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偏摆工件非球面的非接触式测量系统与方法.pdf

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  • 文档编号:4341201
  • 上传时间:2018-09-17
  • 格式:PDF
  • 页数:9
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201410413452.2

    申请日:

    2014.08.20

    公开号:

    CN104165599A

    公开日:

    2014.11.26

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01B 11/24申请日:20140820|||公开

    IPC分类号:

    G01B11/24

    主分类号:

    G01B11/24

    申请人:

    南京理工大学

    发明人:

    陈磊; 郑权; 周舒; 韩志刚

    地址:

    210000 江苏省南京市孝陵卫200号

    优先权:

    专利代理机构:

    南京理工大学专利中心 32203

    代理人:

    朱显国

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    内容摘要

    本发明提供一种偏摆工件非球面的非接触式测量系统,包括:非接触式光学轮廓仪探头、轮廓仪升降调整机构、精密三维位移台、数显倾角仪、二维偏摆台、底座及计算机系统,非接触式光学轮廓仪探头固定在轮廓仪升降调整机构上;精密三维位移台固定于二维偏摆台上,用于对被测件的承载和横向移动与定位;数显倾角仪固定于二维偏摆台上,用于测量二维偏摆台的偏摆角度;二维偏摆台固定于底座上,用于通过偏摆实现被测件的偏摆;计算机系统经与非接触式光学轮廓仪探头、精密三维位移台、数显倾角仪数据连接,接收测量点面形数据、被测件的横向位移数据及偏摆角度,进行处理实现非球面面形恢复。本发明还涉及一种偏摆工件非球面的非接触式测量方法。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种偏摆工件非球面的非接触式测量系统,其特征在于,包括:非接触式光学轮廓仪探头(1)、轮廓仪升降调整机构(2)、精密三维位移台(4)、数显倾角仪(5)、二维偏摆台(6)、底座(7)以及一计算机系统(8),其中:
    所述非接触式光学轮廓仪探头(1)固定在轮廓仪升降调整机构(2)上;
    所述精密三维位移台(4)固定于所述二维偏摆台(6)上,并用于实现对被测件(3)的承载和对被测物(3)的横向移动与定位;
    所述二维偏摆台(6)固定于所述底座(7)上,并用于通过绕轴偏摆实现被测件(3)的非球面被测点正对所述非接触式光学轮廓仪探头(1);
    所述数显倾角仪(5)固定于所述二维偏摆台(6)上,并用于测量二维偏摆台(6)的偏摆角度;
    所述计算机系统(8)经由一通信链路(9)与所述非接触式光学轮廓仪探头(1)、精密三维位移台(4)、数显倾角仪(5)数据连接,分别接收测量点面形数据、被测件(3)的横向位移数据以及偏摆角度数据,并进行处理实现非球面的面形恢复。

    2.  根据权利要求1所述的偏摆工件非球面的非接触式测量系统,其特征在于,所述非接触式光学轮廓仪探头(1)采用白光干涉显微镜veeco NT9100的光学探头。

    3.  根据权利要求1所述的偏摆工件非球面的非接触式测量系统,其特征在于,所述计算机系统采用如下算法实现非球面的面形恢复:对所述被测件的非球面旋转对称中心的一条截线上多个测量点的面形数据,采用最小二乘球面拟合算法提取中心点处的曲率值c,该曲率值c为球面曲率半径的倒数,由此可得到一组与横坐标X相对应的曲率值方程X~c;
    令测量过程中被测件(3)的每次横向平移距离为t,则第n次测量时被测件(3)的横坐标X并非nt,而是由下式决定的Xc:
    f(λi,Xc)=ntcosα-Xcsinαcosα+ntsinαf(λi,Xc)=tanα---(1)]]>
    式中,f(λi,Xc)为非球面方程,f′(λi,Xc)为非球面方程f(λi,Xc)的一阶导数,α为第n次测量时二维偏摆台(6)相对于其起始位置的总偏摆角度,λi为非球面系数;
    由此可得到补偿后的横坐标相对应的曲率值方程Xc~c;
    然后,在f(λi,Xc)确定的前提下,根据一条截线上测量的不同测量点处的曲率值c与对 应的横向坐标值Xc,通过最小二乘拟合,拟合出非球面系数λi,从而实现被测件的非球面面形恢复。

    4.  一种利用前述权利要求1所述偏摆工件非球面的非接触式测量系统实现的偏摆工件非球面的非接触式测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
    步骤1、将被测件(3)放置于一精密三维位移台(4)上,调整非接触式光学轮廓仪探头(1)使其正对被测件的非球面旋转对称中心,测量顶点处面形;
    步骤2、通过移动所述精密三维位移台(4)使得被测件(3)横向移动一定距离,调整二维偏摆台(6),将被测件(3)的非球面偏摆至合适位置使得非接触式光学轮廓仪探头(1)正对被测点,并通过数显倾角仪(5)测得偏摆角度,利用前述非接触式光学轮廓仪探头(1)测量该测量点的面形数据,并连同前述偏摆角度数据与横向位移数据同时传入所述计算机系统(8);
    步骤3、重复前述步骤2,以测量经过所述非球面的旋转对称中心的一条截线上多个测量点的面形数据,其中每个测量点即为一个子孔径,然后利用前述计算机系统对每个子孔径的面形数据采用最小二乘球面拟合算法提取中心点处的曲率值c,该曲率值c为球面曲率半径的倒数,由此可得到一组与所述横坐标相对应的曲率值方程X~c;
    步骤4、对于每个同测量点,根据其相对于旋转对称中心的横向平移距离以及在该测量点处的二维偏摆台(6)的偏摆角度,根据下述的坐标补偿模型进行坐标补偿,得到补偿后的与横坐标相对应的曲率值Xc~c:
    令测量过程中被测件(3)的每次横向平移距离为t,则第n次测量时被测件(3)的横坐标X并非nt,而是由下式决定的Xc:
    f(λi,Xc)=ntcosα-Xcsinαcosα+ntsinαf(λi,Xc)=tanα---(1)]]>
    式中,f(λi,Xc)为非球面方程,f′(λi,Xc)为非球面方程f(λi,Xc)的一阶导数,α为第n次测量时二维偏摆台(6)相对于其起始位置的总偏摆角度,λi为非球面系数;
    由此可得到补偿后的横坐标相对应的曲率值方程Xc~c;以及
    步骤5、在非球面方程f(λi,Xc)确定的前提下,根据一条截线上测量的不同测量点处的曲率值c与对应的横向坐标值Xc,通过最小二乘拟合,拟合出非球面系数λi,从而实现被测 件的非球面面形恢复。

    说明书

    说明书偏摆工件非球面的非接触式测量系统与方法
    技术领域
    本发明涉及光干涉精密测量领域,具体而言涉及一种偏摆工件非球面的非接触式测量系统与方法。
    背景技术
    非球面光学元件是表面形状偏离球面的光学元件,比传统平面、球面光学元件具有更大的自由度和灵活性,且形状多样,因而能有效地校正各种像差,改善像质,并减少系统所需光学元件的数量,减小系统外形尺寸,减轻系统重量等。随着现代科学技术的发展,光学非球面由于其优异的光学性能,在空间相机、大型望远镜以及红外导引等关键技术领域以及光电产品方面有着越来越重要的广泛应用。然而高精度高质量的非球面加工和检测技术一直是难点,特别是大口径非球面由于其矢高的增加,产生了大测量范围和测量精度之间的矛盾,加工和检测技术成为制约非球面进一步广泛应用的瓶颈。
    传统的非球面检测方法包括接触式和非接触式两种。
    接触式测量一般通过机械测量臂带动探头对光学表面进行扫描测量,比较具有代表性的是国防科技大学自主研发的摆臂式轮廓仪(例如贾立德,郑子文,戴一帆,李圣怡.摆臂式非球面轮廓仪的原理与试验[J].光学精密工程,2007,15(4):499-504),然而接触式测量采用单点扫描,效率较低,且探头容易损伤元件表面。
    全口径干涉法是一种常用的非接触式测量方式,其一般采用与待测件口径相当的干涉仪,通过对分别来自参考镜和测试镜的两支光束干涉形成的条纹解析得到测试镜的面形信息,但是价格昂贵,且制作特定的补偿透镜较为困难(例如郭仁慧.近红外大口径波长移相干涉仪关键技术及应用[D].南京理工大学2008)。此外,现有技术中还提出了另外一种非接触式测量方法,通过测量一系列相互有重叠的子孔径,拼接得到被测镜的全口径面形,但子孔径拼接干涉法在拼接过程中容易产生累计误差,影响测量精度(例如陈善勇.非球面子孔径拼接干涉测量的几何方法研究[D].国防科学技术大学2006)。
    发明内容
    针对现有技术中的缺陷,本发明提供一种偏摆工件非球面的非接触式测量系统与方法,旨在解决非球面检测困难问题,且测量精度高,测量时无需参考面形,不损伤元件表面。
    本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现,从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
    为达成上述目的,本发明的第一方面公开一种偏摆工件非球面的非接触式测量系统,包括:非接触式光学轮廓仪探头、轮廓仪升降调整机构、精密三维位移台、数显倾角仪、二维偏摆台、底座以及一计算机系统,其中:
    所述非接触式光学轮廓仪探头固定在轮廓仪升降调整机构上;
    所述精密三维位移台固定于所述二维偏摆台上,并用于实现对被测件的承载和对被测物的横向移动与定位;
    所述数显倾角仪固定于所述二维偏摆台上,并用于测量二维偏摆台的偏摆角度;
    所述二维偏摆台固定于所述底座上,并用于通过绕轴偏摆实现被测件的非球面被测点正对所述非接触式光学轮廓仪探头;
    所述计算机系统经由一通信链路与所述非接触式光学轮廓仪探头、精密三维位移台、数显倾角仪数据连接,分别接收测量点面形数据、被测件的横向位移数据以及偏摆角度数据,并进行处理实现非球面的面形恢复。
    根据本发明的另一目的,公开一种利用前述测量系统实现的偏摆工件非球面的非接触式测量方法,包括以下步骤:
    步骤1、将被测件放置于一精密三维位移台上,调整非接触式光学轮廓仪探头使其正对被测件的非球面旋转对称中心,测量顶点处面形;
    步骤2、通过移动所述精密三维位移台使得被测件横向移动一定距离,调整二维偏摆台,将被测件的非球面偏摆至合适位置使得非接触式光学轮廓仪探头正对被测点,并通过数显倾角仪测得偏摆角度,利用前述非接触式光学轮廓仪探头测量该测量点的面形数据,并连同前述偏摆角度数据与横向位移数据同时传入所述计算机系统;
    步骤3、重复前述步骤2,以测量经过所述非球面的旋转对称中心的一条截线上多个测量点的面形数据,其中每个测量点即为一个子孔径,然后利用前述计算机系统对每个子孔径的面形数据采用最小二乘球面拟合算法提取中心点处的曲率值c,该曲率值c为球面曲率半径的倒数,由此可得到一组与所述横坐标相对应的曲率值方程X~c;
    步骤4、对于每个同测量点,根据其相对于旋转对称中心的横向平移距离以及在该测量点处的二维偏摆台的偏摆角度,根据下述的坐标补偿模型进行坐标补偿,得到补偿后的与横坐标相对应的曲率值Xc~c:
    令测量过程中被测件的每次横向平移距离为t,则第n次测量时被测件的横坐标X并非nt,而是由下式决定的Xc:
    f(λi,Xc)=ntcosα-Xcsinαcosα+ntsinαf(λi,Xc)=tanα---(1)]]>
    式中,f(λi,Xc)为非球面方程,f′(λi,Xc)为非球面方程f(λi,Xc)的一阶导数,α为第n次测量时二维偏摆台相对于其起始位置的总偏摆角度,λi为非球面系数;
    由此可得到补偿后的横坐标相对应的曲率值方程Xc~c;以及
    步骤5、在非球面方程f(λi,Xc)确定的前提下,根据一条截线上测量的不同测量点处的曲率值c与对应的横向坐标值Xc,通过最小二乘拟合,拟合出非球面系数λi,从而实现被测件的非球面面形恢复。
    由以上本发明的技术方案可知,本发明的有益效果在于:
    1)相比于传统的接触式测量法,本发明的方案采用光干涉方法,为非接触式测量不会对被测件产生损伤;
    2)相比于传统的非接触式全口径测量,本发明的方案无需制作特定的补偿镜,也无需价格昂贵的大口径干涉仪,只需常见的非接触轮廓仪即可测量;
    3)相比于传统的非接触式子孔径拼接法,本发明无需复杂的拼接算法,不会产生累计误差,测量精度高。
    附图说明
    图1为本发明一实施方式偏摆工件非球面的非接触式测量系统的示意图。
    图2为图1实施例的测量系统进行偏摆工件非球面的非接触测量的实现流程示意图。
    具体实施方式
    为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
    结合图1,根据本发明的较优实施例,一种偏摆工件非球面的非接触式测量系统,其包括:非接触式光学轮廓仪探头1、轮廓仪升降调整机构2、精密三维位移台4、数显倾角仪5、二维偏摆台6、底座7以及一计算机系统8,如图1所示,其中:
    非接触式光学轮廓仪探头1固定在轮廓仪升降调整机构2上;
    精密三维位移台4固定于所述二维偏摆台6上,并用于实现对被测件3的承载和对被测物3的横向移动与定位;
    数显倾角仪5固定于所述二维偏摆台6上,并用于测量二维偏摆台6的偏摆角度;
    二维偏摆台6固定于所述底座7上,并用于通过绕轴偏摆实现被测件3的非球面被测点 正对所述非接触式光学轮廓仪探头1(包括横向和纵向偏转);
    计算机系统8经由一通信链路9与所述非接触式光学轮廓仪探头1、精密三维位移台4、数显倾角仪5数据连接,分别接收测量点面形数据、被测件3的横向位移数据以及偏摆角度数据,并进行处理实现非球面的面形恢复。
    本实施例中,利用前述的非接触式测量系统即可对被测件3的非球面进行检测,结合被测件的非球面旋转对称中心的一条截线上多个测量点的面形数据,采用最小二乘球面拟合算法提取中心点处的曲率值c,该曲率值c为球面曲率半径的倒数,由此可得到一组与横坐标X相对应的曲率值方程X~c,进行拟合从而实现面形恢复。
    本实施例中,通过光学干涉手段实现光学元件的高精度测量,作为优选的实施方式,前述非接触式光学轮廓仪探头1采用白光干涉显微镜veeco NT9100的光学探头。该光干涉显微镜为公司所生产。
    非接触式光学轮廓仪探头1通过夹持装置竖直夹持,其测头正对待测表面,即非接触式光学轮廓仪探头1与放置在精密三维位移台4上的被测件3成垂直分布,光学元件面形信息以及对应的坐标信息由计算机系统可知。
    固定于所述底座7上的二维偏摆台6,用于实现被测件3的横向和纵向两方向偏摆,在测量有一定陡度的表面时,通过偏摆台6在两个方向的调整使得待侧面与光学探头1成垂直,以使得干涉条纹能够被解算。
    前述的精密三维位移台4,可绕其竖直轴线旋转,经过精确角度编码,精度达到亚秒量级,使得被测件3过旋转中心的不同截线得以被测量。
    前述的通信链路9,可以为有线通信链路或者无线通信链路中的一种。有线通信链路,例如通过USB数据线构建的通信链路。无线通信链路,例如通过无线通信模块(Wifi模块、蓝牙模块、红外通信模块、3G模块)构建的通信链路。
    本实施例中,作为优选的方案,所述计算机系统8采用如下算法实现非球面的面形恢复:对所述被测件的非球面旋转对称中心的一条截线上多个测量点的面形数据,采用最小二乘球面拟合算法提取中心点处的曲率值c,该曲率值c为球面曲率半径的倒数,由此可得到一组与横坐标X相对应的曲率值方程X~c;
    令测量过程中被测件3的每次横向平移距离为t,则第n次测量时被测件3的横坐标X并非nt,而是由下式决定的Xc:
    f(λi,Xc)=ntcosα-Xcsinαcosα+ntsinαf(λi,Xc)=tanα---(1)]]>
    式中,f(λi,Xc)为非球面方程,f′(λi,Xc)为非球面方程f(λi,Xc)的一阶导数,α为第n次测量时二维偏摆台6相对于其起始位置的总偏摆角度,λi为非球面系数;
    由此可得到补偿后的横坐标相对应的曲率值方程Xc~c;
    然后,在f(λi,Xc)确定的前提下,根据一条截线上测量的不同测量点处的曲率值c与对应的横向坐标值Xc,通过最小二乘拟合,拟合出非球面系数λi,从而实现被测件的非球面面形恢复。
    下面以被测件3的待测面抛物面(即非球面)为例,其非球面方程已知,且为:
    f(λi,Xc)=λXc2;
    将其代入前述公式(1),可得到:
    λXc2=ntcosα-Xcsinαcosα+ntsinα2λXc=tanα---(2)]]>
    由上述公式可解得一组经过补偿的横坐标值Xc:
    Xc=-1-1+4ntλsinα(1+tan2α)2λtanα---(3)]]>
    由上述公式得到一组精确的Xc~c的值。
    曲率的计算公式如下:
    c=f(λi,Xc)(1+f(λi,Xc)^2)^(3/2)=2λ(1+4λ2Xc2)^(3/2)---(4)]]>
    其中:
    一阶导数为:f(λi,Xc)=∂f∂X=2λXc]]>
    二阶导数为:f(λi,Xc)=∂2f∂2X=2λ]]>
    作为示例性说明,在前述非球面方程确定的前提下,即f(λi,Xc)=λXc2,根据一条截线上测量的不同测量点处的曲率值c与对应的横向坐标值Xc,可以通过最小二乘拟合对()式 进行拟合,拟合出非球面系数λ,从而实现被测件的非球面面形恢复。
    值得一提的是,通常在做非球面检测时,其非球面方程是给出的,只需要得到其中的非球面系数即可实现面形恢复。
    下面给出了利用前述图1的非接触式测量系统实现的偏摆工件非球面的非接触式测量方法的实施步骤,其中,结合图2所示,该非接触式测量方法包括以下步骤:
    步骤1、将被测件3放置于一精密三维位移台4上,调整非接触式光学轮廓仪探头1使其正对被测件的非球面旋转对称中心,测量顶点处面形;
    步骤2、通过移动所述精密三维位移台4使得被测件3横向移动一定距离,调整二维偏摆台6,将被测件5的非球面偏摆至合适位置使得非接触式光学轮廓仪探头1正对被测点,并通过数显倾角仪5测得偏摆角度,利用前述非接触式光学轮廓仪探头1测量该测量点的面形数据,并连同前述偏摆角度数据与横向位移数据同时传入所述计算机系统8;
    步骤3、重复前述步骤2,以测量经过所述非球面的旋转对称中心的一条截线上多个测量点的面形数据,其中每个测量点即为一个子孔径,然后利用前述计算机系统对每个子孔径的面形数据采用最小二乘球面拟合算法提取中心点处的曲率值c,该曲率值c为球面曲率半径的倒数,由此可得到一组与所述横坐标相对应的曲率值方程X~c;
    步骤4、对于每个同测量点,根据其相对于旋转对称中心的横向平移距离以及在该测量点处的二维偏摆台6的偏摆角度,根据下述的坐标补偿模型进行坐标补偿,得到补偿后的与横坐标相对应的曲率值Xc~c:
    令测量过程中被测件3的每次横向平移距离为t,则第n次测量时被测件3的横坐标X并非nt,而是由下式决定的Xc:
    f(λi,Xc)=ntcosα-Xcsinαcosα+ntsinαf(λi,Xc)=tanα---(1)]]>
    式中,f(λi,Xc)为非球面方程,f′(λi,Xc)为非球面方程f(λi,Xc)的一阶导数,α为第n次测量时二维偏摆台6相对于其起始位置的总偏摆角度,λi为非球面系数;
    由此可得到补偿后的横坐标相对应的曲率值方程Xc~c;以及
    步骤5、在非球面方程f(λi,Xc)确定的前提下,根据一条截线上测量的不同测量点处的曲率值c与对应的横向坐标值Xc,通过最小二乘拟合,拟合出非球面系数λi,从而实现被测件的非球面面形恢复。
    虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

    关 键  词:
    工件 球面 接触 测量 系统 方法
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