非球面模具的在位测量系统及其测量方法和测量检验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非球面模具的在位测量系统，包括接触探针、气浮轴承、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统，所述光学干涉系统包括：一个光源、一个激光扩束系统、一个猫眼反射镜、两个反射镜、一个偏振分光镜、一个1/2λ波片、三个1/4λ玻片、一个分束光栅或全息分束单元、一个空间滤波器和一组偏振片组；所述图像采集处理系统包括：CCD相机、图像采集卡和计算机，软件处理系统包括：相位计算模块、面形坐标转换模块、曲面拟合模块和误差分析模块。本发明专利技术的有益效果：位移测量的精度可达纳米量级，并且能实现实时的在位测量，测量过程可避开振动噪声的干扰，且测量准确性和稳定性高。

In situ measurement system for aspheric mold and measuring method and measuring and testing method thereof

The invention discloses a measurement system for non spherical mold, including contact probe, air bearing, optical system, image acquisition and processing system and software processing system, the optical system includes a light source, a laser beam expander, a cat eye reflector, a mirror, a two a polarization beam splitter, a 1/2 wave plate, three 1/4 a slide, a beam splitting grating or holographic beam splitter unit, a spatial filter and a group of Polaroid group; including the image acquisition and processing system, CCD camera, image acquisition card and computer, including the software processing system: phase calculation surface module, coordinate conversion module, surface fitting module and error analysis module. The invention has the advantages that the accuracy of the displacement measurement can reach nanometer order, and can realize real-time in situ measurement, and the measurement process can avoid the interference of the vibration noise, and the measuring accuracy and the stability are high.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于光学干涉技术的三维测量装置，尤其涉及一种非球面模具的在位测量系统及其测量方法和测量检验方法。
技术介绍
目前各种摄像装置的镜头已朝轻薄短小方向发展，而微小非球面透镜（直径为几毫米到几十微米）成为这一发展趋势的主体力量。根据台湾光电科技工业协进会(PIDA)资料显示，按一部数码相机需搭载1到3块非球面模压玻璃透镜计算，在2007年，数码相机上约有2.3亿枚非球面模压玻璃透镜的需求，全世界非球面模压玻璃透镜总产值约占全世界光学组件产量的19%，非球面模压玻璃透镜已被视为下一代主流镜片。微小非球面透镜制造的关键之处在于超精密模具的加工，而完成非球面模具超精密加工的一个重要前提就是拥有适合在位测量的纳米精度的非球面检测手段。目前在国内，微小透镜模具的加工要求面形精度P-V值一般在300nm-100nm，而在国外，尤其在日本，已经获得了P-V值100nm以下的加工精度，这样，就要求实际面形的测量精度(峰谷值)达到纳米量级，测量精度越高越有利于后续加工；同时由于在现场制造中经常加工大量尺寸和形状各异的非球面模具，这就需要一种灵活的在位测量系统以实现多种类型模具面形的测量，其测量效率应能满足在位测量的要求。面形测量的精度和效率高低将直接影响到下一步的透镜模具加工或透镜模压成型，因此，优秀的面形测量方法将是完成超精密模具加工和透镜模压成型的重要前提。在实际的微小非球面透镜模具加工过程中，目前常用的测量方法是接触探针扫描法，最具代表性的是英国泰勒霍普森有限公司生产的FormTalysurfPGI1240或1250A非球面测量系统，其非球面光学元件和模具的形状测量精度可达到几十个纳米；还有日本松下公司利用原子间相互排斥力原理而开发的原子力非球面测量仪“UA3P”，据称这种系统的面形测量精度最高达10nm。但这两种仪器由于受机床及环境振动的影响，无法用在机床上进行非球面模具的在位测量，而且泰勒公司的PGI测量仪容易对软质如铝合金非球面模具表面产生划伤。因此，尽管这两种仪器的精度较高，但无法满足微小透镜模具在位测量的要求。目前在国外进口的超精密机床上都安装有接触探针式在位测量装置，其结构一般采用接触探针与基于激光三角测量原理的位移反馈系统相结合，用于非球面模具加工的初步检测，受位移反馈系统的限制，其测量精度无法达到纳米量级，而且环境振动将影响位移反馈系统的响应精度，同时探针接触力较大，容易划伤软质合金模具表面，将其用于在位测量存在较大缺陷。为解决非球面模具加工的面形在位测量问题，人们把目光转向光学测量上。在采用光学方法测量非球面面形方面，国内外学者提出了许多原理和方法，这些原理和方法也可用于微小透镜模具的面形测量。光学方法依原理可分为非干涉法和干涉法，其中非干涉法主要用来测量大口径或精度要求不高的非球面，而干涉法的测量精度较高，在非球面微小透镜模具的面形测量方面有广阔的应用前景。在非球面的干涉测量法中，最典型的是补偿干涉法。J.C.Wyant等人起初提出采用零透镜补偿干涉法实现了非球面的检测，进而发展出采用计算全息图代替零透镜实现非球面的干涉检测，获得了非球面光学干涉测量方法的重大突破，这种方法对非球面测量的精度在几十个纳米左右；C.Pruss提出了一种采用薄膜镜片代替计算全息图，通过计算机控制薄膜的变形实现非球面面形的检测；Tae-heeKim设计计算全息板对大口径抛物面镜进行了测量，得到面形测量精度为100多个纳米；BURGE和WYANT采用相移结合计算全息补偿法获得亚微米量级的非球面测量精度。在采用零透镜补偿和计算全息干涉法方面国内学者也做了大量的研究工作：天津大学进行了提高计算全息检测非球面精度的研究，可使测量精度提高到120纳米左右；清华大学设计出了实用型的非球面零位检验Dall补偿器，据称面形检测精度可达几个纳米；中国科学院长春光机所利用曲面计算全息图进行了非球面检测，面形检测精度为234nm；另外苏州大学采用校正法提高补偿器的精度，测量非球面的精度达到150纳米左右。然而，尽管有的补偿干涉法测量精度很高，可达到纳米量级，但都需要根据所测量的非球面特点制作相应的零透镜、薄膜镜片或计算全息图，这大大降低了测量效率，而且极小的和高精度的计算全息图制作非常困难,代价很高。在加工不同类型非球面的微小透镜模具时，补偿干涉法的现场测量方案需变更、重新设计和制作，这样效率太低，难以推广，无法用于非球面模具的在位测量。除了补偿干涉法外，国内外学者还提出了用于非球面测量的波带板干涉法和拼接干涉法，其中，波带板干涉法同样需要针对非球类型设计不同的测量方案，效率太低，而拼接干涉法主要用于大口径非球面的测量。另一种光学测量方法为剪切干涉法，在光学剪切干涉法方面，T.Yatagai和T.Kanou采用PZT驱动条纹扫描与横向剪切干涉相结合的方法实现了非球面面形的测量；根据T.Kanou的方法，日本理光公司开发出非球面测量系统Aspherometer-200，可测量最大非球面度为200的非球面，但面形测量精度仅为200纳米；Seung-WooKim等人采用四方棱镜构成横向剪切干涉仪进行了非球面透镜的透射波面检测，但未见用于非球面镜面形的测量报道；Jae-BongSong等人采用一块楔板和两块透射光栅构成横向剪切干涉仪来测量非球面透镜的透射波面，对其波面测量的误差进行了理论分析。国内学者对剪切干涉测量非球面技术进行了深入的研究：北京工业大学和美国亚利桑那大学合作提出了基于双折射板的横向剪切干涉法，获得100纳米左右的非球面测量精度；中国航空精密机械研究所研究出了相移式横向剪切干涉法测量非球面面形的检测装置及其配套检测软件，实现了对部分非球面光学零件的测量，面形精度达到100纳米；西安工业大学也对条纹扫描横向剪切干涉仪进行了研究，得到非球面测量精度为120纳米左右；南京理工大学和南昌大学对波带板径向剪切法测量非球面进行了研究，对标准非球面进行测试，面形精度达到了120纳米的精度；浙江大学对径向剪切干涉法测量深度非球面进行了讨论和系统的理论优化；香港科技大学对抗振型共路横向剪切干涉技术进行了研究，并对其用于非球面透镜的透射波面测量进行了理论研究；另外，西安交通大学和西安工业大学联合研究了环境振动对相移型横向剪切非球面干涉仪的影响，提出了误差补偿算法，并在理论上分析了算法的可行性。剪切干涉技术不需标准参考波面，可灵活测量各种面形的非球面，但用于在位测量存在以下几点缺陷：1）基于干涉对环境的苛刻要求，测量过程要避开环境振动和噪声的干扰，这在机床上是难以实现的；2）测量精度有待提高，对于高精度微小非球面模具而言，现有剪切干涉仪的在位测量精度无法达到纳米级；3）剪切干涉图的处理较为复杂，这在一定程度上制约了在位测量的实时性。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种位移测量的精度可达纳米量级，并且能实现实时的在位测量，测量过程可避开振动噪声的干扰，且测量准确性和稳定性高的非球面模具的在位测量系统及其测量方法和测量检验方法。本专利技术的技术方案：一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，包括接触探针、气浮轴承、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统，所述光学干涉系统包括：一个光源、一个激光扩束系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非球面模具的在位测量系统，其特征在于：其包括接触探针、气浮轴承、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统，所述光学干涉系统包括：一个光源、一个激光扩束系统、一个猫眼反射镜、两个反射镜、一个偏振分光镜、一个1/2λ波片、三个1/4λ玻片、一个分束光栅或全息分束单元、一个空间滤波器和一组偏振片组；所述图像采集处理系统包括：CCD相机、图像采集卡和计算机，软件处理系统包括：相位计算模块、面形坐标转换模块、曲面拟合模块和误差分析模块；所述光源发射的激光通过 1/2λ波片，形成圆偏振光，通过激光扩束系统放大，并被第一个反射镜反射到偏振分光镜中，偏振分光镜将一部分偏振光束反射，通过第一个1/4λ玻片改变偏振态，入射到猫眼反射镜中，形成物光，猫眼反射镜中的非球面透镜将物光光束始终聚焦在其反射镜面上，猫眼反射镜与接触探针粘连在一起，随接触探针在模具表面滑动，所述接触探针由气浮轴承驱动与控制，使得模具表面形貌的变化信息编码在物光中；偏振分光镜将另外一部分光束透射，通过第二个1/4λ波片，入射到第二个反射镜，并被第二个反射镜反射，形成参考光束；离开偏振分光镜后，参考光与物光相遇，通过空间滤波器滤除杂散光，并被分束光栅或全息分束单元分成四束等光强的物‑参混合光束，再次通过第三个1/4λ波片和偏振片组，形成四幅不同相移量的空间干涉条纹，并成像在 CCD相机 中，图像采集卡将CCD 相机中的图像模拟信号导入计算机，在计算机中进行干涉图像处理，提取模具表面的变化信息，实现非球面模具的形面测量。...

【技术特征摘要】
1.一种非球面模具的在位测量系统，其特征在于：其包括接触探针、气浮轴承、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统，所述光学干涉系统包括：一个光源、一个激光扩束系统、一个猫眼反射镜、两个反射镜、一个偏振分光镜、一个1/2λ波片、三个1/4λ玻片、一个分束光栅或全息分束单元、一个空间滤波器和一组偏振片组；所述图像采集处理系统包括：CCD相机、图像采集卡和计算机，软件处理系统包括：相位计算模块、面形坐标转换模块、曲面拟合模块和误差分析模块；所述光源发射的激光通过1/2λ波片，形成圆偏振光，通过激光扩束系统放大，并被第一个反射镜反射到偏振分光镜中，偏振分光镜将一部分偏振光束反射，通过第一个1/4λ玻片改变偏振态，入射到猫眼反射镜中，形成物光，猫眼反射镜中的非球面透镜将物光光束始终聚焦在其反射镜面上，猫眼反射镜与接触探针粘连在一起，随接触探针在模具表面滑动，所述接触探针由气浮轴承驱动与控制，使得模具表面形貌的变化信息编码在物光中；偏振分光镜将另外一部分光束透射，通过第二个1/4λ波片，入射到第二个反射镜，并被第二个反射镜反射，形成参考光束；离开偏振分光镜后，参考光与物光相遇，通过空间滤波器滤除杂散光，并被分束光栅或全息分束单元分成四束等光强的物-参混合光束，再次通过第三个1/4λ波片和偏振片组，形成四幅不同相移量的空间干涉条纹，并成像在CCD相机中，图像采集卡将CCD相机中的图像模拟信号导入计算机，在计算机中进行干涉图像处理，提取模具表面的变化信息，实现非球面模具的形面测量。2.根据权利要求1所述的一种非球面模具的在位测量系统，其特征在于：所述气浮轴承包括轴承外圈、测量主轴、设置在轴承外圈和测量主轴之间的前端轴承和后端轴承，所述前端轴承和后端轴承与轴承外圈之间的间隙连通，所述后端轴承与轴承外圈之间的间隙处开有第三气体进口，所述测量主轴上设有段差A和段差B，所述轴承外圈上设有配合段差A的第一气体进口和配合段差B的第二气体进口，所述接触探针通过测量主轴粘结在猫眼反射镜上。3.根据权利要求1所述的一种非球面模具的在位测量系统，其特征在于：所述偏振片组由偏振方向分别为0°,45°,90°和135°的四块偏振片呈空间正方形排列组成，四副空间干涉条纹的相移量分别为0、π/2、π和3π/2。4.根据权利要求1所述的一种非球面模具的在位测量系统，其特征在于：所述相位计算模块：基于图像匹配算法寻找多幅相移干涉图中同一测量位置的光强值变化，根据不同的光强值采用最小二乘法从相移干涉图中获取相位图；所述面形坐标转换模块：基于波面理论，建立相位值与位移值之间的关系；所述曲面拟合模块：采取最小二乘法或多项式法进行曲面拟合，获取最终的被测面形；计算拟合误差。5.根据权利要求1所述的一种非球面模具的在位测量系统，其特征在于：所述误差分析模块：通过微分方法建立系统的误差模型，对影响测量精度的误差因素进行分析并提出修正方法。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱勇建，曹胜，范玉峰，王宇，
申请(专利权)人：浙江科技学院浙江中德科技促进中心，
类型：发明
国别省市：浙江;33