接觸式非球面面形檢驗裝置的製作方法
2023-05-15 17:57:26 2
專利名稱：接觸式非球面面形檢驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種接觸式光學非球面面形檢驗裝置。
背景技術：
當前，檢驗非球面元件的方法有很多種，主要分為接觸式測量和非接觸式測量。接 觸式測量主要藉助輪廓儀或者三坐標測量儀通過對光學元件進行多個離散點的測量，然後 經過數據處理，擬合得到面形誤差。非接觸式測量主要有陰影法、雷射掃描法、幹涉法等。陰 影法主要分為刀口法和哈特曼法(光闌法)，該方法主要觀察陰影分布的圖形和陰影圖的 明暗對比。這種方法設備簡單，對於某些二次曲面測量方便，適於現場檢驗。但存在主觀、 定量困難、靈敏度欠高等缺點。雷射掃描法可分平移法、旋轉法，以及平移旋轉法，這是一種 利用光的直線性進行面形檢測的方法，通過用雷射束對被測面進行逐點測量可計算出非球 面的面形參數。它通用性強，可以測量各種非球面，而且是對被測面進行絕對測量，精度高， 缺點是相應的數據處理比較複雜。幹涉法是一種短時間檢測非球面的方法，由於它具有高 分辨、高精度、高靈敏度、重複性好等優點，但是利用該技術測量非球面面形時，要求非球面 表面有很好的光潔度和很高的反射能力。因此，幹涉法一般適用於非球面精拋光和最終階 段的檢測。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種適用於非球面加工整個過程的接觸式非球 面面形檢驗裝置，該裝置能夠直接實現對非球面的測量，數據處理和數學運算簡單，實驗操 作簡單易行，測量時間短、測試成本低。為了解決上述技術問題，本發明的接觸式非球面面形檢驗裝置包括計算機和雷射 跟蹤儀；所述計算機包括存儲待測非球面CAD模型的裝置、坐標變換裝置、求解位置坐標的 裝置和求解待測非球面面形分布的裝置；雷射跟蹤儀首先測量待測非球面上特徵點的位置 坐標並將其傳輸給坐標變換裝置，由坐標變換裝置利用測量的待測非球面上特徵點的位置 坐標及CAD模型上對應的特徵點的位置坐標，通過坐標變換求解得到待測非球面、CAD模型 兩個坐標系之間的平移量和旋轉量，將待測非球面此時的物理坐標系與CAD模型的坐標系 統一到同一坐標系；雷射跟蹤儀測量在統一坐標系下待測非球面上多點的位置坐標並將其 傳輸給求解位置坐標的裝置，由求解位置坐標的裝置利用測得的統一坐標系下待測非球面 上多點的位置坐標進行插值計算得到待測非球面上各點的位置坐標；求解待測非球面面形 分布的裝置分析求解得到統一坐標系下待測非球面上各點的坐標值與CAD數模上對應的 各點坐標值之間的偏差，並對偏差數據進行擬合，得到待測非球面面形分布。所述特徵點為在待測非球面上設定的三個點，如側面或者背部的輕量化圓孔、錐 孔的圓心或者三角形孔的中心等。本發明通過擴充雷射跟蹤儀的現有功能，利用雷射跟蹤儀的靶標球對非球面表面 進行多點接觸測量，並將測量的結果與數據模型進行分析對比、處理和運算，獲得非球面的
4面形分布信息，無需其它輔助光學元件就能夠準確的實現對大口徑非球面面形的檢測。本 發明數據處理和數學運算簡單，實驗操作簡單易行，檢測成本很低，測試時間短，適用於非 球面加工整個過程的面形檢測。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖1是本發明的接觸式非球面面形檢驗裝置結構示意圖。圖2是計算機測量軟體功能模塊示意圖。圖3是待測非球面結構示意圖。圖4是利用本發明對非球面面形進行檢驗的流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的接觸式非球面面形檢驗裝置包括計算機1和雷射跟蹤儀2 ； 所述雷射跟蹤儀2與計算機1通過數據線進行連接。雷射跟蹤儀2是一種高精度、大容量的可攜式三位坐標測量設備，該雷射跟蹤儀 使用兩個旋轉角編碼器和一個雷射距離測量系統，以跟蹤和測量靶標球3的位置。靶標球3 是由空心的直角反射鏡組成，此反射鏡精確固定在加工球體內。球體外表面到中心的距離 已知(即球體半徑)，雷射跟蹤儀測量軟體利用球體半徑進行測量偏移或補償測量。雷射跟 蹤儀發射並接收從靶標球返回的紅色氦氖雷射，雷射跟蹤儀機械軸的方向會根據其內部的 位置感應探測器接收的兩個旋轉角編碼器及距離測量系統反饋的信息不斷進行調整。雷射 跟蹤儀通過測量兩個角度和一個距離來確定目標的坐標。這些角度由安裝在頂點角軸和方 位角軸上的編碼器來測量。徑向距離是由條紋計數幹涉儀或一種相位偏移絕對距離測量系 統(XtremeADM)來測量。雷射跟蹤儀一般用來測量物體之間的相對位置關係，並可以直接 檢驗平面和球面物體的面形，但是對於非球面元件的面形卻不能實現直接檢驗。如圖2所示，所述計算機1的測量軟體包括存儲待測非球面CAD模型的裝置11、坐 標變換裝置12、求解位置坐標的裝置13和求解待測非球面面形分布的裝置14。所述坐標變換裝置12查找待測非球面的CAD模型，提取與雷射跟蹤儀2測量的特 徵點P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (x2，Y2, Z2)和P3 (x3，Y3, Z3)相對應的CAD模型上的特徵點的位置坐標 P^X1, Y1, Z1)，P2 (X2, Y2, Z2)和P3 (X3, Y3，Z3)，如圖3所示；通過迭代法求解公式(1)和公式 (5)聯立的非線性方程組，得到待測非球面的物理坐標系相對CAD模型的坐標系在χ方向、 y方向、ζ方向上的平移量dx、dy和dz以及待測非球面的物理坐標系相對CAD模型的坐標系 繞χ軸、y軸、ζ軸的轉動角度量α、β和γ，進而將兩個坐標系統一到同一坐標系；
(X1^1,Z1^ = CX1,Y1,Z1,1)-F<(χ2,γ2,ζ2,1) = (Χ2,Υ2,Ζ2,1)·ν (1)
權利要求
1.一種接觸式非球面面形檢驗裝置，其特徵在於包括計算機(1)和雷射跟蹤儀O)；所 述計算機(1)包括存儲待測非球面CAD模型的裝置(11)、坐標變換裝置(12)、求解位置坐 標的裝置(13和求解待測非球面面形分布的裝置(14;雷射跟蹤儀( 首先測量待測非球 面上特徵點的位置坐標並將其傳輸給坐標變換裝置(12)，由坐標變換裝置(12利用測量的 待測非球面上特徵點的位置坐標及CAD模型上對應的特徵點的位置坐標，通過坐標變換求 解得到待測非球面、CAD模型兩個坐標系之間的平移量和旋轉量，將待測非球面此時的物理 坐標系與CAD模型的坐標系統一到同一坐標系；雷射跟蹤儀(2)測量在統一坐標系下待測 非球面上多點的位置坐標並將其傳輸給求解位置坐標的裝置(1 ，由求解位置坐標的裝置 (13)利用測得的統一坐標系下待測非球面上多點的位置坐標進行插值計算得到待測非球 面上各點的位置坐標；求解待測非球面面形分布的裝置(14)分析求解得到統一坐標系下 待測非球面上各點的坐標值與CAD數模上對應的各點坐標值之間的偏差，並對偏差數據進 行擬合，得到待測非球面面形分布。
2.根據權利要求1所述的接觸式非球面面形檢驗裝置，其特徵在於所述坐標變換裝置 (12)查找待測非球面的CAD模型，提取與雷射跟蹤儀⑵測量的特徵點？10^，71，21)，？20^2， I2, Z2)和P3 (x3，y3，Z3)相對應的CAD模型上的特徵點的位置坐標P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (X2, Y2, Z2) ^P P3(X3jY3^Z3)；通過迭代法求解公式⑴和公式(5)聯立的非線性方程組，得到待測非球 面的物理坐標系相對CAD模型的坐標系在χ方向、y方向、ζ方向上的平移量dx、dy和dz以 及待測非球面的物理坐標系相對CAD模型的坐標系繞χ軸、y軸、ζ軸的轉動角度量α、β 和Y，進而將兩個坐標系統一到同一坐標系；
3.根據權利要求1所述的接觸式非球面面形檢驗裝置，其特徵在於所述求解位置坐標 的裝置(1 利用測量得到的非球面上多點的位置坐標，通過三次樣條插值或牛頓插值計算求解得到非球面上各點的位置坐標。
全文摘要
本發明涉及一種接觸式非球面面形檢驗裝置，該裝置包括計算機和雷射跟蹤儀；計算機利用雷射跟蹤儀測量的待測非球面上特徵點的位置坐標及CAD模型上對應的特徵點的位置坐標，通過坐標變換將待測非球面此時的物理坐標系與CAD模型的坐標系統一到同一坐標系；然後利用雷射跟蹤儀測得的統一坐標系下待測非球面上多點的位置坐標進行插值計算得到待測非球面上各點的位置坐標；最後分析求解得到統一坐標系下待測非球面上各點的坐標值與CAD數模上對應的各點坐標值之間的偏差，並對偏差數據進行擬合，得到待測非球面面形分布。本發明數據處理和數學運算簡單，實驗操作簡單易行，檢測成本很低，測試時間短，適用於非球面加工整個過程的面形檢測。
文檔編號G01B11/24GK102128599SQ20101060734
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月27日 優先權日2010年12月27日
發明者張學軍, 王孝坤, 鄭立功 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所