CN113465533B - 一种非接触式光学轮廓测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式光学轮廓测量方法和装置，所述装置包括转动副、转动副驱动器、角度传感器、直线位移传感器、导轨副、导轨副驱动器、测量传感器支架、球面基准镜、球面基准镜支架和底部基座；本发明的装置涉及的机械系统包括两维的直线运动和三维的转动，通过机械系统带动高精度的测量传感器和被测件按照预定轨迹运动，进而完成被测件轮廓的测量。本发明的测量方法具有通用性强、测量效率高、准确性高等优点。

Description

一种非接触式光学轮廓测量方法和装置

技术领域

本发明涉光学精密检测领域，具体涉及一种非接触式光学轮廓测量方法和装置。

背景技术

随着光学设计能力以及人们对光学系统性能要求的不断提高，越来越多的光学系统采用非球面和自由曲面光学元件。相比于球面光学元件具有很多优越性，在系统中使用非球面，不仅可以减少光学元件的数量、减轻仪器的质量、缩小系统的尺寸、简化系统的结构，而且有利于校正像差，改善系统的成像质量；因此，在现代光学系统中非球面光学元件得到了广泛应用。

现有光学元件轮廓测量的方法主要包括干涉测量法、接触式测量法、非接触式测量法。其中干涉测量法根据参考测试光束的波前与工件面形是否相同可以将干涉测量技术分为零位测试技术和非零位测试技术，该方法测量精度高，测量速度快，适用于高精度的镜面检测，该方法主要用于测量平面光学元件、球面光学元件和部分二次非球面光学元件，通用性差。而接触式轮廓测量法是一种通用的测量方法，可以有效的对所加工元件的轮廓方程进行评价，但是难以对光学元件的相貌进行测量，接触式测量容易对表面产生划伤，对精度要求很高的表面往往不适用，此外接触式测量法测量速度慢效率低，很难满足光学元件原来越高加工效率的要求。

非接触式测量法可分为：(1)非光学测量法，包括扫描电子显微镜和扫描探针显微镜等；(2)光学测量法，包括多波长干涉、色散测量和差分共焦法等。其中非光学测量法测量的速度慢，测量的尺寸有限，不适用于大尺寸光学元件的高效率测量。非接触式光学测量法既有干涉法的高效率、无损伤、高精度的优点，又具有接触式测量的通用性好的优点，成为当今高精度轮廓测量方法的主要选用方法。

现有的非接触式光学轮廓测量仪均不具有通用性，或者测量精度低，或者测量尺寸受限，又或者测量效率低。

发明内容

为了克服现有技术问题，本申请提供了一种的非接触式光学轮廓测量的解决方案，用以解决现有的光学轮廓测量仪不具有通用性、测量精度低、测量尺寸受限、测量效率低等问题。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明第一方面提供了一种非接触式光学轮廓测量装置，所述装置包括转动副、转动副驱动器、角度传感器、直线位移传感器、导轨副、导轨副驱动器、被测件测量传感器支架、球面基准镜、球面基准镜支架和底部基座；

所述转动副包括主轴转动副、第一转动副和第二转动副，所述转动副驱动器包括主轴转动副驱动器、第一转动副驱动器和第二转动副驱动器，所述直线位移传感器包括第一直线位移传感器和第二直线位移传感器，所述角度传感器包括第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器，所述导轨副包括水平运动导轨副和垂直运动导轨副，所述导轨副驱动器包括水平运动驱动器和垂直运动驱动器；

所述水平运动导轨副包括第一静导轨和第一动滑套，所述第一动滑套安装在所述第一静导轨上；所述的水平运动驱动器设置在所述水平运动导轨副上，用于驱动所述第一动滑套相对于所述第一静导轨进行水平运动，所述第一直线位移传感器设置在所述水平运动导轨副上，用于测量所述水平运动的位移量；

所述垂直运动导轨副包括第二静导轨和第二动滑套，所述第二静导轨设置在所述第一动滑套上，所述第二动滑套设置在所述第二静导轨上；所述的垂直运动驱动器设置在所述垂直运动的导轨副上，用于驱动所述第二动滑套相对于所述第二静导轨进行垂直运动；所述第二直线位移传感器设置在所述垂直运动导轨副上，用于测量所述垂直运动的位移量；

所述第一转动副包括第一静子和第一动子，所述第一静子设置于所述第二动滑套中，所述第一动子设置在所述第一静子上；所述第一转动副驱动器设置在所述第一转动副上，用于驱动所述第一动子相对于所述第一静子转动；所述第一角度传感器设置于所述的第一转动副中，用于测量所述第一动子相对于所述第一静子的第一转动角度；

所述第二转动副包括第二静子和第二动子，所述第二静子设置于所述被测件测量传感器支架上，所述被测件测量传感器支架设置于所述第二动子上，所述的第二动子设置于所述的第二静子上；所述的第二转动副驱动器设置于所述第二转动副上，用于驱动所述第二动子相对于所述第二静子转动；所述第二角度传感器设置于所述的第二转动副中，用于测量所述第二动子相对于所述第二静子的第二转动角度；

所述主轴转动副包括第三静子和第三动子，所述第三静子设置在所述底部基座上，所述第三动子设置在所述的第三静子中；所述主轴转动副驱动器设置于所述主轴转动副中，用于驱动所述第三动子相对于所述第三静子转动；所述第三角度传感器设置于所述的主轴转动副中，用于测量所述第三动子相对于所述第三静子的第三转动角度；

所述的球面基准镜支架设置于所述的第二动滑套上，所述的球面基准镜设置于所述的球面基准镜支架上；所述的球面基准镜上还设置有轮廓测量组件和距离测量组件，所述轮廓测量组件用于实时测量被测件对应位置的轮廓值；所述距离测量组件用于实时测量各轴系运动过程中移动的距离。

进一步地，所述装置还包括水平测量镜、垂直测量镜和测量镜支架；

所述测量镜支架设置在所述底部基座上，所述水平测量镜和所述垂直测量镜均设置在所述测量镜支架上。

进一步地，所述距离测量组件包括水平测量传感器和垂直测量传感器，所述水平测量传感器和垂直测量传感器均设置于所述球面基准镜上，且所述水平测量传感器和垂直测量传感器的轴线通过所述球面基准镜的球心；

所述水平测量传感器用于实时测量轴系运动过程在水平方向上的距离；

所述垂直测量传感器用于实时测量轴系运动过程在垂直方向上的距离。

进一步地，所述轮廓测量组件包括半径测量传感器和被测件测量传感器；

所述半径测量传感器设置在所述第二转动副上，且其轴线始终与球面基准测量镜的半径重合，用于测量所属第二动子与所述第三动子转动时的径向误差；所述被测件测量传感器设置于所述第二转动副的第二动子上，且其轴线始终与球面基准镜的半径重合；

所述半径测量传感器和被测件测量传感器用于实时测量所述被测件对应位置的轮廓值。在本实施方式中，所述半径测量传感器用于测量半径的变化值，所述被测件测量传感器用于被测位置的轮廓值，被测元件对应位置是指通过直线运动轴系和旋转运动轴系运动后的被测件所在的位置，或者经过轨迹规划后所要测量的位置。

进一步地，所述装置还包括基台和多个隔振器，所述的底部基座固定在所述基台上，所述的基台固定在所述多个隔振器上；所述的隔振器的固有频率小于1Hz。

进一步地，所述装置还包括侧部基座，所述的侧部基座固定在所述底部基座上；所述的第一静导轨设置在所述的侧部基座上。

进一步地，所述装置还包括隔离罩和基台，所述的底部基座固定在所述基台上；所述的隔离罩设置于在所述基台上，用于隔离外部气流的扰动。

本发明第二方面还提供了一种非接触式光学轮廓测量方法，所述方法包括：

S1：将被测件安装于主轴转动副的第三动子上，驱动轮廓仪各轴系，确定测量零点位置；

S2：根据测量零点和被测件的理论轮廓值规划轮廓测量装置各运动方向的运动轨迹；

S3：根据被测件的形状，所述主轴转动副在主轴驱动器的驱动下第三动子相对于第三静子连续单方向转动，第三角度传感器记录转动的角度；按照规划的轨迹，以第一直线位移传感器和第二直线位移传感器作为测量和反馈元件，所述水平运动驱动器驱动所述水平运动导轨副中的第一动滑套相对于所述第一静导轨沿预定轨迹运动，所述垂直运动驱动器驱动所述垂直运动导轨副中的第二动滑套相对于第二静导轨沿预定轨迹运动；

S4：设置在球面基准镜上的水平测量传感器实时测量轴系运动过程中的水平方向上的距离，设置在球面基准镜上的垂直测量传感器实时测量轴系运动过程中的垂直方向上的距离；设置在第二转动副上的半径测量传感器、被测件测量传感器实时测量被测件对应位置的轮廓值；

S5：根据球面基准镜、水平测量镜和垂直测量镜轮廓曲线校正所述水平测量传感器、垂直测量传感器、半径测量传感器、被测件测量传感器的测量数据，并对校正后的测量数据处理得到被测件的三维轮廓图。

进一步地，步骤S3中“以第一直线位移传感器和第二直线位移传感器作为测量和反馈元件”还包括：以第一直线位移传感器、第二直线位移传感器、第一角度传感器作为测量和反馈元件；

步骤S3还包括：所述第一转动副驱动器驱动所述第一转动副中的第一静子相对于所述第一动子沿预定轨迹运动。

进一步地，步骤S3中“以第一直线位移传感器和第二直线位移传感器作为测量和反馈元件”还包括：以第一直线位移传感器、第二直线位移传感器、第一角度传感器、第二角度传感器作为测量和反馈元件；

步骤S3还包括：所述第一转动副驱动器驱动所述第一转动副中的第一静子相对于所述第一动子沿预定轨迹运动；所述第二转动副驱动器驱动所述第二转动副中的第二静子相对于所述第二动子沿预定轨迹运动。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种非接触式光学轮廓测量方法和装置，所述装置包括转动副、转动副驱动器、角度传感器、直线位移传感器、导轨副、导轨副驱动器、被测件测量传感器支架、球面基准镜、球面基准镜支架和底部基座；本发明的装置涉及的机械系统包括两维的直线运动和三维的转动，通过机械系统带动高精度的测量传感器和被测件按照预定轨迹运动，进而完成被测件轮廓的测量。本发明的测量方法具有通用性强、测量效率高、准确性高等优点。

附图说明

图1是本发明一实施例涉及的非接触式光学轮廓测量装置的结构示意图；

图2是本发明另一实施例涉及的非接触式光学轮廓测量装置的结构示意图；

图3是本发明另一实施例涉及的非接触式光学轮廓测量装置的结构示意图；

图4是本发明一实施例涉及的非接触式光学轮廓测量方法的流程图；

图5是本发明另一实施例涉及的非接触式光学轮廓测量方法的流程图；

图6是本发明另一实施例涉及的非接触式光学轮廓测量方法的流程图。

其中附图标记为：

1、隔振器；

2、基台；

3、底部基座；

4、侧部基座；

5、水平运动导轨副；5.1、第一静导轨；5.2、第一动滑套；

6、水平运动驱动器；

7、垂直运动导轨副；7.1、第二静导轨；7.2、第二动滑套；

8、垂直运动驱动器；

9、第一转动副；9.1、第一静子；9.2、第一动子；

10、第一转动副驱动器；

11、第二转动副；11.1第二静子；11.2第二动子；

12、第二转动副驱动器；

13、主轴转动副；13.1、第三静子；13.2、第三动子；

14、主轴驱动器；

15、第一直线位移传感器；

16、第二直线位移传感器；

17、第一角度传感器；

18、第二角度传感器；

19、第三角度传感器；

20、球面基准镜；

21、球面基准镜支架；

22、测量镜支架；

23、水平测量镜；

24、垂直测量镜；

25、水平测量传感器；

26、垂直测量传感器；

27、半径测量传感器；

28、被测件测量传感器；

29、被测件测量传感器支架；

30隔离罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1至图3所示，本发明第一方面提供了一种非接触式光学轮廓测量装置，所述装置包括转动副、转动副驱动器、角度传感器、直线位移传感器、导轨副、导轨副驱动器、被测件测量传感器支架(29)、球面基准镜(20)、球面基准镜支架(21)和底部基座(3)；

所述转动副包括主轴转动副(13)、第一转动副(9)和第二转动副(11)，所述转动副驱动器包括主轴转动副(13)驱动器、第一转动副(9)驱动器和第二转动副(11)驱动器，所述直线位移传感器包括第一直线位移传感器(15)和第二直线位移传感器(16)，所述角度传感器包括第一角度传感器(17)、第二角度传感器(18)和第三角度传感器(19)，所述导轨副包括水平运动导轨副(6)和垂直运动导轨副(7)，所述导轨副驱动器包括水平运动驱动器(6)和垂直运动驱动器(8)；

所述水平运动导轨副(6)包括第一静导轨(5.1)和第一动滑套(5.2)，所述第一动滑套(5.2)安装在所述第一静导轨(5.1)上；所述的水平运动驱动器(6)设置在所述水平运动导轨副(6)上，用于驱动所述第一动滑套(5.2)相对于所述第一静导轨(5.1)进行水平运动，所述第一直线位移传感器(15)设置在所述水平运动导轨副(6)上，用于测量所述水平运动的位移量；

所述垂直运动导轨副(7)包括第二静导轨(7.1)和第二动滑套(7.2)，所述第二静导轨(7.1)设置在所述第一动滑套(5.2)上，所述第二动滑套(7.2)设置在所述第二静导轨(7.1)上；所述的垂直运动驱动器(8)设置在所述垂直运动的导轨副上，用于驱动所述第二动滑套(7.2)相对于所述第二静导轨(7.1)进行垂直运动；所述第二直线位移传感器(16)设置在所述垂直运动导轨副(7)上，用于测量所述垂直运动的位移量；

所述第一转动副(9)包括第一静子(9.1)和第一动子(9.2)，所述第一静子(9.1)设置于所述第二动滑套(7.2)中，所述第一动子(9.2)设置在所述第一静子(9.1)上；所述第一转动副(9)驱动器设置在所述第一转动副(9)上，用于驱动所述第一动子(9.2)相对于所述第一静子(9.1)转动；所述第一角度传感器(17)设置于所述的第一转动副(9)中，用于测量所述第一动子(9.2)相对于所述第一静子(9.1)的第一转动角度；

所述第二转动副(11)包括第二静子(11.1)和第二动子(11.2)，所述第二静子(11.1)设置于所述被测件测量传感器支架(29)上，所述被测件测量传感器(29)设置于所述第二动子(11.2)上，所述的第二动子(11.2)设置于所述的第二静子(11.1)上；所述的第二转动副(11)驱动器设置于所述第二转动副(11)上，用于驱动所述第二动子(11.2)相对于所述第二静子(11.1)转动；所述第三角度传感器(19)(18)设置于所述的第二转动副(11)中，用于测量所述第二动子(11.2)相对于所述第二静子(11.1)的第二转动角度；

所述主轴转动副(13)包括第三静子(13.1)和第三动子(13.2)，所述第三静子(13.1)设置在所述底部基座(3)上，所述第三动子(13.2)设置在所述的第三静子(13.1)中；所述主轴转动副(13)驱动器设置于所述主轴转动副(13)中，用于驱动所述第三动子(13.2)相对于所述第三静子(13.1)转动；所述第三角度传感器设置于所述的主轴转动副(13)中，用于测量所述第三动子(13.2)相对于所述第三静子(13.1)的第三转动角度；

所述的球面基准镜支架(21)设置于所述的第二动滑套(7.2)上，所述的球面基准镜(20)设置于所述的球面基准镜支架(21)上；所述的球面基准镜(20)上还设置有轮廓测量组件和距离测量组件，所述轮廓测量组件用于实时测量被测件对应位置的轮廓值；所述距离测量组件用于实时测量各轴系运动过程中移动的距离。轴系是指在推进装置中,从主机输出轴法兰到推进器，其间以传动轴为主的一整套设备组成的传动系统，对应到本申请中，可以包括以水平运动导轨副为核心的传动系统、以垂直运动导轨副为核心的传动系统、以第一转动副为核心的传动系统、以第二转动副为核心的传动系统、以主轴转动副为核心的传动系统等。

在某些实施例中，所述装置还包括水平测量镜(23)、垂直测量镜(24)和测量镜支架(22)；所述测量镜支架(22)设置在所述底部基座(3)上，所述水平测量镜(23)和所述垂直测量镜(24)均设置在所述测量镜支架(22)上。

在某些实施例中，所述距离测量组件包括水平测量传感器(25)和垂直测量传感器(26)，所述水平测量传感器(25)和垂直测量传感器(26)均设置于所述球面基准镜(20)上，且所述水平测量传感器和垂直测量传感器的轴线通过所述球面基准镜的球心；所述水平测量传感器(25)用于实时测量轴系运动过程在水平方向上的距离；所述垂直测量传感器(26)用于实时测量轴系运动过程在垂直方向上的距离。

进一步地，所述距离测量组件包括水平测量传感器和垂直测量传感器，所述水平测量传感器和垂直测量传感器均设置于所述球面基准镜上，

所述水平测量传感器用于实时测量轴系运动过程在水平方向上的距离；

所述垂直测量传感器用于实时测量轴系运动过程在垂直方向上的距离。

进一步地，所述轮廓测量组件包括半径测量传感器和被测件测量传感器；

在某些实施例中，所述轮廓测量组件包括半径测量传感器(27)和被测件测量传感器(28)，所述半径测量传感器设置在所述第二转动副上，且其轴线始终与球面基准测量镜的半径重合，用于测量所属第二动子与所述第三动子转动时的径向误差；所述被测件测量传感器设置于所述第二转动副的第二动子上，且其轴线始终与球面基准镜的半径重合；所述半径测量传感器(27)和被测件测量传感器(28)用于实时测量所述被测件对应位置的轮廓值。

在某些实施例中，所述装置还包括基台(2)和多个隔振器(1)，所述的底部基座(3)固定在所述基台(2)上，所述的基台(2)固定在所述多个隔振器(1)上；所述的隔振器(1)的固有频率小于1Hz。

在某些实施例中，所述装置还包括侧部基座(4)，所述的侧部基座(4)固定在所述底部基座(3)上；所述的第一静导轨(5.1)设置在所述的侧部基座(4)上。

在某些实施例中，所述装置还包括隔离罩(30)和基台(2)，所述的底部基座(3)固定在所述基台(2)上；所述的隔离罩(30)设置于在所述基台(2)上，用于隔离外部气流的扰动。

在某些实施例中，所述的水平测量传感器(25)、所述的垂直测量传感器(26)、所述的半径测量传感器(27)和所述的被测件测量传感器(28)，设计和安装的机械结构满足测量阿贝原则，可实现纳米级精度的测量。

在某些实施例中，所述的水平运动导轨副(5)和所述垂直运动导轨副(7)可为满足要求的各种直线导轨副，优选为气浮导轨副。

在某些实施例中，述水平运动驱动器(6)和垂直运动驱动器(8)可为满足要求的各种驱动装置，优选为直线电机。

在某些实施例中，所述第一转动副(9)、第二转动副(11)、主轴转动副(13)可为满足要求的各种转动导轨副，优选为气浮转轴。

在某些实施例中，所述第一转动副驱动器(10)、第二转动副驱动器(12)、主轴驱动器(14)可为满足要求的各种驱动装置，优选为直驱式的驱动装置。

在某些实施例中，所述第一直线位移传感器(15)和所述第二直线位移传感器(16)可为满足要求的各种位移传感器，优选的为光栅尺。

在某些实施例中，所述的第一角度传感器(17)、第二角度传感器(18)、第三角度传感器(19)可为满足要求的各种角度传感器，优选的为圆光栅。

在某些实施例中，所述的球面基准镜(20)材料采用低膨胀系数殷钢，且测得球面的各位置的面型用于补偿该面型带来的测量误差。

在某些实施例中，所述的测量镜支架采用低膨胀系数殷钢；

在某些实施例中，所述的水平测量传感器(25)、垂直测量传感器(26)、半径测量传感器(27)可为双频激光干涉仪或多波长传感器。

在某些实施例中，所述的被测件测量传感器(28)为具有纳米级测量精度的传感器，可为多波长传感器、双频激光干涉仪、色散测头、差分共焦测头等。

在某些实施例中，所述的被测件测量传感器(28)的能量可以根据被测件的反射率进行实时的调整。

如图4所示，本发明第二方面提供了一种非接触式光学轮廓测量方法，该方法可以用于测量平面镜轮廓，具体测量过程如下：

测量平面镜轮廓图时，首先将被测件测量传感器(28)垂直装调；而后控制所述第一转动副驱动器(10)和所述第一角度传感器(17)不作用，第一转动副(9)中的第一静子(9.1)相对于第一动子(9.2)静止；第二转动副驱动器(12)和所述第二角度传感器(18)不作用，第二转动副(11)中的第二静子(11.1)相对于第二动子(11.2)静止。

在将各个组件按上述方式装调后，轮廓测量步骤如下：

S1：将被测件安装于主轴转动副(13)的第三动子(13.2)上，驱动轮廓仪各轴系，确定测量零点位置；

S2：根据测量零点和被测件的理论轮廓值规划轮廓测量装置各运动方向的运动轨迹；

S3：根据被测件的形状，所述主轴转动副(13)在主轴驱动器(14)的驱动下第三动子(13.2)相对于第三静子(13.1)连续单方向转动，第三角度传感器记录转动的角度；按照规划的轨迹，以第一直线位移传感器(15)和第二直线位移传感器(16)作为测量和反馈元件，所述水平运动驱动器(6)驱动所述水平运动导轨副(6)中的第一动滑套(5.2)相对于所述第一静导轨(5.1)沿预定轨迹运动，所述垂直运动驱动器(8)驱动所述垂直运动导轨副(7)中的第二动滑套(7.2)相对于第二静导轨(7.1)沿预定轨迹运动；

S4：设置在球面基准镜(20)上的水平测量传感器(25)实时测量轴系运动过程中的水平方向上的距离，设置在球面基准镜(20)上的垂直测量传感器(26)实时测量轴系运动过程中的垂直方向上的距离；设置在第二转动副(11)上的半径测量传感器(27)、被测件测量传感器(28)实时测量被测件对应位置的轮廓值；

S5：根据球面基准镜(20)、水平测量镜(23)和垂直测量镜(24)轮廓曲线校正所述水平测量传感器(25)、垂直测量传感器(26)、半径测量传感器(27)、被测件测量传感器(28)的测量数据，并对校正后的测量数据处理得到被测件的三维轮廓图。

如图5所示，这一实施例涉及的方法可以用于测量中心对称球面或非球面镜的轮廓，具体测量过程如下：

在测量中心对称球面或非球面镜轮廓图时，除了将各组件按测量平面镜轮廓图时的装调之外，还对如下组件进行了调整：首先控制所述第二转动副驱动器(12)和所述第二角度传感器(18)不作用，所述第二转动副(11)中的第二静子(11.1)相对于所述第二动子(11.2)静止。

在将各个组件按上述方式装调后，轮廓测量步骤如下：

S1：将被测件安装于主轴转动副(13)的第三动子(13.2)上，驱动轮廓仪各轴系，确定测量零点位置；

S2：根据测量零点和被测件的理论轮廓值规划轮廓测量装置各运动方向的运动轨迹；

S3：根据被测件的形状，所述主轴转动副在主轴驱动器的驱动下第三动子相对于第三静子连续单方向转动，第三角度传感器记录转动的角度；按照规划的轨迹，以第一角度传感器、第一直线位移传感器和第二直线位移传感器作为测量和反馈元件，所述水平运动驱动器驱动所述水平运动导轨副中的第一动滑套相对于所述第一静导轨沿预定轨迹运动，所述垂直运动驱动器驱动所述垂直运动导轨副中的第二动滑套相对于第二静导轨沿预定轨迹运动；所述第一转动副驱动器驱动所述第一转动副中的第一静子相对于所述第一动子沿预定轨迹运动；

S4：设置在球面基准镜(20)上的水平测量传感器(25)实时测量轴系运动过程中的水平方向上的距离，设置在球面基准镜(20)上的垂直测量传感器(26)实时测量轴系运动过程中的垂直方向上的距离；设置在第二转动副(11)上的半径测量传感器(27)、被测件测量传感器(28)实时测量被测件对应位置的轮廓值；

S5：根据球面基准镜(20)、水平测量镜(23)和垂直测量镜(24)轮廓曲线校正所述水平测量传感器(25)、垂直测量传感器(26)、半径测量传感器(27)、被测件测量传感器(28)的测量数据，并对校正后的测量数据处理得到被测件的三维轮廓图。

如图5所示，这一实施例涉及的测量方法可以用于测量自由曲面镜轮廓，在测量自由曲面镜轮廓时，对于各组件的装调方式与在测量中心对称球面或非球面镜轮廓图时一致，具体测量过程如下：

S1：将被测件安装于主轴转动副(13)的第三动子(13.2)上，驱动轮廓仪各轴系，确定测量零点位置；

S2：根据测量零点和被测件的理论轮廓值规划轮廓测量装置各运动方向的运动轨迹；

S3：根据被测件的形状，所述主轴转动副在主轴驱动器的驱动下第三动子相对于第三静子连续单方向转动，第三角度传感器记录转动的角度；按照规划的轨迹，以第一直线位移传感器、第二直线位移传感器、第一角度传感器、第二角度传感器作为测量和反馈元件，所述水平运动驱动器驱动所述水平运动导轨副中的第一动滑套相对于所述第一静导轨沿预定轨迹运动，所述垂直运动驱动器驱动所述垂直运动导轨副中的第二动滑套相对于第二静导轨沿预定轨迹运动；所述第一转动副驱动器驱动所述第一转动副中的第一静子相对于所述第一动子沿预定轨迹运动；所述第二转动副驱动器驱动所述第二转动副中的第二静子相对于所述第二动子沿预定轨迹运动；

S4：设置在球面基准镜(20)上的水平测量传感器(25)实时测量轴系运动过程中的水平方向上的距离，设置在球面基准镜(20)上的垂直测量传感器(26)实时测量轴系运动过程中的垂直方向上的距离；设置在第二转动副(11)上的半径测量传感器(27)、被测件测量传感器(28)实时测量被测件对应位置的轮廓值；

S5：根据球面基准镜(20)、水平测量镜(23)和垂直测量镜(24)轮廓曲线校正所述水平测量传感器(25)、垂直测量传感器(26)、半径测量传感器(27)、被测件测量传感器(28)的测量数据，并对校正后的测量数据处理得到被测件的三维轮廓图。

本发明涉及的一种非接触式光学轮廓测量装置可以放置于洁净和恒温环境，优选的，洁净度优于万级，温度变化范围±0.25℃，以便提升测量精度。

本发明属于光学精密检测领域，具体涉及一种通用型高精度非接触式光学测量装置及测量方法，本发明涉及的装置主要包括高精度的机械运行系统和纳米级测量精度的测量系统，测量系统中的4个测量传感器均满足测量阿贝原则，机械系统主要包括两维的直线运动和三维的转动，通过机械系统带动高精度的测量传感器和被测件按照预定轨迹运动从而实现被测件轮廓的测量。本申请的装置和方法通用性强，可实现大口径(Φ>500mm)平面、非球面、自由曲面、环面等多种类型轮廓的高精度快速测量。

本发明的有益效果如下：(1)机械系统和高精度测量系统分离，即水平高精度测量传感器、垂直高精度测量传感器、半径高精度测量传感器、被测件高精度测量传感器，以及测量镜支架、水平测量镜、垂直测量镜组成的测量系统和机械运动系统的测量反馈系统分离，既有利于充分发挥机械系统的运行的稳定性、快速性，也有利于扩展机械系统测尺寸，实现大尺寸的光学元件的测量；(2)水平高精度测量传感器、垂直高精度测量传感器、半径高精度测量传感器、被测件高精度测量传感器安装的位置均满足测量阿贝原理，能够实现降低测量不确定度，实现纳米级的测量；(3)该仪器通用性强，可测量的光学元件包括平面、非球面、自由曲面、环面等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非接触式光学轮廓测量装置，其特征在于，所述装置包括转动副、转动副驱动器、角度传感器、直线位移传感器、导轨副、导轨副驱动器、被测件测量传感器支架、球面基准镜、球面基准镜支架和底部基座；

所述转动副包括主轴转动副、第一转动副和第二转动副，所述转动副驱动器包括主轴转动副驱动器、第一转动副驱动器和第二转动副驱动器，所述直线位移传感器包括第一直线位移传感器和第二直线位移传感器，所述角度传感器包括第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器，所述导轨副包括水平运动导轨副和垂直运动导轨副，所述导轨副驱动器包括水平运动驱动器和垂直运动驱动器；

所述水平运动导轨副包括第一静导轨和第一动滑套，所述第一动滑套安装在所述第一静导轨上；所述的水平运动驱动器设置在所述水平运动导轨副上，用于驱动所述第一动滑套相对于所述第一静导轨进行水平运动，所述第一直线位移传感器设置在所述水平运动导轨副上，用于测量所述水平运动的位移量；

所述垂直运动导轨副包括第二静导轨和第二动滑套，所述第二静导轨设置在所述第一动滑套上，所述第二动滑套设置在所述第二静导轨上；所述的垂直运动驱动器设置在所述垂直运动的导轨副上，用于驱动所述第二动滑套相对于所述第二静导轨进行垂直运动；所述第二直线位移传感器设置在所述垂直运动导轨副上，用于测量所述垂直运动的位移量；

所述第一转动副包括第一静子和第一动子，所述第一静子设置于所述第二动滑套中，所述第一动子设置在所述第一静子上；所述第一转动副驱动器设置在所述第一转动副上，用于驱动所述第一动子相对于所述第一静子转动；所述第一角度传感器设置于所述的第一转动副中，用于测量所述第一动子相对于所述第一静子的第一转动角度；

所述第二转动副包括第二静子和第二动子，所述第二静子设置于所述被测件测量传感器支架上，所述被测件测量传感器支架设置于所述第二动子上，所述的第二动子设置于所述的第二静子上；所述的第二转动副驱动器设置于所述第二转动副上，用于驱动所述第二动子相对于所述第二静子转动；所述第二角度传感器设置于所述的第二转动副中，用于测量所述第二动子相对于所述第二静子的第二转动角度；

所述主轴转动副包括第三静子和第三动子，所述第三静子设置在所述底部基座上，所述第三动子设置在所述的第三静子中；所述主轴转动副驱动器设置于所述主轴转动副中，用于驱动所述第三动子相对于所述第三静子转动；所述第三角度传感器设置于所述的主轴转动副中，用于测量所述第三动子相对于所述第三静子的第三转动角度；

所述的球面基准镜支架设置于所述的第二动滑套上，所述的球面基准镜设置于所述的球面基准镜支架上；所述的球面基准镜上还设置有轮廓测量组件和距离测量组件，所述轮廓测量组件用于实时测量被测件对应位置的轮廓值；所述距离测量组件用于实时测量各轴系运动过程中移动的距离。

2.如权利要求1所述的非接触式光学轮廓测量装置，其特征在于，所述装置还包括水平测量镜、垂直测量镜和测量镜支架；

所述测量镜支架设置在所述底部基座上，所述水平测量镜和所述垂直测量镜均设置在所述测量镜支架上。

3.如权利要求1所述的非接触式光学轮廓测量装置，其特征在于，所述距离测量组件包括水平测量传感器和垂直测量传感器，所述水平测量传感器和垂直测量传感器均设置于所述球面基准镜上，且所述水平测量传感器和垂直测量传感器的轴线通过所述球面基准镜的球心；

所述水平测量传感器用于实时测量轴系运动过程在水平方向上的距离；

所述垂直测量传感器用于实时测量轴系运动过程在垂直方向上的距离。

4.如权利要求1所述的非接触式光学轮廓测量装置，其特征在于，所述轮廓测量组件包括半径测量传感器和被测件测量传感器；

所述半径测量传感器设置在所述第二转动副上，且其轴线始终与球面基准测量镜的半径重合，用于测量所述第二动子与所述第三动子转动时的径向误差；所述被测件测量传感器设置于所述第二转动副的第二动子上，且其轴线始终与球面基准镜的半径重合；

所述半径测量传感器和被测件测量传感器用于实时测量所述被测件对应位置的轮廓值。

5.如权利要求1所述的非接触式光学轮廓测量装置，其特征在于，所述装置还包括基台和多个隔振器，所述的底部基座固定在所述基台上，所述的基台固定在所述多个隔振器上；所述的隔振器的固有频率小于1Hz。

6.如权利要求1所述的非接触式光学轮廓测量装置，其特征在于，所述装置还包括侧部基座，所述的侧部基座固定在所述底部基座上；所述的第一静导轨设置在所述的侧部基座上。

7.如权利要求1所述的非接触式光学轮廓测量装置，其特征在于，所述装置还包括隔离罩和基台，所述的底部基座固定在所述基台上；所述的隔离罩设置于在所述基台上，用于隔离外部气流的扰动。

8.一种非接触式光学轮廓测量方法，利用权利要求1~7中任一项所述的非接触式光学轮廓测量装置实现，其特征在于，所述方法包括：

S1：将被测件安装于主轴转动副的第三动子上，驱动轮廓仪各轴系，确定测量零点位置；

S2：根据测量零点和被测件的理论轮廓值规划轮廓测量装置各运动方向的运动轨迹；

S3：根据被测件的形状，所述主轴转动副在主轴驱动器的驱动下第三动子相对于第三静子连续单方向转动，第三角度传感器记录转动的角度；按照规划的轨迹，以第一直线位移传感器和第二直线位移传感器作为测量和反馈元件，所述水平运动驱动器驱动所述水平运动导轨副中的第一动滑套相对于所述第一静导轨沿预定轨迹运动，所述垂直运动驱动器驱动所述垂直运动导轨副中的第二动滑套相对于第二静导轨沿预定轨迹运动；

S4：设置在球面基准镜上的水平测量传感器实时测量轴系运动过程中的水平方向上的距离，设置在球面基准镜上的垂直测量传感器实时测量轴系运动过程中的垂直方向上的距离；设置在第二转动副上的半径测量传感器、被测件测量传感器实时测量被测件对应位置的轮廓值；

S5：根据球面基准镜、水平测量镜和垂直测量镜轮廓曲线校正所述水平测量传感器、垂直测量传感器、半径测量传感器、被测件测量传感器的测量数据，并对校正后的测量数据处理得到被测件的三维轮廓图。

9.如权利要求8所述的一种非接触式光学轮廓测量方法，其特征在于，步骤S3中“以第一直线位移传感器和第二直线位移传感器作为测量和反馈元件”还包括：以第一直线位移传感器、第二直线位移传感器、第一角度传感器作为测量和反馈元件；

步骤S3还包括：所述第一转动副驱动器驱动所述第一转动副中的第一静子相对于所述第一动子沿预定轨迹运动。

10.如权利要求8所述的一种非接触式光学轮廓测量方法，其特征在于，步骤S3中“以第一直线位移传感器和第二直线位移传感器作为测量和反馈元件”还包括：以第一直线位移传感器、第二直线位移传感器、第一角度传感器、第二角度传感器作为测量和反馈元件；

步骤S3还包括：所述第一转动副驱动器驱动所述第一转动副中的第一静子相对于所述第一动子沿预定轨迹运动；所述第二转动副驱动器驱动所述第二转动副中的第二静子相对于所述第二动子沿预定轨迹运动。

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