CN113251922B

CN113251922B - 一种测量方法

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Publication number: CN113251922B
Application number: CN202110533816.0A
Authority: CN
Inventors: 李渊明; 王辉; 周烽; 金春水
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-05-14
Also published as: CN113251922A

Abstract

本发明适用于物镜系统相对位置关系的测量领域，公开了一种测量方法，用于测量物镜系统元件的相对位置，物镜系统包括主框架、组件框架和元件，测量方法包括以下步骤：建立组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系；建立元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系；根据组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系以及元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系换算得到元件坐标系与主框架坐标系的相对位置关系；该测量方法可以在不进行物镜整体集成的情况下获取集成后元件坐标系在物镜系统主框架坐标系中的位置，可以大幅缩减装配的任务量，降低装配过程中损坏光学元件的风险。

Description

一种测量方法

技术领域

本发明涉及物镜系统相对位置关系的测量技术领域，尤其涉及一种用于测量物镜系统元件的相对位置的测量方法。

背景技术

对于物镜系统而言，元件位置偏差会对成像效果和波相差产生很大的影响，为了保证物镜系统的成像质量，需要保证物镜系统内部元件的相对位置偏差在允许的范围内，因此需要对物镜系统内部元件的位置进行测量，再根据测量结果对元件位置进行精密调整。对于离轴非球面物镜光学系统来讲，由于光学元件多，物镜系统内部结构复杂，要实现离轴非球面光学元件的安装定位、精确位置测量有很大困难。为了实现离轴非球面元件相对位置精确测量，需要一种行之有效的离轴非球面元件高精度空间定位测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量方法，其可以在不进行物镜整体集成的情况下获取集成后元件坐标系在物镜系统主框架坐标系中的位置。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种测量方法，用于测量物镜系统元件的相对位置，所述物镜系统包括主框架、组件框架和元件，所述测量方法包括以下步骤：

步骤S10：建立组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系；

步骤S20：建立元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系；

步骤S30：根据组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系以及元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系换算得到元件坐标系与主框架坐标系的相对位置关系。

优先地，所述步骤S10中建立组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系的具体实施方式为：

步骤S11：将组件框架装配到主框架上，并测量主框架的定位基准，建立主框架坐标系；

步骤S12：测量组件框架的定位基准，建立组件框架坐标系，并获取组件框架坐标系在主框架坐标系中的位置Pos_ZJ。

优先地，所述步骤S11中测量主框架的定位基准，建立主框架坐标系的具体实施方式为：

定义主框架的第一定位基准面、第二基准定位面和第三基准定位面，并通过激光跟踪仪分别测量第一定位基准面的位置、第二基准定位面的位置和第三基准定位面的位置；

根据第一定位基准面的位置、第二基准定位面的位置和第三基准定位面的位置确定主框架坐标系的位置。

在主框架配置三个以上定位基准球，并通过激光跟踪仪测量所述定位基准球的球心位置、以及根据测量得到的球心位置确定主框架坐标系。

优先地，所述建立组件框架坐标系的具体实施方式和建立主框架坐标系的具体实施方式相同。

优先地，所述步骤S20中建立元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系的具体实施方式为：

步骤S21：将元件装配到组件框架上，并测量组件框架的定位基准，建立组件框架坐标系；

步骤S22：测量元件的定位基准，建立元件坐标系，并获取元件坐标系在主框架坐标系中的位置Pos_YJ。

优先地，所述步骤S22中建立元件坐标系的具体实施方式为：定义元件的第四定位基准面、第五基准定位面和第六基准定位面，并通过激光跟踪仪或三坐标测量仪分别测量第四定位基准面的位置、第五基准定位面的位置和第六基准定位面的位置；

根据第四定位基准面的位置、第五基准定位面的位置和第六基准定位面的位置确定元件坐标系的位置。

优先地，所述步骤S30中，定义元件坐标系与主框架坐标系的相对位置关系为Pos_ZKJ，则：

Pos_ZKJ＝Pos_ZJ+Pos_YJ。

本发明提供的测量方法可以在不进行物镜整体集成的情况下获取集成后元件坐标系在物镜系统主框架坐标系中的位置，可以大幅缩减装配的任务量，降低装配过程中损坏光学元件的风险。而且，本发明的测量方法可以实现对结构尺寸大，内部结构复杂，物镜系统内部元件位置的精确测量。

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是本发明实施例提供的测量方法的流程框图；

图2是本发明实施例提供的间接测量物镜系统元件相对位置的示意图；

图3是本发明实施例提供的建立组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系的流程框图；

图4是本发明实施例提供的建立元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系的流程框图；

图5是物镜系统的结构示意图；

图6是直接测量物镜系统元件相对位置的示意图。

附图标号说明：

100、物镜系统；10、主框架；10.1、第一基准定位面；10.2、第二基准定位面；10.3、第三基准定位面；10.5、主框架坐标系；200、第一反射镜组件；205、反射镜元件；200.1、第四基准定位面；200.2、第五基准定位面；200.3、第六基准定位面；200.5、元件坐标系；208、支撑和调整机构；210、组件框架；210.5、组件框架坐标系；300、第二反射镜组件；400、第三反射镜组件；500、第四反射镜组件；101、定位基准球；105、光线；120、物面模块；140、像面模块。

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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图5所示，其为本发明的一种实施例的一种测量方法，用于测量物镜系统100元件的相对位置。如图5所示，物镜系统100包括主框架10、第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500，第一反射镜组件200通过第一联接机构刚性地联接到主框架10上，第二反射镜组件300通过第二联接机构刚性地联接到主框架10上，第三反射镜组件400通过第一联接机构刚性地联接到主框架10上，第四反射镜组件500通过第四联接机构刚性地联接到主框架10上，第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500的结构相同或者类似，下面以第一反射镜组件200举例说明，第一反射镜组件200包括反射镜元件205、支撑和调整机构208和组件框架210。反射镜元件205通过支撑和调整机构连接到组件框架210上，在支撑和调整装置208的作用下，反射镜元件205可以相对组件框架210在一定范围内进行6自由度调整，组件框架210利用联接机构通过空间解耦且无过约束的方式连接到主框架10上。即第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500的反射镜元件205都可以相对组件框架210在一定范围内进行6自由度调整。

物镜系统100的主要作用是将物面模块120上的图案经过光线105在物镜系统100内部各反射镜组件的反射镜元件205的反射下，最终投影到像面模块140上。

可以理解地，物镜系统100并不局限于包括第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500，反射镜组件的数量根据实际情况设定。

需要说明的是，本发明实施例的测量方法用于测量各个反射镜组件中反射镜元件205的相对位置。测量各反射镜元件205的相对位置的方法有两种，一种是直接测量法，另一种是间接测量法。直接测量法是通过直接测量元件和物镜系统100主框架10的定位基准，分别建立元件坐标系200.5和物镜系统100的主框架坐标系10.5，获取元件面型在物镜系统100的主框架坐标系10.5中的位置。如图6所示，图中以物镜系统100的主框架10和反射镜元件205为例，展示了元件与主框架坐标系10.5关系的一种直接测量方法。在实际操作过程中，要想测量反射镜元件205相对主框架坐标系10.5的位置关系，需要先将反射镜组件集成到主框架10上，然后用测量设备(如激光跟踪仪、关节臂测量设备等)进行测量。测量时优先测量主框架10的第一基准定位面10.1、第二基准定位面10.2和第三基准定位面10.3来建立图中所示的主框架坐标系10.5。再测量反射镜元件205的第一基准定位面10.1、第二基准定位面10.2和第三基准定位面10.3来建立元件坐标系200.5。完成此操作后就可以得到反射镜元件205在主框架坐标系10.5的位置。但是使用直接测量的方式必须将元件装配到物镜系统100的主框架10后进行测量，而且很难实现对结构尺寸大，内部结构复杂，物镜系统100内部元件位置的精确测量。因此，本发明实施例提供了一种间接测量方法。

请参阅图1-图4，本发明实施例的测量方法，用于测量物镜系统100中元件的相对位置，包括以下步骤：

步骤S10：建立组件框架坐标系210.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系；

步骤S20：建立元件坐标系200.5与组件框架坐标系210.5的相对位置关系；

步骤S30：根据组件框架坐标系210.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系以及元件坐标系200.5与组件框架坐标系210.5的相对位置关系换算得到元件坐标系200.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系。

可以理解地，上述测量方法是测量一个元件的元件坐标系与主框架的主框架坐标系的相对位置关系，也就是某一个元件在主框架中的位置。物镜系统往往具有多个元件，对于其他元件的测量方法也一样，最后根据各元件在主框架中的位置进行分析即可得到各元件之间的相对位置关系。

需要说明的是，步骤S10和步骤S20不分先后顺序，即可以先实施步骤S10后实施步骤S20，也可以先实施步骤S20后实施步骤S10。在本发明实施例中，先实施步骤S10后实施步骤S20。

通过测量多个元件坐标系200.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系，可以得到物镜系统100内部所有元件相对物镜系统100主框架坐标系10.5的实际位置关系，即元件之间的相对位置关系。通过对比物镜系统100元件的实际位置关系和理论模型相对位置关系，可以得到各元件相对其理论位置的偏差，得到元件在空间6自由度上的偏差值，为元件位置的精确调整提供依据。

本发明实施例的测量方法具有以下优点：

第一、本发明实施例的测量方法可以在不进行物镜整体集成的情况下获取集成后元件坐标系200.5在物镜系统100主框架坐标系10.5中的位置，可以大幅缩减装配的任务量，降低装配过程中损坏光学元件的风险。

第二，本发明实施例的测量方法可以实现对结构尺寸大，内部结构复杂，物镜系统100内部元件位置的精确测量。

请参阅图2和图3，步骤S10中建立组件框架坐标系210.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系的具体实施方式为：

步骤S11：将组件框架210装配到主框架10上，并测量主框架10的定位基准，建立主框架坐标系10.5；

步骤S12：测量组件框架210的定位基准，建立组件框架坐标系210.5，并获取组件框架坐标系210.5在主框架坐标系10.5中的位置Pos_ZJ。

具体地，主框架坐标系10.5的建立方法有两种：第一种方法是通过测量主框架10的第一基准定位面10.1、第二基准定位面10.2和第三基准定位面10.3来建立主框架坐标系10.5。第二种方法是在主框架10的预设位置上安装多个定位基准球101，在建立主框架坐标系10.5时，仅测量多个定位基准球101球心的位置，通过多个球心位置拟合出一个平面，以及通过两个球心位置的拟合出一条直线，并任意选取一个球心位置作为原点，通过拟合出的直线以及与该直线垂直的法线和原点来唯一确定主框架坐标系10.5的位置。相比第一种方法，利用第二种方法建立主框架坐标系10.5更加准确和快捷。

可以理解地，定位基准球101可以是三个，也可以是三个以上，在本实施例中，主框架10上的定位基准球101配置有四个，测量时可以测量三个也可以测量四个。

需要说明的是，定位基准球101也可以用激光跟踪仪靶座代替，当选用激光跟踪仪靶座时，使用激光跟踪仪对组件框架210和物镜系统100主框架10上基准定位点进行测量。测量时，将靶球依次放置在组件框架210和主框架10的定位靶座上，使用激光跟踪仪直接测量耙球球心的位置。

可以理解地，测量时，也可以采用三坐标测量仪代替激光跟踪仪，三坐标测量仪测量精度更高。

具体地，组件框架坐标系210.5的建立方法与主框架坐标系10.5的建立方法相同，在此不赘述。

请参阅图2和图4，步骤S20中建立元件坐标系200.5与组件框架坐标系210.5的相对位置关系的具体实施方式为：

步骤S21：将元件装配到组件框架210上，并测量组件框架210的定位基准，建立组件框架坐标系210.5；

步骤S22：测量元件的定位基准，建立元件坐标系200.5，并获取元件坐标系200.5在主框架坐标系10.5中的位置Pos_YJ。

优选地，元件坐标系200.5的建立方法为：通过激光跟踪仪或三坐标测量机测量元件的第四基准定位面200.1、第五基准定位面200.2和第六基准定位面200.3来建立元件坐标系200.5。相比其他测量设备，三坐标测量机测量精度更高，因此，优选三坐标测量机进行测量。

进一步地，三坐标测量机选用高精度三坐标测量机，从而进一步提高测量精度。本发明实施例的测量方法通过三坐标测量机和激光跟踪仪配合耙球进行定位和测量，可以提高总体坐标转化的精度，相对关节臂测量设备50微米的空间测量精度而言，该方法测量精度能够达到10微米量级。而且，本发明实施例的测量方法集合了多种测量设备的优点，可以实现对元件空间位置的快速、高精度测量。

优选地，步骤S30中，定义元件坐标系200.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系为Pos_ZKJ，则：

Pos_ZKJ＝Pos_ZJ+Pos_YJ。

在采用间接方法测量时，可以在组件集成前，可以先将组件框架210集成到物镜系统100主框架10上，建立组件框架坐标系210.5与主框架坐标系10.5之间的位置关系。再将元件装配到组件上，通过三坐标测量机测量元件基准定位面建立元件坐标系200.5，建立组件框架坐标系210.5，获取元件坐标系200.5和组件框架坐标系210.5之间的位置关系。这种方式可以在物镜系统100总装集成前获取所有元件与主框架坐标系10.5之间的相对位置关系，即可以得到物镜系统100中各元件之间的相对位置关系。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种测量方法，用于测量物镜系统元件的相对位置，所述物镜系统包括主框架、组件框架和元件，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤S10：将组件框架装配到主框架上，定义主框架的第一基准定位面、第二基准定位面和第三基准定位面，并通过激光跟踪仪分别测量第一基准定位面的位置、第二基准定位面的位置和第三基准定位面的位置，测量主框架的定位基准后，根据第一基准定位面的位置、第二基准定位面的位置和第三基准定位面的位置确定主框架坐标系的位置，从而建立主框架坐标系；测量组件框架的定位基准，建立组件框架坐标系，建立组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系，并获取组件框架坐标系在主框架坐标系中的位置Pos_ZJ；

步骤S20：将元件装配到组件框架上，并测量组件框架的定位基准，建立组件框架坐标系；定义元件的第四基准定位面、第五基准定位面和第六基准定位面，并通过激光跟踪仪或三坐标测量仪分别测量第四基准定位面的位置、第五基准定位面的位置和第六基准定位面的位置，测量元件的定位基准后，根据第四基准定位面的位置、第五基准定位面的位置和第六基准定位面的位置确定元件坐标系的位置，从而建立元件坐标系；建立元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系，并获取元件坐标系在主框架坐标系中的位置Pos_YJ；

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S10中测量主框架的定位基准，建立主框架坐标系的具体实施方式为：

3.如权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，所述建立组件框架坐标系的具体实施方式和建立主框架坐标系的具体实施方式相同。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S30中，定义元件坐标系与主框架坐标系的相对位置关系为Pos_ZKJ，则：

Pos_ZKJ = Pos_ZJ + Pos_YJ。