[發明專利]大口徑非球面工件輪廓的測量方法

有效

• 申請號: 201210145591.2
• 申請日: 2012-05-11
• 公開（公告）號: CN102645202A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 王振忠;葉卉;張東旭;白志揚;郭隱彪
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01B21/20
• 分類號: G01B21/20
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種非球面工件的測量，尤其是涉及一種大口徑非球面工件輪廓的測量方法。

背景技術

光學非球面元件相比球面而言，能提高光學系統的相對口徑比，因此可簡化結構，同時非球面能消除球面元件在光傳遞過程中產生的球差、慧差、像差、場曲等不利影響，減少光能損失，從而獲得高質量的圖像效果和高品質的光學特征。

當前非球面廣泛應用在航天航空、國防、天文、醫療以及光電等高技術領域，其中大口徑光學非球面元件（Φ400mm以上）在激光核聚變裝置、高能激光、紅外熱成像、衛星用光學系統、大型天文望遠鏡、醫療影像設備等國家重大光學工程及國防尖端技術中需求急速增長。高精度非球面光學元件的加工與檢測技術一直是光學制造業的技術難點，尤其是大口徑高精度非球面，其半精加工、精加工、拋光等各加工階段的檢測技術制約著加工精度和效率的提高。

目前較為成熟的是，拋光工序后的大口徑光學非球面干涉儀測量技術，干涉儀方法只可用于拋光后的光學表面，且量程有限，其在特定應用背景下可以取得較好效果。但干涉儀無法應用于拋光前工序的非球面元件的評價及形狀精度控制。由于拋光去除效率較低，則對于未拋光非球面表面型狀精度控制及評價極大地關系到非球面拋光所需時間。這成為制約提高非球面加工效率的瓶頸之一。

未拋光非球面是大口徑非球面加工中的主要形態，其檢測技術的有效性決定了后續拋光的工作量及加工時間，當前其輪廓測量方法主要有三坐標測量機(CMM)和單坐標測量輪廓儀。其中三坐標測量機在測量中由于三軸聯動運動而引入測量誤差，所以在超精密測量中極難保證精度。已有商業化產品精度等級比單坐標產品低一個數量級。

相比三坐標測量機，單坐標測量輪廓儀結構簡單，更具開放性，精度較高。測量中，其始終只有X軸單軸運動，而高度測量由傳感器完成，這保證了其相對于多軸運動測量系統可獲得更高測量精度。當前國際上已有較為先進的大口徑光學元件輪廓測量裝置，但非球面輪廓測量設備主要由國外壟斷，大口徑輪廓測量設備或價格高昂或對中國禁運。國外有許多發展較為成熟的小口徑光學元件精密檢測設備，如日本松下公司開發的UA3P超精密測量機、德國FRT公司開發的Micro?Prof?600納米表面測量儀等，其測量精度高，但僅適用于小口徑光學元件檢測。因此綜合測量儀器的成本、精度、效率以及對環境控制的需求等方面來考慮，可利用已有的小口徑測量設備，通過拼接測量方法，完成大尺寸非球面光學元件的面型重構，既可提高測量精度，也極大拓展單坐標設備測量范圍，并大幅度提高使用性價比。

中國專利CN1831472公開一種非球面工件的水平測定方法，對載置于傾斜校正臺上的非球面工件進行水平測定，包括以下步驟：三維測量包含非球面工件的極值的面的步驟；從所求出的三維測量值求出二次曲面，將其極值作為臨時的極值而求出的步驟；以所求出的臨時的極值為中心從其周圍得到大于或等于三點的三維測量值的步驟；根據得到的大于或等于三點的三維測量值求出規定的平面的步驟；調整所述傾斜校正臺以使所求出的平面水平的步驟。

發明內容

本發明的目的在于針對大口徑非球面工件測量范圍受限及精度要求，提供一種精度較高、通用性較好的大口徑非球面工件輪廓的測量方法。

本發明包括以下步驟：

1）將工件表面輪廓劃等分為具有重疊部分的N段L1、L2、…LN（N≥2），每相鄰兩段間擁有m個重疊測點，各分段具有不同的局部坐標系，輪廓測量儀分別對各分段輪廓表面進行測量，取得各測點坐標值；

2）對前兩段的重疊區域進行最小二乘線性擬合及坐標變換，用最小二乘線性擬合分別對L1段后m個重疊測點及L2段前m個重疊測點擬合出其輪廓特征線。通過坐標變換，將L2轉換到L1的坐標系下，使L2的重疊部分與L1重疊部分具有相同的輪廓特征，完成兩段拼接；

3）獲得其他相鄰兩段測量輪廓的兩兩拼接，最終完成N段輪廓的拼接測量，將N段分段輪廓統一于相同的坐標系下，得到完整的工件輪廓曲線；

4）獲取輪廓儀測量的去傾斜坐標變換矩陣，對拼接得到的完整工件輪廓曲線進行去傾斜處理，即將拼接的工件輪廓曲線變換至與直接測量所得輪廓具有相同的坐標系，達到消除拼接帶來的測量輪廓傾斜誤差，至此，完成了N段分段輪廓的拼接，得到工件的表面輪廓測量結果。