[發明專利]基于基準平面比較測量的自由曲面測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201910268999.0
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN110057337B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 趙維謙;唐順;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B21/20
• 分類號: G01B21/20;G01B11/24
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 唐華

本發明公開的基于基準平面比較測量的自由曲面測量方法及裝置，屬于光學精密檢測技術領域。本發明使用高精度平面平晶作為X?Y面的參考基準平面，利用同軸安裝的高精度高度測量傳感器和自由曲面測量傳感器分別檢測高精度平面平晶和被測自由曲面表面高度信息，利用高精度高度測量傳感器獲取的高精度平面平晶表面高度信息監測和補償X向氣浮導軌和Y向氣浮導軌的直線度誤差，對自由曲面表面形貌進行降維誤差分離，實現自由曲面形貌的納米精度檢測。本發明能夠實現自由曲面檢測提供高精度的三維直線定位與掃描測量，能夠抑制X、Y向導軌運動直線度誤差對自由曲面測量的影響，減小Z軸阿貝誤差對測量的影響，實現自由曲面大范圍、納米精度測量。

技術領域

本發明屬于光學精密檢測技術領域，涉及一種自由曲面的高精度檢測方法及裝置，可用于精密光學系統中自由曲面的納米精度檢測。

技術背景

自由曲面元件具有最大的表面形貌自由度，在成像系統中易消除像差，具有改善光學系統成像質量、提高分辨能力、增大作用距離、簡化儀器結構、減小儀器體積及重量和提高可靠性等優點。用自由曲面光學系統來代替過去的由平面、球面鏡、共軸二次曲面鏡等構成的光學系統來提高成像質量，減小系統體積和重量，進而解決成像精度、便攜性和可靠性等問題已經成為光學系統發展的重要趨勢。

但是自由曲面在增加了設計自由度的同時，對光學設計、加工和檢測提出了更高的要求，隨著光學CAD與數控金剛石點加工技術在光學設計與制造中得到成功應用，自由曲面的設計與加工已不再是主要技術障礙，但測量問題卻已成為亟待研究解決的難題。金剛石點加工技術對自由曲面面形的加工精度主要取決于對面形上各點空間坐標的測量準確度，因此元件面形能否滿足設計要求必須由高精度的檢測技術來保證。

目前，國際上自由曲面的表面輪廓測量方法主要分為光場圖像探測法、層析掃描探測法和探針三維掃描探測法三大類。圖像探測法測量過程無需對樣品進行掃描，測量速度快，但其無法適應任意傾角變化的自由曲面高精度測量，同時易受到樣品表面反射率、粗糙度等特性差異影響。層析掃描法原理簡單，但對被測零件的尺寸和材料都有一定限制，對運行環境要求較高，現有儀器測量精度較低，僅為1～10mm。探針三維掃描探測法采用探針對被測自由曲面樣品表面進行逐點定位，通過測量各個位置點的坐標重構得到樣品表面形貌，通常由坐標測量機驅動探針或者樣品進行探測，該方法具有測量精度高、適用范圍廣等優勢，已逐漸成為自由曲面測量的主流技術。

傳統的探針三維掃描測量方法包括：清晰度法、飛行時間法和共焦定位法。清晰度法利用數字圖像處理技術對光學系統的成像質量進行判定，尋找成像最為清晰的點作為定焦位置，但受衍射的限制十分明顯，瞄準定位敏度較低，精度浮動在1％～2％之間，定位精度僅為微米量級。飛行時間法測量原理簡單,不需要圖像處理，但分辨率較低，測量精度約為20～50mm，不適用于精密測量環境中。干涉方法的靈敏度很高，其軸向定位的理論極限可達到1nm，但是對測量環境要求苛刻，并且容易受到樣品表面的傾角、粗糙度等特性差異影響，實際工程應用受到較大限制。共焦法定焦精度較高，抗環境干擾能力強，并且對樣品表面屬性差異影響具有一定的抑制能力，軸向定位分辨力可達到200nm。

綜上所述，現有測量方法測量精度受樣品表面粗糙度、起伏、傾角等特性差異的影響大，是目前提高自由曲面輪廓測量精度的主要技術瓶頸。

針對上述問題，本發明利用高精度平面平晶作為X-Y面的參考基準面，將監測基準平面的傳感器和測量自由曲面高度信息的傳感器同軸安裝，減少導軌及桁架傾斜帶來的阿貝誤差；通過參考基準面的高度變化監測和補償X向和Y向氣浮導軌的直線度誤差，實現自由曲面高精度測量的降維誤差分離，結合余氣回收式氣浮導軌的宏-微跨尺度納米精度無擾驅動與定位方法，為自由曲面檢測提供高精度的三維直線定位與掃描測量手段。

發明內容