CN116295108B - 一种矩阵式轮廓测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密测量领域，具体提供一种矩阵式轮廓测量方法及装置，包括高刚度台面、集成数据处理器、多个干涉测头以及数据分析处理系统，所述多个干涉测头形成矩阵式排布，在使用时，利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数；利用多个所述干涉测头的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据，可以通过一次测量实现大量点阵测量，对于小型元件可以一次完成全孔径测量，对于大型元件可以通过少量测量次数拼接测量完成，能够大大提高复杂形貌元件的测量速度。

Description

一种矩阵式轮廓测量方法及装置

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，特别涉及一种矩阵式轮廓测量方法及装置。

背景技术

非球面、自由曲面等复杂曲面制造过程中的主要测量技术手段包括研磨、粗抛光阶段的接触式轮廓测量，精密抛光阶段的补偿干涉测量等。一般来说，在研磨粗抛阶段，优于需要反复迭代收敛，往往要求较快的测量速度和相对较高的效率，但是现有的测量方法包括三座标测量机、摆臂轮廓仪等逐点扫描测量技术耗时较长，往往不能满足于大批量快速生产需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提供一种矩阵式轮廓测量方法及装置。

第一方面，本发明实施例中提供一种矩阵式轮廓测量装置，包括高刚度台面、集成数据处理器、多个干涉测头以及数据分析处理系统，所述多个干涉测头形成矩阵式排布，其中，

所述高刚度台面，用于安装所述集成数据处理器和所述干涉测头；

所述集成数据处理器，用于通过光纤引入干涉用光，接收、解析和计数基于所述干涉用光产生的干涉条纹；

所述干涉测头，包括标准平面镜、接触式测头、以及与所述接触式测头固定连接的角锥棱镜，通过所述标准平面镜的下表面反射光和所述接触式测头上端的角锥棱镜的角锥反射光干涉形成干涉条纹，所述接触式测头在接触被检表面后产生上下伸缩运动，形成条纹移动示数；

所述数据分析处理系统，用于所述多个干涉测头的条纹移动示数进行分析计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。

作为一种可选的方案，所述接触式测头包括测杆、设置在所述测杆顶端的红宝石测头。

作为一种可选的方案，所述高刚度台面上沿竖直方向设有多个安装所述干涉测头的定位孔，所述测杆容纳在所述定位孔内，所述测杆上设有弹簧组件，在所述弹簧组件的弹力作用下所述测杆可在所述定位孔内做伸缩运动。

作为一种可选的方案，所述高刚度台面采用碳化硅材料制成。

作为一种可选的方案，所述多个干涉测头采用9×9的矩阵式排布。

第二方面，本发明实施例中提供一种矩阵式轮廓测量方法，应用于上述的矩阵式轮廓测量装置，包括：

利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数；

将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数；

利用多个所述干涉测头的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。

作为一种可选的方案，所述利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，包括：

将所述矩阵式轮廓测量装置安放在标准平面或标准球面上，记录当前的干涉条纹示数；

所述矩阵式轮廓测量装置抬起过程中，干涉条纹产生运动，对所述干涉条纹产生或消失根数进行计数，基于所述计数确定初始位置读数。

本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量装置及方法，所述装置包括高刚度台面、集成数据处理器、多个干涉测头以及数据分析处理系统，所述多个干涉测头形成矩阵式排布，其中，所述高刚度台面，用于安装所述集成数据处理器和所述干涉测头；所述集成数据处理器，用于通过光纤引入干涉用光，接收、解析和计数基于所述干涉用光产生的干涉条纹；所述干涉测头，包括标准平面镜、接触式测头、以及与所述接触式测头固定连接的角锥棱镜，通过所述标准平面镜的下表面反射光和所述接触式测头上端的角锥棱镜的角锥反射光干涉形成干涉条纹，所述接触式测头在接触被检表面后产生上下伸缩运动，形成条纹移动示数；所述数据分析处理系统，用于所述多个干涉测头的条纹移动示数进行分析计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。在使用时，利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数；利用多个所述干涉测头的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据，可以通过一次测量实现大量点阵测量，对于小型元件可以一次完成全孔径测量，对于大型元件可以通过少量测量次数拼接测量完成，能够大大提高复杂形貌元件的测量速度。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量装置中干涉测头的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量方法中初始标定的示意图；

图5为本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量方法中大口径拼接的示意图。

附图标记：高刚度台面1、集成数据处理器2、干涉测头3、干涉用光4、标准平面镜31、角锥棱镜32、测杆33、红宝石测头34。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1和图2所示，本发明实施例中提供一种矩阵式轮廓测量装置，包括高刚度台面1、集成数据处理器2、多个干涉测头3以及数据分析处理系统（图中未示出），所述多个干涉测头3形成矩阵式排布，其中，所述高刚度台面1，用于安装所述集成数据处理器2和所述干涉测头3；所述集成数据处理器2，用于通过光纤引入干涉用光4，接收、解析和计数基于所述干涉用光4产生的干涉条纹；所述干涉测头3，包括标准平面镜31、接触式测头、以及与所述接触式测头固定连接的角锥棱镜32，通过所述标准平面镜31的下表面反射光和所述接触式测头上端的角锥棱镜32的角锥反射光干涉形成干涉条纹，所述接触式测头在接触被检表面后产生上下伸缩运动，形成条纹移动示数；所述数据分析处理系统，用于所述多个干涉测头3的条纹移动示数进行分析计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。

本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量装置使用时，利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头3基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数；利用多个所述干涉测头3的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据，可以通过一次测量实现大量点阵测量，对于小型元件可以一次完成全孔径测量，对于大型元件可以通过少量测量次数拼接测量完成，能够大大提高复杂形貌元件的测量速度，测量速度提高程度取决于所采用阵列数目。

结合图2所示，对本实施例中提供的接触式测头的结构进行介绍，接触式测头包括测杆33、设置在所述测杆33顶端的红宝石测头34，红宝石测头34具有良好的表面光洁度，并具有优异的耐压强度和抗碰撞性，还可以根据场景需要选择氮化硅测针或钻石扫描探针，对此不做限定。

在一些实施例中，高刚度台面1上沿竖直方向设有多个安装干涉测头3的定位孔（图中未示出），定位孔的数量与干涉测头3的数量相匹配，在安装时，测杆33容纳在定位孔内为了方便测杆在定位孔内做上下方向的伸缩运动，测杆33上设有弹簧组件（图中未示出），弹簧组件可以是套设在测杆33上，弹簧组件的一端抵靠在定位孔的内壁上，弹簧组件的另一端固定在测杆33上，弹簧组件可以采用压簧，弹簧组件可以预压缩的安装在测杆和定位孔之间，这样在弹簧组件的弹力作用下所述测杆可在所述定位孔内做伸缩运动，这里需要说明的是，干涉测头3在接触到被检表面后会因为受到阻挡而向上运动即收缩，在弹性组件的弹力作用下干涉测头3保持抵靠在被检表面，当干涉测头3抬起后在弹性组件的弹力作用下恢复至标定时的初始状态。

在一些实施例中，高刚度台面1可以采用干刚度材料制成，例如可以采用超高强度钢或碳化硅材料，超高强度钢屈服强度大于1180MPa，抗拉强度大于1380MPa，本实施例中，所述高刚度台面1采用碳化硅材料制成，对此不做限定。

矩阵式轮廓测量装置可以通过一次测量实现大量点阵测量，对于小型元件可以一次完成全孔径测量，对于大型元件可以通过少量测量次数拼接测量完成，为了便于准确测量被检表面可以采用君真是排布方式，具体地，多个干涉测头3采用9×9的矩阵式排布或者10×10阵列，对于被检表面的测量速度可以提高近2个数量级。

本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量装置，包括高刚度台面1、集成数据处理器2、多个干涉测头3以及数据分析处理系统，所述多个干涉测头3形成矩阵式排布，其中，所述高刚度台面1，用于安装所述集成数据处理器2和所述干涉测头3；所述集成数据处理器2，用于通过光纤引入干涉用光，接收、解析和计数基于所述干涉用光产生的干涉条纹；所述干涉测头3，包括标准平面镜、接触式测头、以及与所述接触式测头固定连接的角锥棱镜，通过所述标准平面镜的下表面反射光和所述接触式测头上端的角锥棱镜的角锥反射光干涉形成干涉条纹，所述接触式测头在接触被检表面后产生上下伸缩运动，形成条纹移动示数；所述数据分析处理系统，用于所述多个干涉测头3的条纹移动示数进行分析计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。在使用时，利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头3基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数；利用多个所述干涉测头3的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据，可以通过一次测量实现大量点阵测量，对于小型元件可以一次完成全孔径测量，对于大型元件可以通过少量测量次数拼接测量完成，能够大大提高复杂形貌元件的测量速度。

结合图3所示，相应地，本发明实施例中提供一种矩阵式轮廓测量方法，应用于上述的矩阵式轮廓测量装置，包括：

S101、利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数；

S102、将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数；

S103、利用多个所述干涉测头的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。

结合图4所示，在一些实施例中，S101中利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，包括：

S1011、将所述矩阵式轮廓测量装置安放在标准平面或标准球面上，记录当前的干涉条纹示数；

S1012、所述矩阵式轮廓测量装置抬起过程中，干涉条纹产生运动，对所述干涉条纹产生或消失根数进行计数，基于所述计数确定初始位置读数。

结合图5所示，对于小孔径元件表面50的测量可以通过一次轮廓测量完成，对于大孔径元件表面的轮廓测量，可以预先划分在多个子孔径区域，例如第一子孔径、第二子孔径以及第三子孔径，分别对每个子孔径区域进行测量得到第一子孔径检测51、第二子孔径检测52以及第三子孔径检测53，完成各个子孔径区域测量后在进行拼接计算即可得到大孔径元件表面轮廓的计算。

本发明实施例中提供的矩阵式轮廓测量方法，包括高刚度台面、集成数据处理器、多个干涉测头以及数据分析处理系统，所述多个干涉测头形成矩阵式排布，利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数，利用多个所述干涉测头的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据，可以通过一次测量实现大量点阵测量，对于小型元件可以一次完成全孔径测量，对于大型元件可以通过少量测量次数拼接测量完成，大大提高复杂形貌元件的测量速度。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种矩阵式轮廓测量装置，其特征在于，包括高刚度台面、集成数据处理器、多个干涉测头以及数据分析处理系统，所述多个干涉测头形成矩阵式排布，其中，

所述高刚度台面，用于安装所述集成数据处理器和所述干涉测头；

所述集成数据处理器，用于通过光纤引入干涉用光，接收、解析和计数基于所述干涉用光产生的干涉条纹；

所述干涉测头，包括标准平面镜、接触式测头、以及与所述接触式测头固定连接的角锥棱镜，通过所述标准平面镜的下表面反射光和所述接触式测头上端的角锥棱镜的角锥反射光干涉形成干涉条纹，所述接触式测头在接触被检表面后产生上下伸缩运动，形成条纹移动示数；

所述数据分析处理系统，用于所述多个干涉测头的条纹移动示数进行分析计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。

2.根据权利要求1所述的矩阵式轮廓测量装置，其特征在于，所述接触式测头包括测杆、设置在所述测杆顶端的红宝石测头。

3.根据权利要求2所述的矩阵式轮廓测量装置，其特征在于，所述高刚度台面上沿竖直方向设有多个安装所述干涉测头的定位孔，所述测杆容纳在所述定位孔内，所述测杆上设有弹簧组件，在所述弹簧组件的弹力作用下所述测杆可在所述定位孔内做伸缩运动。

4.根据权利要求1所述的矩阵式轮廓测量装置，其特征在于，所述高刚度台面采用碳化硅材料制成。

5.根据权利要求1所述的矩阵式轮廓测量装置，其特征在于，所述多个干涉测头采用9×9的矩阵式排布。

6.一种矩阵式轮廓测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5中任一项所述的矩阵式轮廓测量装置，包括：

利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数；

将所述矩阵式轮廓测量装置放置在被检表面，所述干涉测头基于被检表面的轮廓产生伸缩运动，产生条纹移动示数；

利用多个所述干涉测头的条纹移动示数计算得到所述被检表面的轮廓形貌数据。

7.根据权利要求6所述的矩阵式轮廓测量方法，其特征在于，所述利用标准平面或标准球面对所述矩阵式轮廓测量装置进行标定，以获取初始位置读数，包括：

将所述矩阵式轮廓测量装置安放在标准平面或标准球面上，记录当前的干涉条纹示数；

所述矩阵式轮廓测量装置抬起过程中，干涉条纹产生运动，对所述干涉条纹产生或消失根数进行计数，基于所述计数确定初始位置读数。