员可以理解的是，X轴位置测量传感器61和X轴反射镜62交换位置后，同样能够实现Z轴运动执行系统沿X轴精确位置的测量。

在一个实施例中，非接触位移测头14和Z轴反射镜111固定在Z轴导轨76末端。Z轴位置测量传感器110固定在Z轴滑台48上，发射出的激光，经固定在Z轴导轨76上的Z轴反射镜111反射后回到Z轴位置测量传感器110，用于测量非接触位移测头14在Z轴上的精确位置。双轴倾角传感器13用于检测非接触位移测头14在沿X轴、Y轴运动时，非接触位移测头14分别在XZ和YZ平面内的空间姿态变化(分别相对于X轴和Y轴的倾角)。

本实施例第二方面提供了一种利用第一方面所述的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测系统的自由曲面光学元件全口径检测方法，双轴倾角传感器用于检测非接触位移测头在沿X轴、Y轴运动时，非接触位移测头分别在XZ和YZ平面内的空间姿态变化(分别相对于X轴和Y轴的倾角)，进而解算得到X轴和Y轴在Z方向的运动直线度误差。测量过程中非接触位移测头按照设计的自由曲面轨迹，沿元件表面扫描运动，并获得元件的轮廓误差。测量过程轴，X轴位置测量系统、Y轴位置测量系统、Z轴位置测量系统、双轴倾角传感器、非接触位移测头同步采集数据，并解算得到自由曲面表面点的三维坐标(x_m,y_m,z_m)。最后将自由曲面表面点三维坐标带入自由曲面理论方程，解算得到自由曲面的面形误差e。

具体包括如下计算步骤：

S1、控制非接触位移测头按照全口径测量正交同向光栅式扫描轨迹对所述自由曲面光学元件表面进行扫描运动。

图5为全口径测量正交同向光栅式扫描轨迹，分为X向扫描测量轨迹200和Y向扫描测量轨迹300。根据测量工艺要求，设置测量轨迹间距，X向扫描测量轨迹和Y向扫描测量轨迹均匀布局在元件待测表面。每一条扫描测量轨迹的起始点远离元件边缘适当距离，该距离大于扫描测量时非接触位移测头加速运动的距离；每一条扫描测量轨迹的终点远离元件边缘适当距离，该距离大于扫描测量时非接触位移测头减速运动的距离；即非接触位移测头在元件内部区域扫描测量时为匀速运动。根据非接触位移测头获得的数据有值或无值的情况，将元件区域内部的X轴位置数据x_p(X轴位置测量系统获得)、Y轴位置数据y_pA、y_pB(Y轴位置测量系统获得)、Z轴位置数据z_p(Z轴位置测量系统获得)、非接触位移测头相对于X轴倾角α_x(双轴倾角传感器获得)、相对于Y轴倾角α_x(双轴倾角传感器获得)、元件表面轮廓误差(非接触位移测头获得)裁剪出来进行后续数据处理。

S2、双轴倾角传感器测量得到的非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时，非接触位移测头相对于X轴和Y轴的倾角，并解算得到X轴和Y轴在Z轴方向的运动直线度误差。

将裁剪后的非接触位移测头沿X轴向运动时，双轴倾角传感器测量得到的运动机构相对于水平面X轴倾角α_x、非接触位移测头沿Y轴向运动时，双轴倾角传感器测量得到的运动机构相对于Y轴倾角α_y带入公式1计算得到非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时的直线度误差e_x、e_y。

式中：e_x、e_y分别为非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时的直线度误差；

α_x、α_y分别为双轴倾角传感器测量得到的非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时，非接触位移测头相对于X轴和Y轴的倾角；

L_x、L_y分别为扫描区域X轴和Y轴的长度。

S3、结合自由曲面光学元件扫描区域内部的X轴位置数据，Y轴位置数据，Z轴位置数据，解算得到自由曲面表面点的三维坐标。

参见图5，将已被裁剪的非接触位移测头获得的元件表面轮廓误差数据，根据测量轨迹交叉点(图5中P0、P1、P2)进行分段(图5中L1、L2)，并将在交叉点(图5中P0)处X向扫描测量值E_P0X和Y向扫描测量值E_P0Y进行平均，得到该点的误差值E_P0。将平均值E_P0与X向扫描测量值E_P0X求差，并按照公式2计算得到数据段L1的倾斜角，式中ΔL_X为数据段L1的长度。将数据段L1反向旋转α角度，实现数据段L1调整处理。倾斜角α，是非接触位移测头分别沿X向和Y向运动并沿被测元件表面扫描测量得到元件的轮廓误差，由于非接触位移测头存在数据漂移的情况，需要对分段后的数据进行倾斜纠正，即将当前数据段反向旋转α角度。当非接触位移测头没有数据漂移的情况下(理想情况)，该α值为0。

其他数据段以相同的方法进行调整处理，得到处理后的非接触位移测头数据e_m。将测量并裁剪得到的x_p、y_pA、y_pB、z_p、α_x、α_y，计算得到的e_x、e_y、e_m，以及预先测量的H_x、H_y，带入公式3，计算得到元件表面点坐标(x_m,y_m,z_m)。

式中：(x_m,y_m,z_m)为自由曲面表面点的三维坐标；

x_p为X轴位置测量系统测量得到的坐标；

H_x为元件表面距离X轴滑块的距离；

y_pA、y_pB分别为Y轴位置测量系统A和Y轴位置测量系统B测量得到的坐标；Y轴位置测量系统A和Y轴位置测量系统B分别架设于Y轴运动执行系统A、Y轴运动执行系统B上，且Y轴运动执行系统A、Y轴运动执行系统B平行设置，同步驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动；

H_y为元件表面距离Y轴滑块的距离；

z_p为Z轴位置测量系统测量得到的坐标；

e_m为非接触位移测头测量得到的数据；

e_x、e_y分别为非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时的直线度误差。

S4、将自由曲面表面点三维坐标带入自由曲面理论方程，解算得到自由曲面的面形误差。

根据公式4解算得到自由曲面的面形误差：

e＝z_m-f(x_m,y_m) (4)

式中：e为自由曲面面形误差；

(x_m,y_m,z_m)为自由曲面表面点的三维坐标；

f为自由曲面方程。

自由曲面方程f根据被测自由曲面光学元件的曲面结构数学表达方程而确定。

以上对本发明所提供的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置，其特征在于，用于检测自由曲面光学元件，包括X轴运动执行系统、Y轴运动执行系统和Z轴运动执行系统；

所述Y轴运动执行系统上安装所述X轴运动执行系统和Y轴位置测量系统，Y轴运动执行系统用于驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动，Y轴位置测量系统用于测量X轴运动执行系统在Y轴上的位置；

所述X轴运动执行系统上安装所述Z轴运动执行系统和X轴位置测量系统，X轴运动执行系统用于驱动Z轴运动执行系统沿X轴运动，X轴位置测量系统用于测量Z轴运动执行系统在X轴上的位置；

所述Z轴运动执行系统上安装双轴倾角传感器、非接触位移测头和Z轴位置测量系统；Z轴运动执行系统用于驱动双轴倾角传感器和非接触位移测头沿Z轴运动；所述双轴倾角传感器用于检测所述非接触位移测头在沿X轴、Y轴运动时，非接触位移测头分别在XZ和YZ平面内的空间姿态变化量，Z轴位置测量系统用于测量非接触位移测头在Z轴上的位置；

所述非接触位移测头位于所述自由曲面光学元件的顶端，按照预设的自由曲面轨迹，沿自由曲面光学元件表面扫描运动。

2.根据权利要求1所述的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置，其特征在于，所述Y轴运动执行系统通过丝杆结构驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动。

3.根据权利要求1所述的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置，其特征在于，所述X轴运动执行系统通过丝杆结构驱动Z轴运动执行系统沿X轴运动。

4.根据权利要求1所述的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置，其特征在于，所述Z轴运动执行系统通过丝杆结构驱动双轴倾角传感器和非接触位移测头沿Z轴运动沿Z轴运动；所述非接触位移测头位于丝杆结构的末端，所述双轴倾角传感器和所述非接触位移测头固连。

5.根据权利要求1所述的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置，其特征在于，所述X轴位置测量系统、Y轴位置测量系统和Z轴位置测量系统均包括位置测量传感器和反射镜，其中，所述位置测量传感器和反射镜分别设置在待测距离的静止端和相对移动端，位置测量传感器向所述反射镜发射激光束，并接收反射镜反射回的激光束，实现待测距离的测量。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测系统的自由曲面光学元件全口径检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、控制非接触位移测头按照全口径测量正交同向光栅式扫描轨迹对所述自由曲面光学元件表面进行扫描运动；

S2、双轴倾角传感器测量得到的非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时，非接触位移测头相对于X轴和Y轴的倾角，并解算得到X轴和Y轴在Z轴方向的运动直线度误差；

S3、结合自由曲面光学元件扫描区域内部的X轴位置数据，Y轴位置数据，Z轴位置数据，解算得到自由曲面表面点的三维坐标；

S4、将自由曲面表面点三维坐标带入自由曲面理论方程，解算得到自由曲面的面形误差。

7.根据权利要求6所述的自由曲面光学元件全口径检测方法，其特征在于，所述S2中，根据下式解算得到X轴和Y轴在Z方向的运动直线度误差：

式中：e_x、e_y分别为非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时的直线度误差；

α_x、α_y分别为双轴倾角传感器测量得到的非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时，非接触位移测头相对于X轴和Y轴的倾角；

L_x、L_y分别为扫描区域X轴和Y轴的长度。

8.根据权利要求6所述的自由曲面光学元件全口径检测方法，其特征在于，所述S3中，根据下式解算得到自由曲面表面点的三维坐标(x_m,y_m,z_m)：

式中：(x_m,y_m,z_m)为自由曲面表面点的三维坐标；

x_p为X轴位置测量系统测量得到的坐标；

H_x为元件表面距离X轴滑块的距离；

y_pA、y_pB分别为Y轴位置测量系统A和Y轴位置测量系统B测量得到的坐标；Y轴位置测量系统A和Y轴位置测量系统B分别架设于Y轴运动执行系统A、Y轴运动执行系统B上，且Y轴运动执行系统A、Y轴运动执行系统B平行设置，同步驱动X轴运动执行系统沿Y轴运动；

H_y为元件表面距离Y轴滑块的距离；

z_p为Z轴位置测量系统测量得到的坐标；

e_m为非接触位移测头测量得到的数据；

e_x、e_y分别为非接触位移测头沿X轴和Y轴运动时的直线度误差。

9.根据权利要求8所述的自由曲面光学元件全口径检测方法，其特征在于，所述e_m的计算步骤包括：

根据测量轨迹交叉点进行分段，并将在交叉点处X向扫描测量值和Y向扫描测量值进行平均，得到的平均值为所述交叉点的误差值；

将平均值与X向扫描测量值求差，并计算与交叉点所在当前数据段长度商值的反正切，得到当前数据段的倾斜角α；

将当前数据段反向旋转α角度，实现当前数据段的调整处理；

其他数据段以相同的方法进行调整处理，得到处理后的非接触位移测头数据e_m。

10.根据权利要求6所述的自由曲面光学元件全口径检测方法，其特征在于，所述S4中，根据下式解算得到自由曲面的面形误差：

e＝z_m-f(x_m,y_m)

式中：e为自由曲面面形误差；

(x_m,y_m,z_m)为自由曲面表面点的三维坐标；

f为自由曲面方程。

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