CN114076574B - 一种自由曲面测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于自由曲面测量领域，公开了自由曲面测量系统，包括探测单元、移动单元、数据处理单元和计算机单元，移动单元和数据处理单元均与和计算机单元连接，计算机单元根据被测自由曲面被测自由曲面的多个环形子孔径的位置关系控制移动单元的运动，探测单元在移动单元的驱动下检测各个环形子孔径反射的激光光束的波前斜率，探测单元包括光源、光纤阵列、光谱仪阵列和透镜阵列，数据处理单元与光谱仪阵列连接，用于根据各个环形子孔径对应的波前斜率获得被测自由曲面的面形；该自由曲面测量系统的探测单元基于共聚焦原理，利用透镜阵列产生长的色散区域，并在焦面上采用集成光波导，扩大接收视场，可实现非接触、大量程、大倾角范围面形测量。

Description

一种自由曲面测量系统

技术领域

本发明涉及自由曲面测量领域，尤其涉及一种自由曲面测量系统。

背景技术

人工关节是关节疾病患者治疗的最终希望，优良适配的人造关节，对于患者的预后具有十分重要的作用。其中，人造关节表面不仅与每个人的生理解剖结构相关，同时，人造关节的表面特征，与后期生物相容性也息息相关。针对人造关节表面，需要实现跨尺度亚微米精度形貌测量，分别为关节的轮廓与面形。关节的面形多为自由曲面，对其进行测量需要克服大矢高差、大倾角的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由曲面测量系统，其旨在解决对自由曲面进行测量需要克服大矢高差、大倾角的问题的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种自由曲面测量系统，包括探测单元、移动单元、数据处理单元和计算机单元，探测单元设置在所述移动单元上，所述移动单元和所述数据处理单元均与所述计算机单元连接，所述计算机单元根据被测自由曲面的多个环形子孔径的位置关系控制所述移动单元的运动，所述探测单元在所述移动单元的驱动下依次检测各个环形子孔径反射的激光光束的波前斜率，所述探测单元包括光源、光纤阵列、光谱仪阵列和透镜阵列，所述光谱仪阵列设于所述光纤阵列的后端，所述透镜阵列设于所述光纤阵列的前端，所述光源发出的激光光束经过所述光纤阵列射入至所述透镜阵列，并经过所述透镜阵列射入被测自由曲面，被测自由曲面反射的激光光束经所述透镜阵列返回至所述光纤阵列，并入射至所述光谱仪阵列，所述光谱仪阵列用于获取各个环形子孔径反射的激光光束的波前斜率，所述数据处理单元与所述光谱仪阵列连接，所述数据处理单元用于根据各个环形子孔径对应的波前斜率获得被测自由曲面的面形，并传输至所述计算机单元。

优选地，所述光纤阵列包括多根光纤，所述光谱仪阵列包括多个光谱仪，所述透镜阵列包括多个透镜，所述光谱仪、所述光纤和所述透镜一一对应设置，所述光谱仪设于所述光纤的后端，所述透镜设于所述光纤的前端。

优选地，至少部分所述光谱仪的测量精度不同。

优选地，所述光纤为多模光纤。

优选地，所述移动单元包括平移机构、旋转台和机械臂，所述旋转台用于驱动被测自由曲面做旋转运动，所述平移机构用于调整所述探测单元相对被测自由曲面的径向位置，所述机械臂用于调整探测单元相对被测自由曲面的竖直位置。

优选地，所述旋转台设置在所述平移机构上，所述探测单元设置在所述机械臂上，所述平移机构用于驱动所述旋转台带动被测自由曲面做径向运动，所述机械臂用于驱动所述探测单元做竖直运动。

优选地，所述机械臂设置在所述平移机构上，所述探测单元设置在所述机械臂上，所述平移机构用于驱动所述机械臂带动被测自由曲面做径向运动，所述机械臂用于驱动探测单元做竖直运动。

优选地，所述数据处理单元基于极大似然估计的方法对各环形子孔径之间的倾角与平移进行调节，并对多个环形子孔径进行拼接以获得被测自由曲面的面形。

优选地，所述自由曲面测量系统还包括用于设置在所述探测单元与被测自由曲面之间的双五棱镜单元，所述双五棱镜单元包括与所述计算机单元连接的自准直仪、平面反射镜、移动导轨、第一五棱镜和第二五棱镜，所述自准直仪、所述第一五棱镜和所述第二五棱镜沿激光光束的出射方向依次设置，所述平面反射镜沿平行于激光光束的出射方向设置在所述移动导轨的一侧，且所述平面反射镜的轴向尺寸至少覆盖所述第一五棱镜和所述第二五棱镜，所述第一五棱镜固定在移动导轨上，所述第一五棱镜包括五棱镜和三角镜，所述探测单元射出的激光光束经自所述准直仪入射至所述第一五棱镜，经所述第一五棱镜透射至所述第二五棱镜，并经所述第二五棱镜偏转90度出射，出射光束垂直射入所述平面反射镜，经所述平面反射镜反射后，反射光束经所述第二五棱镜原路返回至所述第一五棱镜，并经所述第二五棱镜偏转90度出射，出射光束垂直射入所述平面反射镜，经所述平面反射镜反射后，反射光束经所述第一五棱镜原路返回至所述自准直仪，所述自准直仪测量返回光束与所述自准直仪发出的平行光束的夹角，并将测量结果传输至所述计算机。

优选地，所述双五棱镜单元还包括与所述计算机单元连接的加速度计，所述加速度计固定在所述移动导轨上，所述加速度计用于测量所述探测单元射出的激光光束的高频振动。

本发明提供的自由曲面测量系统的探测单元基于共聚焦原理，利用透镜阵列产生长的色散区域，并在焦面上采用集成光波导，扩大接收视场，可实现非接触、大量程、大倾角范围面形测量。

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自由曲面测量系统的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的自由曲面测量系统的结构示意图。

附图标号说明：

10、探测单元；11、光纤阵列；12、光谱仪阵列；13、透镜阵列；20、移动单元；21、平移机构；22、旋转台；23、机械臂；30、数据处理单元；40、计算机单元；50、双五棱镜单元；51、自准直仪；52、平面反射镜；53、移动导轨；54、第一五棱镜；55、第二五棱镜；56、加速度计；60、被测自由曲面。

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作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2所示，其为本发明的一种实施例的自由曲面测量系统，基于斜率测量原理，通过获得自由曲面斜率的测量，结合本征模式分解，实现自由曲面的高精度检测。

请参阅图1-图2，本发明实施例的自由曲面测量系统包括探测单元10、移动单元20、数据处理单元30和计算机单元40，探测单元10设置在移动单元20上，移动单元20和数据处理单元30均与计算机单元40连接，被测自由曲面60被预先划分为多个环形子孔径，计算机单元40根据被测自由曲面60多个环形子孔径的位置关系控制移动单元20的运动，探测单元10在移动单元20的驱动下依次检测各个环形子孔径反射的激光光束的波前斜率，探测单元10包括光源(图未示)、光纤阵列11、光谱仪阵列12和透镜阵列13，光谱仪阵列12设于光纤阵列11的后端，透镜阵列13设于光纤阵列11的前端，光源发出的激光光束经过光纤阵列11射入至透镜阵列13，并经过透镜阵列13射入被测自由曲面60，被测自由曲面60反射的激光光束经透镜阵列13返回至光纤阵列11，并入射至光谱仪阵列12，光谱仪阵列12用于获取各个环形子孔径反射的激光光束的波前斜率，数据处理单元30与光谱仪阵列12连接，用于根据各个环形子孔径对应的波前斜率获得被测自由曲面60的面形，并传输至计算机单元40。

本发明实施例的自由曲面测量系统的探测单元10基于共聚焦原理，利用透镜阵列13产生长的色散区域，并在焦面上采用集成光波导，扩大接收视场，可实现非接触、大量程、大倾角范围面形测量。

示例性地，光纤阵列11包括多根光纤，光谱仪阵列12包括多个光谱仪，透镜阵列13包括多个透镜，光谱仪、光纤和透镜一一对应设置，光谱仪位于光纤的后端，透镜位于光纤的前端。

可选地，至少部分光谱仪的测量精度不同，通过精度衔接，可有效提高探测单元10的检测精度。

可选地，光纤为多模光纤。

可选地，为避免不同光纤之间发生串扰，采用孔径编码的形式，分别接通不同通路。

可选地，为减少光纤包层倏逝波对能量的串扰，需要保证光纤波导尽量平直，例如可采用铠装光纤的方式，保证环境适应性。

示例性地，某些实施例中，移动单元20用于调整探测单元10相对被测自由曲面60相对的位置从而使探测单元10能够逐一对多个环形子孔径进行检测从而完成被测自由曲面60的检测。

移动单元20包括平移机构21、旋转台22和机械臂23，被测自由曲面60被放置在旋转台22上，旋转台22用于驱动被测自由曲面60做旋转运动，平移机构21用于调整探测单元10相对被测自由曲面60的径向位置，机械臂23用于调整探测单元10相对被测自由曲面60的竖直位置。

可以理解地，平移机构21可以被配置为用于驱动探测单元10做径向运动，也可以被配置为用于驱动被测自由曲面60做径向运动。示例性地，平移机构21为直线导轨机构，其通过电机驱动导轨滑动。

同理，机械臂23可以被配置为用于驱动探测单元10做竖直运动，也可以被配置为用于驱动被测自由曲面60做竖直运动。

示例性地，旋转台22设置在平移机构21上，探测单元10设置在机械臂23上，平移机构21驱动旋转台22带动被测自由曲面60做径向运动，机械臂23驱动探测单元10做竖直运动。

在此，采用机械臂23作为空间移动设备，具有占地空间少，集成化高的特点。为了进一步提高机械臂23在工作空间中的精度，在结构设计与运动空间规划的基础上，可采用激光跟踪仪标校的方式。由于机械臂23所带入的空间定位误差不影响对矢高的测量。同时，结合旋转转台与平移机构21，可最大程度上降低机械臂23的调节自由度，即机械臂23仅需要在单一竖直平面内运动，可采用平面反射镜52结合自准直探测。

可以理解地，机械臂23可以作为一维运动机构，也可以作为二维运动机构，当机械臂23作为二维运动机构的时候，机械臂23既能做竖直运动，又能做径向运动，此时移动单元20无需另外设置平移机构21。

示例性地，某些实施例中，数据处理单元30基于极大似然估计的方法对各环形子孔径之间的倾角与平移进行调节，再通过子孔径拼接算法对多个环形子孔径进行拼接以获得被测自由曲面60的面形。

被测自由曲面60被预先划分为多个环形子孔径，多个子孔径可以存在重合的部分，也互相不重合，如果被测自由曲面60的高度差比较大，则多个子孔径设置成存在重合的部分。

此外，为实现精准的原位多参量校准，在光学信息获取方面，本发明实施例的自由曲面测量系统结合光纤互联架构，通过激光直写实现多参量探测功能的集成，并利用光纤互联实现光信号的收集与传输，降低外界对光路的干扰；利用离线、在线误差标校方法，建立热—力耦合工况下的修正、预测模型，利用旋量理论将关节空间、运动空间与光学测量环节，建立解析式关联，并分析在米级跨度上分析执行机构与气流扰动对测量结果的影响。

作为误差评价指标，不仅需要拥有全面的性能表征能力，同时也必须兼顾误差的统计学特性。通过自下而上地分析统计学指标，不仅可以明晰镜面数据与系统各环节误差统计规律之间的内在联系，实现科学需求与技术指标之间的转化，还能通过假设检验与相关运算更好地理解二者间互相影响的规律，进而指导大口径平面镜集成检测。

示例性地，某些实施例中，自由曲面测量系统还包括用于设置在探测单元10与被测自由曲面60之间的双五棱镜单元50，双五棱镜单元50包括与计算机单元40连接的自准直仪51、平面反射镜52、移动导轨53、第一五棱镜54和第二五棱镜55，自准直仪51、第一五棱镜54和第二五棱镜55沿激光光束的出射方向依次设置，平面反射镜52沿平行于激光光束的出射方向设置在移动导轨53的一侧，且平面反射镜52的轴向尺寸至少覆盖第一五棱镜54和第二五棱镜55，第一五棱镜54固定在移动导轨53上，第一五棱镜54包括五棱镜和三角镜，探测单元10射出的激光光束经自准直仪51入射至第一五棱镜54，经第一五棱镜54透射至第二五棱镜55，并经第二五棱镜55偏转90度出射，出射光束垂直射入平面反射镜52，经平面反射镜52反射后，反射光束经第二五棱镜55原路返回至第一五棱镜54，并经第二五棱镜55偏转90度垂直射入平面反射镜52，经平面反射镜52反射后，反射光束经第一五棱镜54原路返回至自准直仪51，由自准直仪51测量返回光束与自准直仪51发出的平行光束的夹角(即探测单元10射出的激光光束的偏摆误差)，并将测量结果传输至计算机。

由于机械臂23仅在平面内做平行移动，因此，其角度不会发生变化，采用双五棱镜单元50测算角度偏差，将该角度偏差迭代计算至矢高测量(即机械臂23的竖直移动)中，可有效补偿测量过程中环境振动和空气扰动引入的系统误差，测量精度较高。

进一步地，双五棱镜单元50还包括与计算机单元40连接的加速度计56，加速度计56固定在移动导轨53上，加速度计56用于测量探测单元10发出的激光光束的高频振动。

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 (8)

1.一种自由曲面测量系统，其特征在于，包括探测单元、移动单元、数据处理单元和计算机单元，探测单元设置在所述移动单元上，所述移动单元和所述数据处理单元均与所述计算机单元连接，所述计算机单元根据被测自由曲面的多个环形子孔径的位置关系控制所述移动单元的运动，所述探测单元在所述移动单元的驱动下依次检测各个环形子孔径反射的激光光束的波前斜率，所述探测单元包括光源、光纤阵列、光谱仪阵列和透镜阵列，所述光谱仪阵列设于所述光纤阵列的后端，所述透镜阵列设于所述光纤阵列的前端，所述光源发出的激光光束经过所述光纤阵列射入至所述透镜阵列，并经过所述透镜阵列射入被测自由曲面，被测自由曲面反射的激光光束经所述透镜阵列返回至所述光纤阵列，并入射至所述光谱仪阵列，所述光谱仪阵列用于获取各个环形子孔径反射的激光光束的波前斜率，所述数据处理单元与所述光谱仪阵列连接，所述数据处理单元用于根据各个环形子孔径对应的波前斜率获得被测自由曲面的面形，并传输至所述计算机单元；

所述移动单元包括平移机构、旋转台和机械臂，所述旋转台用于驱动被测自由曲面做旋转运动，所述平移机构用于调整所述探测单元相对被测自由曲面的径向位置，所述机械臂用于调整探测单元相对被测自由曲面的竖直位置；

所述自由曲面测量系统还包括用于设置在所述探测单元与被测自由曲面之间的双五棱镜单元，所述双五棱镜单元包括与所述计算机单元连接的自准直仪、平面反射镜、移动导轨、第一五棱镜和第二五棱镜，所述自准直仪、所述第一五棱镜和所述第二五棱镜沿激光光束的出射方向依次设置，所述平面反射镜沿平行于激光光束的出射方向设置在所述移动导轨的一侧，且所述平面反射镜的轴向尺寸至少覆盖所述第一五棱镜和所述第二五棱镜，所述第一五棱镜固定在移动导轨上，所述第一五棱镜包括五棱镜和三角镜，所述探测单元射出的激光光束经自所述准直仪入射至所述第一五棱镜，经所述第一五棱镜透射至所述第二五棱镜，并经所述第二五棱镜偏转90度出射，出射光束垂直射入所述平面反射镜，经所述平面反射镜反射后，反射光束经所述第二五棱镜原路返回至所述第一五棱镜，并经所述第二五棱镜偏转90度出射，出射光束垂直射入所述平面反射镜，经所述平面反射镜反射后，反射光束经所述第一五棱镜原路返回至所述自准直仪，所述自准直仪测量返回光束与所述自准直仪发出的平行光束的夹角，并将测量结果传输至所述计算机。

2.如权利要求1所述的自由曲面测量系统，其特征在于，所述光纤阵列包括多根光纤，所述光谱仪阵列包括多个光谱仪，所述透镜阵列包括多个透镜，所述光谱仪、所述光纤和所述透镜一一对应设置，所述光谱仪设于所述光纤的后端，所述透镜设于所述光纤的前端。

3.如权利要求2所述的自由曲面测量系统，其特征在于，至少部分所述光谱仪的测量精度不同。

4.如权利要求1所述的自由曲面测量系统，其特征在于，所述光纤为多模光纤。

5.如权利要求1所述的自由曲面测量系统，其特征在于，所述旋转台设置在所述平移机构上，所述探测单元设置在所述机械臂上，所述平移机构用于驱动所述旋转台带动被测自由曲面做径向运动，所述机械臂用于驱动所述探测单元做竖直运动。

6.如权利要求1所述的自由曲面测量系统，其特征在于，所述机械臂设置在所述平移机构上，所述探测单元设置在所述机械臂上，所述平移机构用于驱动所述机械臂带动被测自由曲面做径向运动，所述机械臂用于驱动探测单元做竖直运动。

7.如权利要求1所述的自由曲面测量系统，其特征在于，所述数据处理单元基于极大似然估计的方法对各环形子孔径之间的倾角与平移进行调节，并对多个环形子孔径进行拼接以获得被测自由曲面的面形。

8.如权利要求1所述的自由曲面测量系统，其特征在于，所述双五棱镜单元还包括与所述计算机单元连接的加速度计，所述加速度计固定在所述移动导轨上，所述加速度计用于测量所述探测单元射出的激光光束的高频振动。

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