基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统及其检测方法技术方案

基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统及其检测方法，属于光学测量技术领域，解决了现有检测装置结构复杂的问题，包括激光测距仪、二维平移台和垂直升降台；所述二维平移台包括X轴移动装置和Y轴移动装置，所述垂直升降台安装在Y轴移动装置上，所述二维平移台与平移台控制器电连接，垂直升降台与升降台控制器电连接；所述平移台控制器、升降台控制器经调度控制器，与上位机电连接。检测光学镜面的方法是将被测镜面固定安装上述装置上，经网格扫描后得到三维坐标值，代入曲面方程中拟合得到被测镜面的三维坐标方程。本发明专利技术结构简单、制造成本低。

【技术实现步骤摘要】
基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统及其检测方法
本专利技术属于光学检测
，特别涉及一种光学镜面的检测装置及其检测方法。
技术介绍
随着现代科学技术的不断发展，对光学元件的需求也日益增多。光学元件加工通常采用传统的研磨和抛光方法，这就需要检测光学元件的面形是否符合加工要求。光学面形检测方法主要分为接触式检测和非接触式检测两大类。接触式检测最常见的是三坐标测量法，代表性的产品有英国FormTalysurfPGL1240型非球面表面轮廓仪，其最突出的缺点是可能会损毁被测表面且运算过程较为复杂。目前工厂中一般使用接触式球径仪对光学镜面进行粗磨检测，这种测量方法虽然原理简单，但是由于测量点有限，网格较粗，效率低下，而且因为是接触式测量，所以不适合检测晶体等表面较软的镜片，同时对于表面光洁度要求较高的镜面也存在检测困难。由于上述原因，使得接触式检测这类仪器很难在光学元件表面形状的测量中发挥作用，这就促使国内外学者较多的致力于研究和开发非接触式测量方法。非接触式检测大致可以归纳为几何光线法和干涉法。其中，几何光线法定量测量主要作为光学零件研磨后期及粗抛光阶段的面形检测方法，干涉法检测则是目前精密抛光后高精度面形检测的主要方法。现已研究出的非接触式球径仪虽然测量精度高，但市场价格十分昂贵，在光学元件粗磨阶段性价比较低。
技术实现思路
为解决现有非接触式光学面形检测装置结构复杂、制造成本高的问题，本专利技术提供一种基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统，其技术方案如下：包括激光测距仪、二维平移台和垂直升降台；所述激光测距仪包括激光扫描控制器，激光扫描控制器与激光感测头电连接，激光扫描控制器与监视器电连接；所述二维平移台包括X轴移动装置和Y轴移动装置，Y轴移动装置安装在X轴移动装置上；X轴移动装置包括X轴导轨，X轴导轨顶部滑动安装有X轴滑块，X轴滑块中部的内螺纹中安装有X轴滚珠丝杠，X轴滚珠丝杠与X轴步进电机联接，X轴步进电机固定安装在X轴导轨上；Y轴移动装置包括安装在X轴滑块顶部的Y轴导轨，Y轴导轨顶部滑动安装有Y轴滑块，Y轴滑块中部的内螺纹中安装有Y轴滚珠丝杠，Y轴滚珠丝杠与Y轴步进电机联接，Y轴步进电机固定安装在Y轴导轨上；所述垂直升降台安装在Y轴滑块上，垂直升降台包括台面和Z轴导轨，Z轴导轨固定安装在Y轴滑块上，Z轴导轨上滑动安装有Z轴滑块，台面安装在Z轴滑块上，Z轴滑块中部的内螺纹中安装有Z轴滚珠丝杠，Z轴滚珠丝杠与Z轴步进电机联接，Z轴步进电机固定安装在Z轴导轨上，激光感测头位于台面上方；所述X轴步进电机与平移台控制器电连接，Y轴步进电机与平移台控制器电连接，Z轴步进电机与升降台控制器电连接；所述平移台控制器与调度控制器电连接，升降台控制器与调度控制器电连接，激光扫描控制器与调度控制器电连接，调度控制器与上位机电连接。上述结构中的X轴导轨沿水平面内的X轴方向延伸，Y轴导轨沿水平面内的Y轴方向延伸，Z轴导轨位于竖直面内，Z轴导轨垂直于X轴导轨，Z轴导轨垂直于Y轴导轨。优选地，所述激光测距仪采用基恩士公司生产的LT-9031高精度激光测量仪；所述调度控制器采用的核心控制芯片为STM32F107VCT6芯片；所述平移台控制器采用美国丹纳赫集团生产的ULTI-MAC-G型运动控制器；所述二维平移台采用美国丹纳赫集团生产的XYR-8080型二维移动平台；所述垂直升降台采用卓立汉光公司生产的KSAV2030-ZF高精密电控升降台，升降台控制器采用卓立汉光公司生产的SC300-1B控制器。本专利技术还提供一种采用上述基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统来检测光学镜面的方法，包括以下顺序步骤：步骤1：将被测镜面固定安装在垂直升降台的台面上，使被测镜面位于激光感测头下方，调节被测镜面与激光感测头之间的初始距离，使初始距离大于被测镜面的弧高，则位于激光感测头竖直下方的被测镜面的投影区域构成当前被测点；将当前被测点的X坐标值设定为0，Y坐标值设定为0；按以下方法检定当前被测点的Z坐标值：通过上位机、调度控制器、激光扫描控制器检测基准点与当前被测点之间的距离，如果该距离高于激光测距仪的测量范围上限，则通过上位机、调度控制器、升降台控制器使Z轴步进电机旋转，从而驱使垂直升降台的台面上的被测镜面沿Z轴导轨下降到激光测距仪的测量范围内，然后通过激光扫描控制器读取检测基准点与当前被测点之间的距离，将此距离与垂直升降台的台面下降的距离之和，作为当前被测点的Z坐标值；通过上位机、调度控制器、激光扫描控制器检测基准点与当前被测点之间的距离，如果该距离低于激光测距仪的测量范围下限，则通过上位机、调度控制器、升降台控制器使Z轴步进电机反向旋转，从而驱使垂直升降台的台面上的被测镜面沿Z轴导轨上升到激光测距仪的测量范围内，然后通过激光扫描控制器读取检测基准点与当前被测点之间的距离，将此距离与垂直升降台的台面上升的距离之差，作为当前被测点的Z坐标值；步骤2：按以下顺序步骤获取其余被测点的三维坐标值：步骤2.1：通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使Y轴步进电机旋转，从而驱使被测镜面沿Y轴导轨移动一个步数，则位于激光感测头竖直下方的被测镜面的投影区域构成当前被测点，当前被测点的Y坐标值为上一个被测点的Y坐标值加上被测镜面沿Y轴导轨移动一个步数的距离之和，当前被测点的X坐标值与上一个被测点的X坐标值相同，然后通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；步骤2.2：重复M次步骤2.1，得到M个被测点的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值，其中M为大于1的正整数；步骤2.3：然后通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使X轴步进电机旋转，从而驱使被测镜面沿X轴导轨移动一个步数，则位于激光感测头竖直下方的被测镜面的投影区域构成当前被测点，当前被测点的X坐标值为上一个被测点的X坐标值加上被测镜面沿X轴导轨移动一个步数的距离之和，当前被测点的Y坐标值与上一个被测点的Y坐标值相同，通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；步骤2.4：然后通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使Y轴步进电机反向旋转，即与步骤2.1中的Y轴步进电机的旋转方向相反，从而驱使被测镜面沿Y轴导轨反向移动一个步数，则位于激光感测头竖直下方的被测镜面的投影区域构成当前被测点，当前被测点的Y坐标值为上一个被测点的Y坐标值减去被测镜面沿Y轴导轨移动一个步数的距离之差，通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；步骤2.5：重复M次步骤2.4，得到M个被测点的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值，其中M为大于1的正整数；步骤2.6：然后通过上位机和调度控制器控制平移台控制器，驱使X轴步进电机旋转，从而驱使被测镜面沿X轴导轨移动一个步数，则位于激光感测头竖直下方的被测镜面的投影区域构成当前被测点，当前被测点的X坐标值为上一个被测点的X坐标值加上被测镜面沿X轴导轨移动一个步数的距离之和，当前被测点的Y坐标值与上一个被测点的Y坐标值相同，通过步骤1中的方法检定当前被测点的Z坐标值；步骤3：重复若干次步骤2过程，得到网格扫描后的被测镜面的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值；步骤4：将步骤1、步骤2和步骤3中得到的被测镜面的X坐标值、Y坐标值和Z坐标值代入以下公式中：Z＝a1+a2X1+a3Y2+a4X2+a5XY本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统，其特征在于：包括激光测距仪、二维平移台和垂直升降台；所述激光测距仪包括激光扫描控制器，激光扫描控制器与激光感测头（10）电连接，激光扫描控制器与监视器电连接；所述二维平移台包括X轴移动装置和Y轴移动装置， Y轴移动装置安装在X轴移动装置上；X轴移动装置包括X轴导轨（1），X轴导轨（1）顶部滑动安装有X轴滑块（3），X轴滑块（3）中部的内螺纹中安装有X轴滚珠丝杠，X轴滚珠丝杠与X轴步进电机（2）联接，X轴步进电机（2）固定安装在X轴导轨（1）上；Y轴移动装置包括安装在X轴滑块（3）顶部的Y轴导轨（5），Y轴导轨（5）顶部滑动安装有Y轴滑块（6），Y轴滑块（6）中部的内螺纹中安装有Y轴滚珠丝杠，Y轴滚珠丝杠与Y轴步进电机（4）联接，Y轴步进电机（4）固定安装在Y轴导轨（5）上；所述垂直升降台安装在Y轴滑块（6）上，垂直升降台包括台面（12）和Z轴导轨（8），Z轴导轨（8）固定安装在Y轴滑块（6）上，Z轴导轨（8）上滑动安装有Z轴滑块（9），台面（12）安装在Z轴滑块（9）上，Z轴滑块（9）中部的内螺纹中安装有Z轴滚珠丝杠，Z轴滚珠丝杠与Z轴步进电机（7）联接，Z轴步进电机（7）固定安装在Z轴导轨（8）上，激光感测头（10）位于台面（12）上方；所述X轴步进电机（2）与平移台控制器电连接，Y轴步进电机（4）与平移台控制器电连接，Z轴步进电机（7）与升降台控制器电连接；所述平移台控制器与调度控制器电连接，升降台控制器与调度控制器电连接，激光扫描控制器与调度控制器电连接，调度控制器与上位机电连接。...

【技术特征摘要】
1.基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统，其特征在于：包括激光测距仪、二维平移台和垂直升降台；所述激光测距仪包括激光扫描控制器，激光扫描控制器与激光感测头（10）电连接，激光扫描控制器与监视器电连接；所述二维平移台包括X轴移动装置和Y轴移动装置，Y轴移动装置安装在X轴移动装置上；X轴移动装置包括X轴导轨（1），X轴导轨（1）顶部滑动安装有X轴滑块（3），X轴滑块（3）中部的内螺纹中安装有X轴滚珠丝杠，X轴滚珠丝杠与X轴步进电机（2）联接，X轴步进电机（2）固定安装在X轴导轨（1）上；Y轴移动装置包括安装在X轴滑块（3）顶部的Y轴导轨（5），Y轴导轨（5）顶部滑动安装有Y轴滑块（6），Y轴滑块（6）中部的内螺纹中安装有Y轴滚珠丝杠，Y轴滚珠丝杠与Y轴步进电机（4）联接，Y轴步进电机（4）固定安装在Y轴导轨（5）上；所述垂直升降台安装在Y轴滑块（6）上，垂直升降台包括台面（12）和Z轴导轨（8），Z轴导轨（8）固定安装在Y轴滑块（6）上，Z轴导轨（8）上滑动安装有Z轴滑块（9），台面（12）安装在Z轴滑块（9）上，Z轴滑块（9）中部的内螺纹中安装有Z轴滚珠丝杠，Z轴滚珠丝杠与Z轴步进电机（7）联接，Z轴步进电机（7）固定安装在Z轴导轨（8）上，激光感测头（10）位于台面（12）上方；所述X轴步进电机（2）与平移台控制器电连接，Y轴步进电机（4）与平移台控制器电连接，Z轴步进电机（7）与升降台控制器电连接；所述平移台控制器与调度控制器电连接，升降台控制器与调度控制器电连接，激光扫描控制器与调度控制器电连接，调度控制器与上位机电连接。2.根据权利要求1所述的基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统，其特征在于：所述激光测距仪采用基恩士公司生产的LT-9031高精度激光测量仪；所述调度控制器采用的核心控制芯片为STM32F107VCT6芯片；所述平移台控制器采用美国丹纳赫集团生产的ULTI-MAC-G型运动控制器；所述二维平移台采用美国丹纳赫集团生产的XYR-8080型二维移动平台；所述垂直升降台采用卓立汉光公司生产的KSAV2030-ZF高精密电控升降台，升降台控制器采用卓立汉光公司生产的SC300-1B控制器。3.采用权利要求1或2所述的基于激光扫描法的非接触光学镜面检测系统来检测光学镜面的方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：步骤1：将被测镜面（11）固定安装在垂直升降台的台面（12）上，使被测镜面（11）位于激光感测头（10）下方，调节被测镜面（11）与感测头之间的初始距离，使初始距离大于被测镜面（11）的弧高，则位于激光感测头（10）竖直下方的被测镜面（11）的投影区域构成当前被测点；将当前被测点的X坐标值设定为0，Y坐标值设定为0；按以下方法检定当前被测点的Z坐标值：通过上位机、调度控制器、激光扫描控制器检测基准点与当前被测点之间的距离，如果该距离高于激光测距仪的测量范围上限，则通过上位机、调度控制器、升降台控制器使Z轴步进电机（7）旋转，从而驱使垂直升降台的台面（12）上的被测镜面（11）沿Z轴导轨（8）下降到激光测距仪的测量范围内，然后通过激光扫描控制器读取检测基准点与当前被测点之间的距离，将此距离与垂直升降台的台面（12）下降的距离之和，作为当前被测点的Z坐标值；通过上位机、调度控制器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃瑛，许骏，
申请(专利权)人：中国科学院云南天文台，
类型：发明
国别省市：云南;53