自由曲面形貌双边错位差动共焦检测方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学精密检测技术领域，涉及一种自由曲面形貌的双边错位差动共焦检测方法与装置，可用于自由曲面形貌的纳米精度检测。该装置包括：主动气浮隔震弹簧、气浮隔振基座、X向气浮导轨、龙门架、双边错位激光共焦定焦触发测量系统、激光干涉位移测量镜组、Y向气浮导轨、Z向气浮导轨、自由曲面样品姿态调整装置、参考平晶姿态调整装置、激光干涉仪；采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，结合高精度平面平晶作为基准反射镜，减少X向和Y向气浮导轨直线度对自由曲面表面轮廓高精度检测的影响，从而降低三坐标测量机的21项误差。采用具有三点支撑结构的球面气浮工作台调整被测自由曲面零件的姿态，实现自由曲面零件轮廓的高精度检测。

Double sided dislocation differential confocal detection method and device for free-form surface topography

The invention belongs to the field of optical precision detection technology, and involves a bilateral dislocation differential confocal detection method and device for free surface topography, which can be used for nanometer precision detection of free surface topography. The device includes active air floating isolation spring, air floating vibration isolation base, X direction air guide rail, Longmen frame, bilateral dislocation laser co focal fixed focus trigger measurement system, laser interferometric displacement measuring mirror group, Y direction air guide rail, Z direction air guide, free surface sample attitude adjustment device, reference plane attitude adjusting device, laser The interferometer, using the contour measuring method of the Longmen structure three coordinate measuring machine and the high precision plane flat crystal as the reference mirror, reduces the influence of the X direction and the Y to the surface contour of the free-form surface, thus reducing the 21 errors of the three coordinate measuring machine. The spherical floating table with three point supporting structure is used to adjust the pose of the free-form surface to realize the high-precision detection of the contour of the free-form surface.

【技术实现步骤摘要】
自由曲面形貌双边错位差动共焦检测方法与装置
本专利技术属于光学精密检测
，涉及一种自由曲面形貌高精度检测方法与装置，可用于精密光学系统中自由曲面形貌的纳米精度检测。技术背景自由曲面元件具有最大的表面形貌自由度，在成像系统中易消除像差，具有改善光学系统成像质量、提高分辨能力、增大作用距离、简化仪器结构、减小仪器体积及重量和提高可靠性等优点，可极大地改善测量光学系统的成像质量、分辨力，提高武器装备性能；用自由曲面光学系统来代替过去的由平面、球面镜、共轴二次曲面镜等构成的光学系统来提高成像质量，减小系统体积和重量，进而解决成像精度、便携性和可靠性等问题已经成为光学系统发展的重要趋势。但是自由曲面在增加了设计自由度的同时，给设计、加工和检测提出了更高的要求，随着光学CAD与数控金刚石点加工技术在光学设计与制造中得到成功应用，自由曲面的设计与加工已不再是主要技术障碍，但测量问题却日益成为亟待研究解决的难题。光金刚石点加工技术对自由曲面面形的加工精度主要取决于对面形上各点空间坐标的测量准确度，因此元件面形是否能满足设计要求必须经过高精度的检测技术来保证。目前国际上自由曲面的表面轮廓测量方法中主要可以分为光场图像测量法、层析扫描探测法和探针三维扫描探测法三大类。图像探测法测量过程无需对样品进行扫描，测量速度快，但其无法适应任意倾角变化的自由曲面高精度测量，同时易受到样品表面反射率、粗糙度等特性差异影响。层析扫描法原理简单，但对被测零件的尺寸和材料都有一定限制对运行环境要求较高，现有仪器测量精度为1～10mm，测量精度较低。探针三维扫描测量法采用探针对被测自由曲面样品表面进行逐点定位，通过测量各个位置点的坐标重构得到样品表面形貌，通常由坐标测量机驱动探针或者样品进行探测，目前该方法由于具有测量精度高，适用范围广等优势逐渐成为自由曲面测量的主流技术。传统的探针三维扫描测量方法包括：接触探针法、清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。接触探针法具有很高的测量精度、良好的可靠性与稳定性，但获得的测量数据需根据探针测头形状进行补偿，并且由于测量存在接触力，但不能对软质、易碎等样品进行测量，并且可能会划伤抛光后样品表面。清晰度法利用数字图像处理技术对光学系统的成像质量进行判定，寻找成像最为清晰的点作为定焦位置，但受衍射的限制十分明显，瞄准定位敏度较低，精度浮动在1％～2％之间，定位精度仅为微米量级。飞行时间法测量原理简单,不需要图像处理，但分辨率较低，测量精度约为20～50mm，不适用于精密测量环境中。干涉方法的灵敏度很高，其轴向定位的理论极限可达到1nm，但是对测量环境要求苛刻，并且容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响，实际工程应用受到较大限制。共焦法定焦精度较高，抗环境干扰能力强，并且对样品表面属性差异影响具有一定的抑制能力，轴向定位分辨力可达到200nm。综上所述，现有测量方法中主要存在测量精度不足，不能克服样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响，是目前限制自由曲面轮廓测量精度的主要瓶颈。基于上述情况，本专利技术提出一种自由曲面形貌双边错位差动共焦测量方法与装置，以期在不改变共焦测量系统结构的前提下，仅经过测量数据的分析处理就能改善共焦测量系统测量自由曲面形貌的轴向分辨能力和信噪比等。对自由曲面形貌进行高精度定焦触发测量，并利用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，通过激光干涉仪监测和补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面形貌的降维误差分离，从而实现自由曲面形貌的纳米精度检测。本专利技术专利的核心思想是利用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，通过激光干涉仪监测和补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面形貌的降维误差分离，并通过双边错位激光差动共焦高精度定焦触发测量新方法对自由曲面形貌进行纳米精度定焦触发测量，结合余气回收式气浮导轨的宏-微跨尺度纳米精度无扰驱动与定位方法，为自由曲面形貌检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段，利用差动共焦曲线线性段对样品直接测量，降低焦点跟踪要求，可对具有微细结构的自由曲面形貌进行快速的纳米精度测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高自由曲面形貌的检测精度和效率，克服现有技术的不足，提出一种自由曲面形貌纳米精度检测方法及其装置。本专利技术基于我们专利技术的余气回收式气浮导轨、宏-微跨尺度纳米精度运动误差解耦无扰驱动与定位方法实现纳米精度三维扫描与定位；基于空气静压轴承技术的大范围调倾调心技术，实现自由曲面样品姿态调整，确保任意一点的倾角在系统可测范围内；在Z向使用高精度平面平晶进行纳米精度激光干涉位移测量，减少X向和Y向气浮导轨直线度对自由曲面轮廓测量的影响，提高Z向双边错位激光差动共焦定焦触发探测的精度，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的自由曲面形貌纳米精度检测方法，包括以下步骤：步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置和参考平晶姿态调整装置上，通过激光干涉仪测量激光干涉测量镜组与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置和参考平晶姿态调整装置的姿态，保证与Z向气浮导轨垂直；步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置上和参考平晶姿态调整装置上，利用Z向气浮导轨带动双边错位激光差动共焦定焦触发测量系统和激光干涉位移测量镜组沿Z向移动，根据得到的激光差动共焦响应曲线获得被测自由曲面形貌的Z向表面高度和倾角信息；步骤三：利用X向气浮导轨，使气浮导套沿X方向等间距移动，对每个测量点重复步骤二，当被测自由曲面样品表面倾角较大，导致激光差动共焦定焦触发测量系统的激光差动共焦响应光强较弱时，通过调整自由曲面样品姿态调整装置，保证自由曲面样品上任意一点的倾角在可测范围内，实现自由曲面形貌的X向扫描检测；步骤四：每完成一次自由曲面形貌X向扫描检测，利用Y向气浮导轨，沿Y向等间距移动一步，重复步骤三，实现自由曲面形貌的Y向扫描检测；步骤五：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D11(x,y,z),D12(x,y,z),…,Dij(x,y,z),…,DMN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。本专利技术的自由曲面形貌纳米精度检测装置，包括：主动气浮隔震弹簧、气浮隔振基座、X向气浮导轨、龙门架、双边错位激光差动共焦定焦触发测量系统、激光干涉位移测量镜组、Y向气浮导轨、Z向气浮导轨、自由曲面样品姿态调整装置、参考平晶姿态调整装置、激光干涉仪；本专利技术采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式。其中，气浮隔振基座安装在主动气浮隔震弹簧上，通过主动气浮隔振弹簧起到隔振的作用；将X向气浮导轨固定安装在气浮隔振基座上，X向气浮导轨上安装有气浮导套，并将基于三点支撑结构设计自由曲面样品姿态调整装置和参考平晶姿态调整装置平行安装在气浮导套上；双边错位激光差动共焦定焦触发测量系统和激光干涉位移测量镜组平行安装在Z向气浮导轨上，Z向气浮导轨安装在Y向气浮导轨，Y向气浮导轨和激光干涉仪分别安装在龙门架上，龙门架固定安装在气浮隔震基座本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.自由曲面形貌双边错位差动共焦检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)上，通过激光干涉仪(11)测量激光干涉测量镜组(6)与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)的姿态，保证与Z向气浮导轨(8)垂直；步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置(9)上和参考平晶姿态调整装置(10)上，利用Z向气浮导轨(8)带动双边错位激光差动共焦定焦触发测量系统(5)和激光干涉位移测量镜组(6)沿Z向移动，得到测量点(17)的共焦轴向响应曲线；步骤三：计算共焦轴向响应曲线(12)的最大值M，将共焦轴向响应曲线(12)向右平移S，得到移位共焦轴向响应曲线(13)，并与共焦轴向响应曲线(12)在M/2附近相交，差动相减后得到双边错位差动共焦轴向强度响应曲线(14),得到双边错位差动共焦轴向强度响应曲线(14)的相减共焦轴向响应近似线性段(15),根据共焦轴向响应曲线(12)对称的特性，将双边错位差动共焦轴向强度响应曲线(14)向左平移S/2得到移位共焦轴向响应近似线性段(16),拟合移位共焦轴向响应近似线性段(16)得到过零点m，结合激光干涉仪(11)测量的位移信息获得被测自由曲面形貌的Z向表面高度和倾角信息；步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角较大，导致激光差动共焦定焦触发测量系统(5)的激光差动共焦响应光强较弱时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，利用位于支撑点(18)的压电陶瓷，调整球面气浮工作台的姿态，使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内，沿蛇形路径驱动X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)，对每个测量点(17)重复步骤二，采集每一个测量点(17)的表面高度和倾角信息实现自由曲面形貌的X‑Y平面扫描检测；步骤五：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪(11)测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D11(x,y,z),D12(x,y,z),…,D12(x,y,z),Dij(x,y,z),…,DMN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。...

【技术特征摘要】
1.自由曲面形貌双边错位差动共焦检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)上，通过激光干涉仪(11)测量激光干涉测量镜组(6)与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)的姿态，保证与Z向气浮导轨(8)垂直；步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置(9)上和参考平晶姿态调整装置(10)上，利用Z向气浮导轨(8)带动双边错位激光差动共焦定焦触发测量系统(5)和激光干涉位移测量镜组(6)沿Z向移动，得到测量点(17)的共焦轴向响应曲线；步骤三：计算共焦轴向响应曲线(12)的最大值M，将共焦轴向响应曲线(12)向右平移S，得到移位共焦轴向响应曲线(13)，并与共焦轴向响应曲线(12)在M/2附近相交，差动相减后得到双边错位差动共焦轴向强度响应曲线(14),得到双边错位差动共焦轴向强度响应曲线(14)的相减共焦轴向响应近似线性段(15),根据共焦轴向响应曲线(12)对称的特性，将双边错位差动共焦轴向强度响应曲线(14)向左平移S/2得到移位共焦轴向响应近似线性段(16),拟合移位共焦轴向响应近似线性段(16)得到过零点m，结合激光干涉仪(11)测量的位移信息获得被测自由曲面形貌的Z向表面高度和倾角信息；步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角较大，导致激光差动共焦定焦触发测量系统(5)的激光差动共焦响应光强较弱时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，利用位于支撑点(18)的压电陶瓷，调整球面气浮工作台的姿态，使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内，沿蛇形路径驱动X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)，对每个测量点(17)重复步骤二，采集每一个测量点(17)的表面高度和倾角信息实现自由曲面形貌的X-Y平面扫描检测；步骤五：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪(11)测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D11(x,y,z),D12(x,y,z),…,D12(x,y,z),Dij(x,y,z),…,DMN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。2.根据权利1所述的自由曲面形貌双边错位差动共焦检测方法，其特征在于，使用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，通过激光干涉仪(11)监测和补偿X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)的直线度误差，使自由曲面形貌误差降维分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。3.根据权利1所述的自由曲面形貌双边错位差动共焦检测方法，其特征在于，使用双边错位的激光差动共焦高精度定焦触发测量方法，实现表面倾角变化达25°的自由曲面表面高精...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，唐颖奇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11