一種輪廓檢測(cè)裝置及其檢測(cè)光學(xué)非球面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及檢測(cè)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及用于檢測(cè)大相對(duì)口徑的光學(xué)非 球面面型輪廓的一種輪廓檢測(cè)裝置，本發(fā)明還涉及上述輪廓檢測(cè)裝置的一種檢測(cè)光學(xué)非球 面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)非球面應(yīng)用越來(lái)越廣泛，現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于光學(xué)非球面面 形檢測(cè)的方法也多種多樣，其中被應(yīng)用較多的是點(diǎn)位式坐標(biāo)測(cè)量方法。
[0003] 點(diǎn)位式坐標(biāo)測(cè)量方法通常是測(cè)量獲得大相對(duì)口徑的光學(xué)非球面表面上多個(gè)點(diǎn)的 坐標(biāo)值，通過(guò)這些點(diǎn)的坐標(biāo)值分析得到非球面面形誤差的測(cè)量方法，在獲取各點(diǎn)坐標(biāo)值之 前，需要先設(shè)置取樣步長(zhǎng)（即相鄰點(diǎn)之間的間距），從而得出各個(gè)需要測(cè)量的點(diǎn)，然后再測(cè) 量各點(diǎn)坐標(biāo)值。采用點(diǎn)位式坐標(biāo)測(cè)量方法對(duì)光學(xué)非球面進(jìn)行測(cè)量的裝置稱(chēng)為點(diǎn)位式檢測(cè)裝 置，圖1所示即為常規(guī)的點(diǎn)位式檢測(cè)裝置的工作示意圖，該點(diǎn)位式檢測(cè)裝置包括平行設(shè)置 的導(dǎo)軌01和絲杠（由于圖1的視角關(guān)系，圖中僅可以示出導(dǎo)軌，而絲杠則被導(dǎo)軌遮擋），在 絲杠驅(qū)動(dòng)下可以在導(dǎo)軌01上滑動(dòng)的測(cè)量探頭，支撐導(dǎo)軌和絲杠的支架02及底座03。測(cè)量 探頭又包括與導(dǎo)軌和絲杠連接的光柵傳感器04,和設(shè)置在光柵傳感器04的端部，與光學(xué)非 球面05接觸的球頭06,光柵傳感器04通過(guò)感測(cè)球頭06的位置，而令與光柵傳感器04連通 的計(jì)算機(jī)得到球頭06的位置數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)計(jì)算出與球頭06接觸的光學(xué)非球面05上 點(diǎn)的坐標(biāo)值。
[0004] 但是，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由于點(diǎn)位式測(cè)量裝置是采用一定的步長(zhǎng)進(jìn)行取樣，其不僅操作 效率較低，而且測(cè)量準(zhǔn)確度（或者稱(chēng)為測(cè)量不確定度）受步長(zhǎng)大小的影響比較大，如果步長(zhǎng) 選取不適當(dāng)，則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量準(zhǔn)確度，其不適用于大相對(duì)口徑的光學(xué)非球面以及較為陡 峭曲面的測(cè)量。
[0005] 因此，如何提高對(duì)光學(xué)非球面的測(cè)量準(zhǔn)確度，進(jìn)而擴(kuò)大測(cè)量裝置的應(yīng)用范圍，是目 前本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種輪廓檢測(cè)裝置，其測(cè)量方式不再是間隔取點(diǎn)，而是與 光學(xué)非球面連續(xù)接觸以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，從而提高了對(duì)光學(xué)非球面的測(cè)量準(zhǔn)確度，使本發(fā)明 提供的輪廓檢測(cè)裝置能夠適用于大口徑的光學(xué)非球面以及較為陡峭曲面的測(cè)量。本發(fā)明還 提供了上述輪廓檢測(cè)裝置的一種檢測(cè)光學(xué)非球面的方法。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0008] -種輪廓測(cè)量裝置，用于檢測(cè)光學(xué)非球面的面型輪廓，包括導(dǎo)軌和移動(dòng)設(shè)置在所 述導(dǎo)軌上的測(cè)量機(jī)構(gòu)，其中，所述測(cè)量機(jī)構(gòu)包括：
[0009] 與所述導(dǎo)軌滑動(dòng)連接的連接件；
[0010] 設(shè)置在所述連接件上的杠桿機(jī)構(gòu)，所述杠桿機(jī)構(gòu)的杠桿的一端，連接有能夠與光 學(xué)非球面接觸的球頭，另一端連接有測(cè)量探頭。
[0011] 優(yōu)選地，上述輪廓檢測(cè)裝置中，所述導(dǎo)軌由設(shè)置在底座上的支架支撐，并且所述底 座上滑動(dòng)設(shè)置有安放光學(xué)非球面的工作臺(tái)，所述工作臺(tái)的滑動(dòng)方向垂直于所述導(dǎo)軌。
[0012] 優(yōu)選地，上述輪廓檢測(cè)裝置中，所述工作臺(tái)上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)移動(dòng)的第一 驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0013] 優(yōu)選地，上述輪廓檢測(cè)裝置中，所述導(dǎo)軌的端部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)所述測(cè)量機(jī)構(gòu)在所述 導(dǎo)軌上往復(fù)移動(dòng)的第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0014] 優(yōu)選地，上述輪廓檢測(cè)裝置中，所述杠桿機(jī)構(gòu)包括所述杠桿和作為支點(diǎn)以支撐所 述杠桿的支撐件，并且所述杠桿為殷鋼桿，所述支撐件為殷鋼件。
[0015] -種檢測(cè)光學(xué)非球面的方法，該方法適用于上述任意一項(xiàng)所述的輪廓測(cè)量裝置， 其包括以下步驟：
[0016] 1)對(duì)輪廓測(cè)量裝置的測(cè)量精確性進(jìn)行檢驗(yàn)；
[0017] 2)令所述杠桿機(jī)構(gòu)保持在平衡狀態(tài)，將此時(shí)所述杠桿機(jī)構(gòu)所在的位置記做初始化 零位；
[0018] 3)在所述杠桿機(jī)構(gòu)保持在初始化零位的位置時(shí)，使所述球頭從預(yù)先設(shè)定的起始位 置開(kāi)始，在光學(xué)非球面的表面上連續(xù)移動(dòng)；
[0019] 4)在所述球頭移動(dòng)的過(guò)程中，所述測(cè)量探頭記錄自身在所述杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下位置 變化的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中；
[0020] 5)計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到與所述球頭接觸的光學(xué)非球面的表 面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，檢測(cè)操作完成。
[0021] 本發(fā)明提供的輪廓檢測(cè)裝置，不再采用間隔取點(diǎn)的方式對(duì)光學(xué)非球面進(jìn)行測(cè)量， 而是在測(cè)量機(jī)構(gòu)上設(shè)置了杠桿機(jī)構(gòu)，該杠桿機(jī)構(gòu)的杠桿上，一端設(shè)置有能夠與光學(xué)球面直 接接觸的球頭，另一端設(shè)置有測(cè)量探頭，在對(duì)光學(xué)非球面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，使整個(gè)測(cè)量機(jī)構(gòu)在導(dǎo) 軌上移動(dòng)，即連接件帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)，進(jìn)而使設(shè)置在杠桿上的球頭在光學(xué)非球面的表面 上連續(xù)移動(dòng)，從而獲取光學(xué)非球面的面形輪廓，球頭在隨著光學(xué)非球面的表面輪廓的上下 起伏移動(dòng)時(shí)，其會(huì)帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)繞著杠桿支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，杠桿另一端的測(cè)量探頭就會(huì)記錄下杠 桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明提供的輪廓檢測(cè)裝置，因?yàn)榍蝾^在光學(xué) 非球面的表面上連續(xù)移動(dòng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光學(xué)非球面的連續(xù)測(cè)量，而且可以利用杠桿機(jī) 構(gòu)的放大作用以及測(cè)量探頭的光柵傳感器跟隨性好的測(cè)量特性，將光學(xué)非球面的表面輪廓 起伏放大，從而顯著提高了對(duì)光學(xué)非球面的測(cè)量準(zhǔn)確度。此外，本發(fā)明提供的輪廓檢測(cè)裝 置，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，制造非常方便。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù) 提供的附圖獲得其他的附圖。
[0023] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中點(diǎn)位式檢測(cè)裝置的工作示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的輪廓檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3為前端球頭半徑與實(shí)際接觸點(diǎn)的對(duì)比示意圖；
[0026] 圖4為前端球頭半徑補(bǔ)償計(jì)算方法的示意圖；
[0027] 圖5為杠桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型圖；
[0028] 圖6為步長(zhǎng)變化對(duì)誤差影響的曲線圖；
[0029] 圖7為球頭半徑變化對(duì)誤差影響的曲線圖；
[0030] 圖8為二次曲面系數(shù)變化對(duì)誤差影響的曲線圖。
[0031] 在圖1和圖2中：
[0032] 導(dǎo)軌01、支架02、底座03、光柵傳感器04、光學(xué)非球面05、球頭06 ;
[0033] 底座1、工作臺(tái)2、第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)3、光學(xué)非球面4、杜桿機(jī)構(gòu)5、導(dǎo)軌6、第二驅(qū)動(dòng)電 機(jī)7、連接件8、支架9。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明提供了一種輪廓檢測(cè)裝置，其測(cè)量方式不再是間隔取點(diǎn)，而是與光學(xué)非球 面連續(xù)接觸以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，從而提高了對(duì)光學(xué)非球面的測(cè)量準(zhǔn)確度（在本領(lǐng)域中，測(cè)量 準(zhǔn)確度也可以稱(chēng)為測(cè)量不確定度），使本發(fā)明提供的輪廓檢測(cè)裝置能夠適用于大口徑的光 學(xué)非球面以及較為陡峭曲面的測(cè)量。
[0035] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0036] 如圖2-圖8所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的輪廓測(cè)量裝置，用于檢測(cè)光學(xué)非球面4的 面型輪廓，包括導(dǎo)軌6、用于支撐導(dǎo)軌6的支架9和底座1，以及移動(dòng)設(shè)置在導(dǎo)軌6上的測(cè)量 機(jī)構(gòu)，該測(cè)量機(jī)構(gòu)具體包括：
[0037] 滑動(dòng)連接在導(dǎo)軌6上的連接件8,導(dǎo)軌6由設(shè)置在底座1上的支架9支撐，并且底 座1上滑動(dòng)設(shè)置有安放光學(xué)非球面4的工作臺(tái)2,工作臺(tái)2的滑動(dòng)方向垂直于導(dǎo)軌6,從而 實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)構(gòu)在不同方向上的移動(dòng)；
[0038] 設(shè)置在連接件8上，能夠?qū)⒐鈱W(xué)非球面4的表面起伏程度放大的杠桿機(jī)構(gòu)5,杠桿 機(jī)構(gòu)5的杠桿兩端，分別連接有能夠與光學(xué)非球面4接觸的球頭（杠桿連接有與光學(xué)非球 面4接觸的球頭的一端稱(chēng)為前端，設(shè)置在該端的球頭成為前端球頭），以及測(cè)量探頭（連接 測(cè)量探頭的杠桿的一端稱(chēng)為后端，測(cè)量探頭上的球頭則稱(chēng)為后端球頭）。其中，前端球頭用 于與光學(xué)非球面4直接接觸，而后端的測(cè)量探頭則用于記錄數(shù)據(jù)，即前端球頭與被測(cè)光學(xué) 非球面4直接接觸，反映的是被測(cè)光學(xué)非球面4的表面情況；后端球頭與杠桿連接，反映的 是杠桿機(jī)構(gòu)5的轉(zhuǎn)動(dòng)情況；而杠桿機(jī)構(gòu)5的轉(zhuǎn)動(dòng)情況又是由被測(cè)光學(xué)非球面4的表面情況 決定的，所以杠桿機(jī)構(gòu)5能夠達(dá)到一個(gè)從前端到后端的傳遞作用。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，令前端球 頭在連接件8和杜桿機(jī)構(gòu)5的帶動(dòng)下，在光學(xué)非球面4的表面上連續(xù)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè) 量。前端球頭在光學(xué)非球面4上移動(dòng)的同時(shí)，杠桿機(jī)構(gòu)5會(huì)帶動(dòng)另一端的測(cè)量探頭也進(jìn)行 相應(yīng)的移動(dòng)，并且杠桿機(jī)構(gòu)5可以將移動(dòng)軌跡放大，以更加便于測(cè)量，進(jìn)而顯著提高測(cè)量精 確度。
[0039] 利用上述輪廓測(cè)量裝置對(duì)光學(xué)非球面4進(jìn)行檢測(cè)的方法，大體包括以下幾個(gè)步 驟：第一步，在正式開(kāi)始測(cè)量前，先對(duì)輪廓測(cè)量裝置的測(cè)量精確性進(jìn)行檢驗(yàn)；第二步，開(kāi)始 測(cè)量時(shí)，令杠桿機(jī)構(gòu)5保持在平衡狀態(tài)，將此時(shí)杠桿機(jī)構(gòu)5所在的位置記做初始化零位；第 三步，在杠桿機(jī)構(gòu)保持在初始化零位的位置時(shí)，使球頭從預(yù)先設(shè)定的起始位置開(kāi)始，在光學(xué) 非球面4的表面上連續(xù)移動(dòng)；第四步，在前端球頭移動(dòng)的過(guò)程中，測(cè)量探頭記錄自身在杠桿 機(jī)構(gòu)5帶動(dòng)下位置變化的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中；第五步，計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到與前端球頭接觸的光學(xué)非球面4的表面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，檢測(cè)操作完成。
[0040] 在上述方法中，計(jì)算機(jī)在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算前端球頭和后端的