一种自由曲面检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种自由曲面检测方法，包括：采用三坐标测量设备对包括待测反射球面、投影屏和CCD相机在内的逆向哈特曼检验光路的结构位置参数S进行测量标定；根据测量标定的结构位置参数S，确定待测反射球面的面形误差数据W0；根据测量标定的结构位置参数S和面形误差数据W0，采用泽尼克拟合确定待测球面的面形偏差优化目标；根据确定的面形偏差优化目标，确定初始测量标定的结构位置参数S的各项偏差，并根据所述各项偏差确定待测反射面的实际面形误差ΔW。采用本发明专利技术，减小了自由曲面的面形测量误差。

【技术实现步骤摘要】
一种自由曲面检测方法及系统
本专利技术涉及一种曲面检测
，尤其涉及一种自由曲面检测方法及系统。
技术介绍
由于光学系统的设计要求越来越精密，对其加工精度的要求也相应越来越高，除去一些在日常中用到的凹面反射镜，在试验机生产中对于自由曲面反射镜的需求也越来越多样.要实现对与光学反射面的纳米级精度的检测，现有技术中最为成熟时光学关涉仪检测法，而干涉仪往往存在测量动态范围较小，通用性较差、检测成本高等缺点。一种软件可配置光学测量系统(详见PengSu等，Softwareconfigurableopticaltestsystem：acomputerizedreverseHartmanntest，AppliedOptics，2010，49(23)：4404-4412)采用基于逆向哈特曼检验光路，实现了对反射面面形误差的快速、高测量动态范围和高精度的测量。但该方法需要预知面形，其最为重要的是对光学系统结构参数的预标定工作，进而实现对系统结构误差的校正。预标定的过程是通过繁琐且高要求的三坐标测量装置来实现，对于数值孔径较小的凹反射面的面形测量，微米级的标定精度不会对测量结果造成明显的误差引入。但是对于自由曲面的检测时，尤其当被检曲面类似于凸球面时，系统结构位置参数标定误差会被放大很多，从而产生较为明显的面形测量误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种自由曲面检测方法，提高了自由曲面的检测精度。为解决现有技术存在的问题，本专利技术提供一种自由曲面检测方法，该方法包括：s1，采用三坐标测量设备对包括待测反射球面、投影屏和CCD相机在内的逆向哈特曼检验光路的结构位置参数S进行测量标定；s2，根据测量标定的结构位置参数S，确定待测反射球面的面形误差数据W0；s3，根据测量标定的结构位置参数S和面形误差数据W0，采用泽尼克拟合，并根据泽尼克拟合系数确定待测球面的面形偏差优化目标；s4，根据确定的面形偏差优化目标，确定初始测量标定的结构位置参数S的各项偏差，并根据所述各项偏差确定待测反射面的实际面形误差ΔW。本技术方案首先测量标定结构位置参数实现零位检测，然后通过泽尼克拟合，并根据泽尼克拟合系数确定偏差优化目标，从而实现对待测反射面的实际面形误差的确定，提高了自由曲面面形测量的精度。另外，所述步骤s1中的结构位置参数为S＝{(xi，yi，zi)，(αi，βi，γi)}i＝1，2，3，其中(xi，yi，zi)表示第i个元件的三维空间坐标位置，(αi，βi，γi)表示第i个元件关于各个坐标轴的倾角。为后续的零位检测准备了条件。另外，所述步骤s2包括：移相并采集条纹：控制投影屏前后移动显示x水平方向和y竖直方向的四步90°移相正弦直条纹，确定条纹间距坐标Dx和Dy相位分布Φx和Φy；根据所述确定的条纹间距坐标和相位分布，确定待测球面投影在投影屏上的横、纵坐标：Xm＝Φx·Dx/2π；Ym＝Φy·Dy/2π；确定与待测球面面形误差对应的局部斜率(wx，wy)，该局部斜率为：wx＝(Xm-Xideal)/2dmswy＝(Ym-Yideal)/2dms其中，投影坐标数据Xm和Ym的理论值分别为Xideal和Yideal；对局部斜率(wx，wy)积分得到的面形误差数据W0。本技术方案实现了对自由曲面面形误差的初始测得值W0的获取。另外，所述步骤s3包括：s31，以逆向哈特曼检测光路的结构位置参数S作为变量，不断调整各结构误差参数获取相应的检测结果，对所述检测结果进行泽尼克面形拟合：其中，W0为初始测得值，Ci，geo和Ci，surf分别为预标定中的结构误差Wgeo与被测物表面误差Wsurf的第i项泽尼克系数，j表示结构位置参数S中的第j项结构误差因素，Wj为仅改变j因素以后测得的面形数据，N为泽尼克系数的项数，Ci为初始测得值的泽尼克拟合得到的第i项泽尼克系数，Ci，j为改变j因素以后泽尼克拟合得到的第i项泽尼克系数，Zi为第i项泽尼克项；s32，根据待测球面的面形误差数据W0和仅改变j因素以后测得的面形数据Wj确定泽尼克拟合系数比值。另外，所述步骤s32包括：s321，通过差分计算确定：其中，WΔ，j是j因素的变动造成的测量结果的变动量，ΔCi，j为改变j因素以后测得的面形数据与初始值各自拟合系数的在第i项上的系数差值；s322，获取真实面形的泽尼克系数，高阶项(Ci，j-Ci，surf)(i＞3)与离焦项数据C3，j的比值：ri，j＝(Ci，j-Ci，surf)/C3，j＝ΔCi，j/ΔC3，j。另外，所述步骤s4包括：s41，确定泽尼克系数的前m项组成的波面Wm为主要结构误差，将所述波面作为优化目标，确定偏差函数：{fm}＝{Wm}根据偏差函数{fm}，使收敛时对应的逆向哈特曼检验光路的结构位置参数S在一定误差范围内。s42采用迭代优化算法，改变结构位置参数S，通过结构误差参数与泽尼克系数的函数方程ψi，j(εj)，求得相应泽尼克系数；εj为位置参数较初始结构参数值的偏差；s43，考虑所有结构位置参数S，基于真值比值条件ri，j(i＞3)获得初始值中结构位置参数S的各项偏差εj对于测量结果中高阶项的影响：s44，以面形数据Wsurf为优化目标，确定广义加权偏差函数{fk}＝{ρkWsurf}，其中，ρk为加权因子，{fk}为偏差函数；s45，根据偏差函数{fk}，确定收敛时对应的逆向哈特曼检验光路的结构位置参数Smin；s46，循环获取机构位置参数Smin，，确定待测反射面的实际面形误差为ΔW。相应的本专利技术还提供一种自由曲面检测系统，该系统包括：三坐标测量设备、控制计算机，以及成像设备，成像用于对待测反射球面进行成像，所述三坐标检测设备用于对；所述成像设备包括：投影仪、CCD相机组，所述CCD组前端装有滤光小孔，所述CCD组与待测反射面组成逆向哈特曼检验光路；所述待测反射球面面向投影屏和CCD相机，所述待测反射球面与投影屏相对位置使待测反射球面在CCD相机中完整成像。本专利技术自由曲面检测方法，基于泽尼克拟合系数比值找到个系统结构位置参数标定误差对检测结构面形的泽尼克拟合系数的影响，提出了涉及泽尼克拟合系数比值的结构测量误差校正方法，主要目的为最小化系统结构误差，从而实现纳米量级的反射球面面形误差的检测。附图说明图1是本专利技术一种自由曲面检测系统中逆向哈特曼检验光路示意图；图2是本专利技术一种自由曲面检测方法的第一种实施例的流程示意图；图3是本专利技术一种自由曲面检测系统中的立项表面与存在加工误差表面的对比图；图4是本专利技术一种自由曲面检测方法中泽尼克拟合得出的表面加工误差真值示意图；图5是本专利技术一种自由曲面检测方法中的优化结果示意图。图中：1.投影屏，2.CCD相机，3.待测反射球面。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细说明。本专利技术实施例的基于泽尼克拟合系数比值的自由曲面通用化检测方法，采用逆向哈特曼检验系统，如图1所示，逆向哈特曼检验系统包括投影屏1、CCD相机2、待测反射球面3，投影屏1和CCD相机2并排放置，且CCD相机前端装有滤光小孔4，待测反射球面3面向投影屏1和CCD相机2，并且待测反射球面3与投影屏1平面近似平行放置，投影屏1和CCD相机2的数据线分别和计算机5相连。下面说明本专利技术的另一方面。参考图2，该图是本专利技术一种自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由曲面检测方法，其特征在于，包括：s1，采用三坐标测量设备对包括待测反射球面、投影屏和CCD相机在内的逆向哈特曼检验光路的结构位置参数S进行测量标定；s2，根据测量标定的结构位置参数S，确定待测反射球面的面形误差数据W0；s3，根据测量标定的结构位置参数S和面形误差数据W0，采用泽尼克拟合，并根据泽尼克拟合系数确定待测球面的面形偏差优化目标；s4，根据确定的面形偏差优化目标，确定初始测量标定的结构位置参数S的各项偏差，并根据所述各项偏差确定待测反射面的实际面形误差ΔW。

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面检测方法，其特征在于，包括：s1，采用三坐标测量设备对包括待测反射球面、投影屏和CCD相机在内的逆向哈特曼检验光路的结构位置参数S进行测量标定；s2，根据测量标定的结构位置参数S，确定待测反射球面的面形误差数据W0；s3，根据测量标定的结构位置参数S和面形误差数据W0，采用泽尼克拟合，并根据泽尼克拟合系数确定待测球面的面形偏差优化目标；s4，根据确定的面形偏差优化目标，确定初始测量标定的结构位置参数S的各项偏差，并根据所述各项偏差确定待测反射面的实际面形误差ΔW。2.根据权利要求1所述的自由曲面检测方法，其特征在于，所述步骤s1中的结构位置参数为S＝{(xi，yi，zi)，(αi，βi，γi)}i＝1，2，3，其中(xi，yi，zi)表示第i个元件的三维空间坐标位置，(αi，βi，γi)表示第i个元件关于各个坐标轴的倾角。3.根据权利要求1所述的自由曲面检测方法，其特征在于，所述步骤s2包括：移相并采集条纹：控制投影屏前后移动显示x水平方向和y竖直方向的四步90°移相正弦直条纹，确定条纹间距坐标Dx和Dy，和相位分布Φx和Φy；根据所述确定的条纹间距坐标和相位分布，确定待测球面投影在投影屏上的横、纵坐标：Xm＝Φx·Dx/2π；Ym＝Φy·Dy/2π；确定与待测球面面形误差对应的局部斜率(wx，wy)，该局部斜率为：wx＝(Xm-Xideal)/2dmswy＝(Ym-Yideal)/2dms其中，投影坐标数据Xm和Ym的理论值分别为Xideal和Yideal；对局部斜率(wx，wy)积分得到的面形误差数据W0；。4.根据权利要求1所述的自由曲面检测方法，其特征在于，所述步骤s3包括：s31，以逆向哈特曼检测光路的结构位置参数S作为变量，不断调整各结构误差参数获取相应的检测结果，对所述检测结果进行泽尼克面形拟合：其中，W0为初始测得值，Ci，geo和Ci，surf分别为预标定中的结构误差Wgeo与被测物表面误差Wsurf的第i项泽尼克系数，j表示结构位置参数S中的第j项结构误差因素，Wj为仅改变j因素以后测得的面形数据，N为泽尼克系数的项数，Ci为初始测得值的泽尼克拟合得到的第i项泽尼克系数，Ci，j为改变j因素以后泽尼克拟合得到的第i项泽...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道档，龚志东，王朝，徐平，孔明，刘维，赵军，郭天太，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33