CN203993372U - 一种基于声光调制的非球面模具在机测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于声光调制的非球面模具在机测量装置，其包括：一个激光器、两个扩束系统、一个缩束系统、一块分光镜、一个转换透镜、两块光学平板、四个楔角很小的圆形光楔、一个高带宽声光偏转器、两个空间滤波器、两块反射镜、一个射频功率放大器、一个直接数字频率合成器(DDS)、一个CCD和一台计算机。在该装置中，DDS和CCD均与计算机连接，并由计算机控制。本实用新型通过计算机程序调节DDS频率控制字使干涉条纹高速变频，并采用多频时间序列相位解包裹方法进行条纹图处理；其条纹变频的速度达到几十纳秒／帧，因此可实现非球面光学模具的面形在机检测。

Description

一种基于声光调制的非球面模具在机测量装置

【技术领域】

本实用新型是一种基于光学干涉技术的三维测量装置，特别是涉及一种基于声光调制的非球面模具在机测量装置。

【背景技术】

目前各类镜头已朝短、小、轻、薄和高像质方向发展，而非球面透镜的使用成为推动这一趋势发展的主导力量。塑胶非球面透镜(口径在100mm以下)的批量制造主要采用精密注塑成型技术，而玻璃非球面透镜(口径在50mm以下)的批量制造主要采用热模压成型技术，这两类非球面透镜的制造都依赖超精密模具的加工，而模具的加工精度和效率便是制约非球面镜片生产的一个技术瓶颈。如何提高模具的加工精度和效率，其中一个重要的前提就是拥有高效率、高精度的在机面形检测手段。透镜模具一般要求面形加工精度在亚微米量级，甚至纳米量级，这就要求面形的测量精度更高；同时由于在现场制造中经常加工大量尺寸和形状不同的非球面模具，这就需要一种灵活快速的测量系统以实现多种类型模具面形的测量，其测量的灵活性和测量速度应能满足在机测量的要求；由于是高精度测量，必然会受到振动噪声的影响，实际测量中低频振动的影响远远大于高频振动，在机测量要求测量系统对一般的低频振动不敏感。在透镜模具的超精密加工过程中，要达到热模压或注塑成型所要求的面形精度，需要进行多次补偿加工，而补偿量的获取需要通过满足上述条件的在机测量装置来实现，因此，优秀的在机面形测量方法将是完成超精密模具加工和透镜成型的关键所在。接触式二维在机测量方法越来越滞后于模具加工的需求，研究高效率、高精度的三维在机测量方法已是业内急需。

在先技术之一(参见论文“On-Machine Measurement ofAspherical Surface Profile非球面表面轮廓在机测量”，作者：AraiYoshikazu，Gao Wei，Shimizu Hiroki，Kiyono Satoshi andKuriyagawa Tsunemoto，杂志名：Nanotechnology and PrecisionEngineering，2(3)，210-216页，2004年)采用接触式探针测量出非球面模具表面各点的三维坐标值，这种测量方法虽然原理简单，但测量效率低，在进行测量前期，需预先寻找中心顶点，以顶点为参考点进行测量，测量的速度和精度与确认顶点的误差有很大关系，而且探针在使用一段时间后，测头的磨损导致测量误差偏大，需更换测头；这种方法只能测量模具的二维截面轮廓，无法得到三维信息，很难用于非回转对称非球面模具的在机测量；同时，接触法在测量不同材质的模具方面，测头容易划伤模具表面或被模具表面划伤。这些缺点都严重制约着接触式方法在模具在机测量方面的进一步应用。

在先技术之二(参见书籍“自由曲面光学设计与先进制造技术”，作者：李荣彬，杜雪，张志辉，香港理工大学工业及系統工程学系先進光学制造中心出版，2005年)利用原子间相互排斥力原理开发出原子力测量技术，并用于非球面透镜模具的面形测量。这种方法在本质上也属于接触式测量，只是测头接触力非常小，可在模具表面进行往复式移动获取三维信息，不过在测量较大模具三维面形时效率依然很低；其缺点类似扫描探针法，如测头引起的误差，测量前需寻找中心顶点，等等；再者，其价格非常昂贵。目前此测量系统仅限于离机测量。

在先技术之三(参见论文“The3D measurement and analysis ofaspheric surfaces非球面的三维测量与分析”，作者：McBride，J.W.，NPL Engineering Measurement Awareness Network Meeting：HighAccuracy Freeform Measurement of Optical and OrthopaedicSurfaces，Loughborough，UK，pp.39，2009；论文：“Testing AsphericSurfaces：Simple Method With a Circular Stop非球面测试：简单圆形光阑法”，作者：Andrianto Handojo and Hans J.Frankena，期刊：Applied Optics，37(25)，5969-5973，1998年；论文“Null Hartmanntest for the fabrication process of large aspheric surfaces大型非球面制造中的零哈特曼检测法”，作者：Ho-Soon Yang，Yun-Woo Lee，Jae-Bong Song，and In-Won Lee，期刊：Opt.Express，13(6)，1839-1847，2005年)主要采用非干涉方法对大型非球面镜进行离机测量，测量精度不高，不适合非球面光学镜片模具的在机测量。

在先技术之四(参见论文：“Computer Generated Hologram：NullLens Test of Aspheric Wavefronts计算全息：非球面波面的零透镜测试”，作者：J C Wyant and P K O’Neill，期刊：Appl.Opt，13(12)，2762-2765，1974年；及论文“Dynamic null lens for aspheric testingusing a membrane mirror采用薄膜镜制作动态零透镜实现非球面检测”，作者：C.Pruss，H.J.Tiziani，期刊：Optics Communications，233(1-3)，15-19，2004年；及论文“利用曲面计算全息图进行非球面检测”，作者：卢振武，刘华，李凤有，期刊：光学精密工程，12(6)，555-559，2004年)采用零补偿透镜和计算全息干涉法实现非球面的测量，尽管补偿干涉法测量精度很高，能满足模具加工的面形检测要求，但补偿干涉法都需要根据所测量的非球面特点制作相应的零透镜、薄膜镜片或计算全息图，这大大降低了测量的灵活性，而且极小口径或高精度的计算全息图制作非常困难，代价很高。在加工不同类型非球面的透镜模具时，补偿干涉法的测量方案需变更、重新设计和制作，这样效率太低，无法用于在机测量。

在先技术之五(参见论文：“Automated Interferometric System forAspheric Surface Testing非球面测试的自动干涉系统”，作者：T.Kanou，Proc.SPIE，680，p.71，1986；及论文“Lateral-shearinginterferometer using square prisms for optical testing of asphericlenses采用四方棱镜剪切干涉仪进行非球面透镜测量”，作者：Seung-Woo Kim，Woo-Jong Cho and Byoung-Chang Kim，期刊：Meas.Sci.Technol.，9，1129-1136，1998年；及论文：“System optimizationof radial shearing interferometer for asphe ric testing径向剪切干涉仪进行非球面测试的系统优化”，作者：Dong Liu，Yongying Yang andYibing Shen，Junmiao Weng，Yongmo Zhuo，Proc.SPIE，6834，68340U，2008年；及论文“Aspheric surface testing by a phase-shiftingshearing interferometer相移剪切干涉仪进行非球面测试”，作者：GaoHong，Xin Qiming，Huang Kaixiang and Parks Robert E.，期刊：Advanced Optical Manufacturing and Testing IV of SPIE，145-149，1994年)介绍了剪切干涉技术用于实现非球面的测量。剪切干涉技术不需标准参考面，可通过调节剪切量在一定程度上满足不同类型非球面的面形测量，灵活性很强，已成为非球面测量领域的研究热点。但目前的研究局限于利用剪切干涉仪进行非球面的离机测量，将其用于非球面模具的在机测量还存在如下问题：1、测量精度偏低，将其用于在机测量时还需考虑更多的误差因素，如机床本身的振动、气压不稳和机床油路引起的振动、地基振动等等，其测量精度无法满足模具加工的要求；2、目前的剪切干涉技术测量效率低，即无法在机实现不同口径、不同面形、不同非球面度的非球面模具检测；3、目前剪切干涉以横向剪切为主，但横向剪切所获得的干涉图并不能反映被测模具的全部面形，要恢复全部面形还需要先后采集相互正交的两组干涉图，这会大大影响在机测量的效率。

【实用新型内容】

为克服上述现有技术的缺点，本实用新型提出一种用于非球面光学模具面形在机测量的新装置。

本实用新型解决技术问题的技术方案是：提供一种基于声光调制的非球面模具在机测量装置，其包括一激光器，其特征在于：沿激光器产生激光的水平前进方向依序设置光学扩束系统、分光镜、聚焦转换透镜、被测非球面模具；所述激光再次经过分光镜反射后形成第一垂直光路，在该垂直光路放置第一光学平板，激光通过第一光学平板后形成两条水平光路，在下面光路a中沿激光前进方向依序设置第一光楔、第二光楔；在上面光路b中沿激光前进方向先后放置第三光楔、第四光楔；在光楔和光楔后放置一高带宽声光偏转器，光路a与光路b均通过声光偏转器，声光偏转器与射频功率放大器连接，射频功率放大器与直接数字频率合成器DDS相连，而DDS与计算机相连，并由计算机控制；分别在光路a和b中，位于声光偏转器之后，根据光线出射角度放置空间滤波器和反射镜，在反射镜之后a光路中放置扩束系统，在b光路中放置缩束系统，在扩束系统与缩束系统后再放置第二光学平板；光路a与b通过第二光学平板后形成第二垂直光路，在该垂直光路沿激光前进方向放置CCD，CCD与计算机相连。

优选地，该扩束系统和缩束系统由完全相同的透镜组成，保证由此引起的光路a与光路b的光程差相同，其光束口径可微调。

优选地，该第一光学平板和第二光学平板为大小相等的长方体，前后面抛光，材料均为K9玻璃，两平板中心距离为平板厚度的6-8倍。

优选地，该第一光楔、第二光楔，第三光楔和第四光楔为尺寸和材料完全相同的圆形光楔，第一光楔光楔、第二光楔同轴放置在a光路中，无楔角面相对放置并留有极小缝隙，采用电动装置使它们同步同向／反向绕轴转动；以同样方式把第三光楔、第四光楔放置在b光路中，操作时绕轴转动；第一光楔与第二光楔形成一个光楔对，同样，第三光楔与第四光楔也形成一个光楔对，作用是精密调节光束到声光偏转器的布拉格衍射角位置。

优选地，该声光偏转器可调制多种波长的激光，其带宽至少为40MHz，衍射效率大于60％；

优选地，该直接数字频率合成器的频率调节范围大于40MHz。

本实用新型用于非球面光学模具面形在机测量的新装置通过计算机程序调节DDS频率控制字使干涉条纹高速变频，并采用多频时间序列相位解包裹方法进行条纹图处理；其条纹变频的速度达到几十纳秒／帧，因此可实现非球面光学模具的面形在机检测。本实用新型将径向剪切干涉与条纹变频技术相结合，可在机快速测量多种口径的非球面光学模具，并对平面和球面同样适用，抗机床振动能力较强，可实现加工过程中的在机测量，且其时间序列的条纹变频功能对测量含有加工缺陷的模具表面非常有效。故本实用新型用于非球面光学模具面形在机测量的新装置可安装在机床上进行非球面模具加工的在机检测，利用在时间序列上高速变频条纹提取相位进而实现模具面形三维测量，其对具有加工缺陷等不连续区域的非球面模具测量十分有效。该装置采用等光程结构，抗振动、噪声能力强，适合不同口径的各种面形(包括非球面、球面和平面等)的测量。

【附图说明】

图1为本实用新型用于非球面光学模具面形在机测量的新装置的结构示意图。

【具体实施方式】

请参见图1，本实用新型用于非球面光学模具面形在机测量的新装置100包括激光器1，沿激光器1产生激光的水平前进方向依序设置光学扩束系统2、分光镜3、聚焦转换透镜4、被测非球面模具5；所述激光再次经过分光镜3反射后形成第一垂直光路，在该垂直光路放置第一光学平板6，激光通过第一光学平板6后形成两条水平光路，在下面光路a中沿激光前进方向依序设置第一光楔7、第二光楔8；在上面光路b中沿激光前进方向先后放置第三光楔9、第四光楔10；在光楔8和光楔10后放置一高带宽声光偏转器11，光路a与光路b均通过声光偏转器11，声光偏转器11与射频功率放大器12连接，射频功率放大器12与直接数字频率合成器DDS13相连，而DDS13与计算机20相连，并由计算机20控制；分别在光路a和b中，位于声光偏转器11之后，根据光线出射角度放置空间滤波器14和反射镜15，在反射镜15之后a光路中放置扩束系统16，在b光路中放置缩束系统17，在16与17后再放置第二光学平板18；光路a与b通过第二光学平板18后形成第二垂直光路，在该垂直光路沿激光前进方向放置CCD19，CCD19与计算机20相连。

该激光器1主要为半导体激光器，可采用几种不同的波长，以514nm波长为主。

该转换透镜4为聚焦透镜，它可以是透镜组合，其放置位置为焦点与被测非球面顶点曲面的焦点重合。该转换透镜4可针对不同口径的被测非球面模具而进行更换。

该扩束系统16和缩束系统17由完全相同的透镜组成，保证由此引起的光路a与光路b的光程差相同，其光束口径可微调。

该第一光学平板6和第二光学平板18为大小相等的长方体，前后面抛光，材料均为K9玻璃，两平板中心距离可具体调整，一般为平板厚度的6-8倍。两光学平板形成的光路a与b之间的中心距离ΔS与第一光学平板6的厚度d₀和入射光线与第一光学平板6前表面法线夹角θ有关，即

$\mathrm{\ΔS}=d_0\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}},$

夹角θ一般取值45°，n为平板折射率。

该第一光楔7、第二光楔8，第三光楔9和第四光楔10为尺寸和材料完全相同的圆形光楔，第一光楔光楔7、第二光楔8同轴放置在a光路中，无楔角面相对放置并留有极小缝隙，采用电动装置使它们同步通向／反向绕轴o₁-o₂转动；以同样方式把第三光楔9、第四光楔10放置在b光路中，操作时绕轴o₃-o₄转动；第一光楔7与第二光楔8形成一个光楔对，同样，第三光楔9与第四光楔10也形成一个光楔对，作用是精密调节光束到声光偏转器11的布拉格衍射角位置。当两光楔绕光轴相对转动角度分别为θ₁和θ₂时，光线偏向角δ为

$\mathrm{\δ}=2(n-1)\mathrm{\α}\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{2},$

其中α为光楔楔角，一般小于1°。

该声光偏转器11可调制多种波长的激光，其带宽至少为40MHz，以便使干涉条纹可变换多种频率，其衍射效率大于60％，这样有足够光强形成干涉条纹。根据声光效应原理，当入射光线以布拉格角θ_B入射到声光偏转器11时，衍射光能量集中在0级和一级(±1级)衍射光中，滤除0级和其中一个一级光，可得到单一光束，其光束偏转角等于布拉格角θ_B，为

其中n是声光介质的折射率，v_s是声速，f_s是声波频率。

该直接数字频率合成器DDS13的频率调节范围大于40MHz，以兼容声光偏转器的频率带宽，DDS13输出正弦模拟信号的频率F为

$F=\frac{N\×f}{2^t},$

N为频率控制字，f为时钟频率，t为相位累加器的位数。DDS13的调谐时间一般为纳秒量级。声光偏转器11中的声波频率f_s等于DDS13的输出频率F，因此光线通过声光偏转器11后一级衍射光线的偏转角度为

因此，通过计算机改变频率控制字N就能改变出射光线角度，由此改变干涉条纹的频率。而条纹频率f₀与出射角之间的关系可表示为

f₀=2sinθ/λ≈2θ/λ

其中λ为光波长，出射角很小，

由激光器1出射的激光经过扩束系统2放大，通过分光镜3和转换透镜4到达被测非球面模具5，并被该模具5表面反射回来，此时的光束携带面形信息，其再次通过转换透镜4入射到分光镜3上，并被3反射，经过第一光学平板6分成两束a与b，一束光a被前表面反射并通过第一光楔7、第二光楔8，改变入射角为布拉格角θ_B，通过声光偏转器11；另一束光b被光学平板6后表面反射通过第三光楔9、第四光楔10，同样改变入射角为布拉格角θ_B，通过声光偏转器11。通过声光偏转器11后的两束光线均以角度出射，通过空间滤波器14滤除其余衍射光线(另一一级衍射光和零级衍射光)，经反射镜15，再分别通过扩束系统16和缩束系统17改变径向口径，形成径向剪切干涉，通过第二光学平板18后将条纹图像记录在CCD19上，最后通过计算机软件进行面形恢复与评价。

声光偏转器11与射频功率放大器12、DDS13连接，由于从DDS13出来的信号较弱，因此采用功率放大器12加强频率信号。通过计算机改变DDS13的频率控制字N来改变光线a与b的出射角，从而改变条纹频率，由于DDS13频率变化的时间只需几十纳秒，因此干涉条纹的频率变换在极短的时间内就能完成，可以采集多组不同频率的干涉条纹按时间相位解包裹方法恢复最终的连续相位。假设条纹的频率变化按2^N(N＝0，1，2…)的进行，先通过相移方法或傅里叶变换等其他方法解出每套条纹测量后的包裹相位图φ_w(m，n，t)，再求两相邻不同频率的条纹图中相同点的解包裹相位差及2π的不连续数，在假设时间轴上满足仙农抽样定理的前提下，最终的连续相位可通过累加不同频率条纹图的解包裹相位差后得到，由此得到的每点相位值互不影响，因此这种测量结果不受被测模具表面缺陷的影响，具有较强的噪声免疫力。

所述的CCD探测器具有较高的图像采集速度，采集帧率不少于60fps。

在该装置中，测量的实时性是通过条纹高速变频实现，而变频功能是通过DDS频率控制字来实现。装置总体结构为等光程结构，对振动的影响不敏感，能保持较高的测量效率。本实验装置不仅可测量多种口径的非球面，对平面和球面同样适用，可实现非球面光学模具加工的在机面形检测。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声光调制的非球面模具在机测量装置，其包括一激光器，其特征在于：沿激光器产生激光的水平前进方向依序设置光学扩束系统、分光镜、聚焦转换透镜、被测非球面模具；所述激光再次经过分光镜反射后形成第一垂直光路，在该垂直光路放置第一光学平板，激光通过第一光学平板后形成两条水平光路，在下面光路a中沿激光前进方向依序设置第一光楔、第二光楔；在上面光路b中沿激光前进方向先后放置第三光楔、第四光楔；在光楔和光楔后放置一高带宽声光偏转器，光路a与光路b均通过声光偏转器，声光偏转器与射频功率放大器连接，射频功率放大器与直接数字频率合成器DDS相连，而DDS与计算机相连，并由计算机控制；分别在光路a和b中，位于声光偏转器之后，根据光线出射角度放置空间滤波器和反射镜，在反射镜之后a光路中放置扩束系统，在b光路中放置缩束系统，在扩束系统与缩束系统后再放置第二光学平板；光路a与b通过第二光学平板后形成第二垂直光路，在该垂直光路沿激光前进方向放置CCD，CCD与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的基于声光调制的非球面模具在机测量装置，其特征在于：该扩束系统和缩束系统由完全相同的透镜组成，保证由此引起的光路a与光路b的光程差相同，其光束口径可微调。

3.根据权利要求1所述的基于声光调制的非球面模具在机测量装置，其特征在于：该第一光学平板和第二光学平板为大小相等的长方体，前后面抛光，材料均为K9玻璃，两平板中心距离为平板厚度的6-8倍。

4.根据权利要求1所述的基于声光调制的非球面模具在机测量装置，其特征在于：该第一光楔、第二光楔，第三光楔和第四光楔为尺寸和材料完全相同 的圆形光楔，第一光楔光楔、第二光楔同轴放置在a光路中，无楔角面相对放置并留有极小缝隙，采用电动装置使它们同步同向／反向绕轴转动；以同样方式把第三光楔、第四光楔放置在b光路中，操作时绕轴转动；第一光楔与第二光楔形成一个光楔对，同样，第三光楔与第四光楔也形成一个光楔对，作用是精密调节光束到声光偏转器的布拉格衍射角位置。

5.根据权利要求1所述的基于声光调制的非球面模具在机测量装置，其特征在于：该声光偏转器可调制多种波长的激光，其带宽至少为40MHz，衍射效率大于60％。

6.根据权利要求1所述的基于声光调制的非球面模具在机测量装置置，其特征在于：该直接数字频率合成器的频率调节范围大于40MHz。