一种用于非球面轮廓测量的轮廓仪制造技术

本发明专利技术公开了一种用于非球面轮廓测量的轮廓仪，包括大理石台架

【技术实现步骤摘要】
一种用于非球面轮廓测量的轮廓仪


[0001]本专利技术涉及非球面轮廓测量

。
具体地说是一种用于非球面轮廓测量的轮廓仪
。

技术介绍

[0002]非球面光学元件，即包含无法用球面方程描述的表面的光学元件，这类元件凭借其更多的设计自由度，不仅能够更有效地校正各种像差，还可以同时满足一些理论上相互制约的设计需求
。
在使用高精度的轮廓仪对测量物进行轮廓扫描时，由于测量物
(
测量坐标系
)
无法完全保证和实际测量中心
(
理想坐标系
)
重合，因此其总是会存在一定的位置误差
。
在面形检测过程中，误差主要来源于三个方面：运动轴误差
、
探头误差和位置偏移误差
。
其中，运动轴与探头误差，往往取决于机械精度，而位置偏移的误差往往需要算法的校正
。
但目前国内尚无成熟的可进行位置偏移校正的轮廓仪
。

技术实现思路

[0003]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种在测量轮廓过程中可以自动调整测量物的位姿
、
保证测量的误差最小的用于非球面轮廓测量的轮廓仪
。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种用于非球面轮廓测量的轮廓仪，包括大理石台架
、
控制系统
、
垂直设置在所述大理石台架上的立架
、
滑动设置在所述立架上的
Z
轴移动部
、
通过光学调整架安装在所述
Z
轴移动部上的探头
、
设置在所述大理石台架上的
XY
二维移动部
、
设置在所述
XY
二维移动部顶面上的电动偏转台组件以及设置在所述电动偏转台组件顶面上的载物台，
[0006]所述探头为基于共聚焦原理的非接触光学探头，用于测量被载物台承载的测量物的面形数据；
[0007]所述
Z
轴移动部带动探头沿着测量物的表面移动，保证探头始终与测量物的理论位置重合；
[0008]所述
XY
二维移动部用于带动所述载物台在水平面的
X
向上和
Y
向上移动；
[0009]所述电动偏转台组件用于带动所述载物台沿
X
向的轴和
Y
向的轴做有限的转动；
[0010]所述控制系统根据所述面形数据
、
探头位置数据
、Z
轴移动部的移动数据
、XY
二维移动部的移动数据计算出测量物存在测量坐标系与理想坐标系不重合的五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
，然后通过控制
Z
轴移动部
、XY
二维移动部以及电动偏转台组件的动作调整测量物的位姿进行自动补偿，并再次通过探头获取测量物的轮廓信息；
[0011]五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
分别是沿着
X
轴的旋转分量
α
、
沿着
Y
轴的旋转分量
β
、
沿着
X
轴的平移分量
Δ
x、
沿着
Y
轴的平移分量
Δ
y、
沿着
Z
轴的平移分量
Δ
z
；
[0012]上述五维自由度误差去除步骤为：
[0013]S1
构建非球面标准方程，记为式
(1)
；
[0014]S2
构建测量坐标系与理想坐标系的关系式，记为式
(2)
；
[0015]S3
将实测的面形数据利用式
(2)
校正之后与式
(1)
作对比，得到式
(3)
，利用结合了
Armijo
算法的
Levenberg
‑
Marquardt
优化算法优化式
(2)
，使其误差函数最小，得到相应的最优的位置偏移参数
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
；
[0016]S4
根据求解出的五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
，控制系统控制
Z
轴移动部
、XY
二维移动部以及电动偏转台组件的动作来消除测量坐标系与理想坐标系的误差，并通过探头获取测量物的轮廓信息
。
[0017]进一步的，所述五维自由度误差去除步骤为：
[0018]S1
构建非球面标准方程，假设光轴为
z
轴，非球面的顶点为坐标原点，则非球面标准方程可以表述为
[0019][0020]其中，
e4、e6、e8……
为高次项系数
,c
为非球面的曲率半径，
k
为圆锥常数；
[0021]S2
由于高次非球面沿着光轴对称，所以沿着
z
轴的旋转
γ
无需考虑，假设测量坐标为
(x0，
y0，
z0)、
理想坐标为
(x1，
y1，
z1)
构建测量坐标系与理想坐标系的关系式
[0022][0023]S3
将实测的面形数据利用式
(2)
校正之后与式
(1)
作对比，得到误差函数，如下式所述
[0024]f(x)
＝
z1‑
z(x1,y1)
式
(3)
；
[0025]然后利用结合了
Armijo
算法的
Levenberg
‑
Marquardt
优化算法优化式
(2)
，使误差函数最小，得到相应的最优的位置偏移参数
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
；
[0026]S4
根据求解出的五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于非球面轮廓测量的轮廓仪，其特征在于，包括大理石台架
(6)、
控制系统
、
垂直设置在所述大理石台架
(6)
上的立架
、
滑动设置在所述立架上的
Z
轴移动部
(3)、
通过光学调整架
(2)
安装在所述
Z
轴移动部
(3)
上的探头
(1)、
设置在所述大理石台架
(6)
上的
XY
二维移动部
(5)、
设置在所述
XY
二维移动部
(5)
顶面上的电动偏转台组件
(4)
以及设置在所述电动偏转台组件
(4)
顶面上的载物台
(7)
，所述探头
(1)
为基于共聚焦原理的非接触光学探头
(1)
，用于测量被载物台
(7)
承载的测量物的面形数据；所述
Z
轴移动部
(3)
带动探头
(1)
沿着测量物的表面移动，保证探头
(1)
始终与测量物的理论位置重合；所述
XY
二维移动部
(5)
用于带动所述载物台
(7)
在水平面的
X
向上和
Y
向上移动；所述电动偏转台组件
(4)
用于带动所述载物台
(7)
沿
X
向的轴和
Y
向的轴做有限的转动；所述控制系统根据所述面形数据
、
探头
(1)
位置数据
、Z
轴移动部
(3)
的移动数据
、XY
二维移动部
(5)
的移动数据计算出测量物存在测量坐标系与理想坐标系不重合的五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
，然后通过控制
Z
轴移动部
(3)、XY
二维移动部
(5)
以及电动偏转台组件
(4)
的动作调整测量物的位姿进行自动补偿，并再次通过探头
(1)
获取测量物的轮廓信息；五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
分别是沿着
X
轴的旋转分量
α
、
沿着
Y
轴的旋转分量
β
、
沿着
X
轴的平移分量
Δ
x、
沿着
Y
轴的平移分量
Δ
y、
沿着
Z
轴的平移分量
Δ
z
；上述五维自由度误差去除步骤为：
S1
构建非球面标准方程，记为式
(1)
；
S2
构建测量坐标系与理想坐标系的关系式，记为式
(2)
；
S3
将实测的面形数据利用式
(2)
校正之后与式
(1)
作对比，得到式
(3)
，利用结合了
Armijo
算法的
Levenberg
‑
Marquardt
优化算法优化式
(2)
，使其误差函数最小，得到相应的最优的位置偏移参数
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
；
S4
根据求解出的五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
，控制系统控制
Z
轴移动部
(3)、XY
二维移动部
(5)
以及电动偏转台组件
(4)
的动作来消除测量坐标系与理想坐标系的误差，并通过探头
(1)
获取测量物的轮廓信息
。2.
根据权利要求1所述的用于非球面轮廓测量的轮廓仪，其特征在于，所述五维自由度误差去除步骤为：
S1
构建非球面标准方程，假设光轴为
z
轴，非球面的顶点为坐标原点，则非球面标准方程可以表述为其中，
e4、e6、e8……
为高次项系数
,c
为非球面的曲率半径，
k
为圆锥常数；
S2
由于高次非球面沿着光轴对称，所以沿着
z
轴的旋转
γ
无需考虑，假设测量坐标为
(x0，
y0，
z0)、
理想坐标为
(x1，
y1，
z1)
构建测量坐标系与理想坐标系的关系式
S3
将实测的面形数据利用式
(2)
校正之后与式
(1)
作对比，得到误差函数，如下式所述
f(x)
＝
z1‑
z(x1,y1)
式
(3)
；然后利用结合了
Armijo
算法的
Levenberg
‑
Marquardt
优化算法优化式
(2)
，使误差函数最小，得到相应的最优的位置偏移参数
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
；
S4
根据求解出的五维自由度误差
(
α
,
β
,
Δ
x,
Δ
y,
Δ
z)
，利用控制系统控制三根位移轴的移动来补偿测量物在
XYZ
三个方向的位移误差
Δ
x、
Δ
y、
Δ
z
；并利用电动偏转台组件
(4)
来消除测量物沿着
X
和
Y
方向的旋转误差
α
,
β
；误差完成后通过探头
(1)
获取测量物的轮廓信息
。3.
根据权利要求1所述的用于非球面轮廓测量的轮廓仪，其特征在于，所述结合了
Armijo
算法的
Levenberg
‑
Marquardt
优化算法的数字形式可以描述为：
x
k
＝
x
k
‑1‑
α
k
(J
kT
J
k
+
μ
I)
‑1g
k
式
(5)
；
f(x
k
+

【专利技术属性】
技术研发人员：姚洪辉，张嘉荣，朱相优，卓少木，马帅杰，邝嘉琪，
申请(专利权)人：中山超精科技有限公司，
类型：发明
国别省市：