本发明涉及光学元件检测
技术领域：
：，尤其涉及一种大口径平面镜的轮廓检测装置及其检测方法。
背景技术：
：：随着科学技术的发展，大口径光学系统在空间光学、天文光学等领域得到了广泛的应用。大口径的平面镜作为大口径望远镜系统的折返镜、大口径干涉仪的透射标准镜以及部分光学系统自检验的标准反射镜，其口径也在不断增大。以国际合作的三十米地基望远镜(thirtymetertelescope-tmt)项目为例，tmt的三镜为一个超大口径椭圆形平面镜，口径尺寸达到前所未有的3.5m×2.5m。在研磨阶段，大口径光学平面反射镜的面形精度在微米甚至几十微米量级，同时由于镜面粗糙度值较大，镜面反射率较低，难以应用干涉仪拼接或者五棱镜扫描检测。目前光学人员广泛采用商用三坐标测量仪进行研磨阶段的面形检测，通过高精度测头接触镜面获得数据点，将测得的离散数据进行面形重构，获取被测镜面的面形误差分布进而指导进一步的光学加工。三坐标测量仪采用高精度的机械运动部件保证其测量精度，无需额外的辅助装置，操作简单，易于实现。但是大口径的光学平面镜的轮廓检测需要更大测量能力的三坐标来实现，对于机械运动部件来说，运动行程的增大意味着运动精度的降低，目前商用的3m量级的三坐标轮廓测量仪的测量精度只能达到10μm量级，不能满足大口径平面镜研磨阶段尤其是精研阶段的轮廓检测精度需求，且高精度的三坐标测量机维护成本较高，加工工位与检测工位不重合，往往需要移动大口径反射镜至检测工位才可实现检测，大口径反射镜需要在加工工位与检测工位之间往复运输，增大了加工周期及运输风险。技术实现要素：本发明的主要目的是提供一种大口径平面镜的轮廓检测装置及其检测方法，旨在解决现有技术三坐测量技术的维护成本高、测量精度不能满足要求且检测不方便的问题。为实现上述目的，本发明提出的大口径平面镜的轮廓检测装置，包括机床、设置于所述机床上的旋转台、移动机构、摆臂轮廓仪、电子水平仪以及被检平面镜，其中，所述被检平面镜设置于所述旋转台上，所述旋转台带动所述被检平面镜绕所述被检平面镜的轴线转动；所述摆臂轮廓仪包括依次连接的摆臂转台、摆臂杆和摆臂测头，所述摆臂转台带动所述摆臂杆转动使得所述摆臂测头对应所述被检平面镜的被检面设置，所述摆臂转台与所述移动机构连接，且所述移动机构带动所述摆臂转台沿所述机床的工作平面移动；所述电子水平仪设置于所述移动机构上，所述电子水平仪与所述摆臂转台跟随所述移动机构同步移动。优选地，所述移动机构包括所述机床的龙门架，所述龙门架的横梁上设置有导轨和连接架，所述连接架的一端与导轨滑动块连接，所述连接架的另一端与所述摆臂转台和所述电子水平仪连接，所述连接架带动所述摆臂转台和所述电子水平仪沿所述导轨滑动。优选地，在所述连接架的两端之间设置有置物台，所述置物台与所述机床的工作平面对应设置，所述电子水平仪的基座测量面放置于所述置物台上。优选地，所述摆臂转台的中心轴至所述摆臂测头的中心轴的距离等于所述被检平面镜的直径的四分之一。另外，本发明还提供了如上述所述的一种大口径平面镜的轮廓检测装置的检测方法，包括以下步骤：s1：驱动所述摆臂测头移动至所述被检平面镜的第一检测点，且所述摆臂转台的旋转中心位于第一回转点，获取所述摆臂测头和所述电子水平仪与所述第一检测点对应的第一检测值；s2：以所述摆臂转台的与所述第一回转点对应的轴线为旋转轴，驱动所述摆臂转台旋转180°，此时所述摆臂测头位于第二检测点，获取所述摆臂测头和所述电子水平仪与所述第二检测点对应的第二检测值；s3：驱动所述摆臂测头移动至第三检测点，并驱动所述摆臂转台移动至第二回转点，所述第一回转点、所述第二回转点、所述第一检测点、所述第三检测点在同一直线上，且第一回转点、所述第一检测点、所述第二回转点和所述第三检测点依次设置，获取所述摆臂测头和所述电子水平仪与所述第三检测点对应的第三检测值；s4：以所述摆臂转台的与所述第二回转点对应的轴线为旋转轴，驱动所述摆臂转台旋转180°，此时所述摆臂测头位于第四检测点，获取所述摆臂测头和所述电子水平仪与所述第二检测点对应的第四检测值；s5：获取所述摆臂轮廓仪与所述被检平面镜对应的面形检测数据，并根据所述面形检测数据、所述第一检测值、所述第二检测值、所述第三检测值和所述第四检测值分析出所述被检平面镜的全频段面形误差。优选地，所述第一检测点与所述第三检测点重合。优选地，所述步骤s5之前，还包括如下步骤：p1：将所述摆臂测头和摆臂转台移动至预设的检测位置；p2：控制所述摆臂转台以所述摆臂转台的轴线旋转，并控制所述旋转台围绕所述被检平面镜的轴线转动；p3：连续获取所述摆臂测头的检测值，直至得到所述被检平面镜的面形检测数据，控制所述摆臂转台和所述旋转台停止转动。优选地，所述步骤s5包括如下步骤：s51：根据所述电子水平仪的所述第一检测值、所述第二检测值、所述第三检测值和所述第四检测值计算所述移动机构的导轨倾斜误差；s52：根据所述摆臂测头的所述第一检测值、所述第二检测值、所述第三检测值和所述第四检测值、以及所述面形检测数据、所述导轨倾斜误差计算所述被检平面镜的离焦项；s53：根据所述离焦项与所述面形检测数据计算所述被检平面镜的全频段面形误差。在本技术方案中，通过高精度的电子水平仪和高精度摆臂轮廓仪组合检测，利用摆臂轮廓仪测量被检平面镜的除离焦项的面形误差。并在移动机构的带动下，摆臂轮廓仪和电子水平仪又能测量出移动机构的导轨倾斜误差和被检平面镜的镜面倾斜误差。最后，通过电子水平仪和摆臂测头在几个检测点的检测值和摆臂测头的面形检测数据计算得出被检平面镜的全频段面形误差。本发明将摆臂轮廓仪和电子水平仪组合使用，避免了与被测镜面的直接接触，对机床滑轨误差进行了有效抑制，扩大了摆臂轮廓仪的应用范围，通过将两者的检测数据相融合实现了大口径光学平面镜研磨及粗抛光阶段的全频段面形误差的高精度测量。同时，该方法结合加工机床实现在位检测，不需要在被检平面镜的加工工位和检测工位之间往复运输，大大缩短了大口径平面镜的加工周期。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本发明实施例中大口径平面镜的轮廓检测装置的第一特征位置的结构示意图；图2为本发明实施例中大口径平面镜的轮廓检测装置的第二特征位置的结构示意图；图3为本发明实施例中大口径平面镜的轮廓检测装置的第三特征位置的结构示意图；图4为本发明实施例中大口径平面镜的轮廓检测装置的第四特征位置的结构示意图；图5为本发明实施例中摆臂轮廓仪扫描路径分布示意图；图6为本发明一实施例中的轮廓检测装置的检测方法的流程示意图；图7为本发明另一实施例中的轮廓检测装置的检测方法的流程示意图；图8为本发明实施例中的轮廓检测装置的检测方法步骤s5的细化流程示意图；图9为本发明实施例中的计算坐标系x-y示意图。附图标号说明：本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明的主要目的是提供一种大口径平面镜的轮廓检测装置及其检测方法，旨在解决现有技术三坐测量技术的维护成本高、测量精度不能满足要求且检测不方便的问题。请参照图1，本发明实施例提供的一种大口径平面镜的轮廓检测装置100，包括机床、设置于机床上的旋转台110、移动机构120、摆臂轮廓仪、电子水平仪140以及被检平面镜150。其中，被检平面镜150设置与旋转台110上，旋转台110带动被检平面镜150绕被检平面镜150的轴线转动。摆臂轮廓仪包括依次连接的摆臂转台131、摆臂杆132和摆臂测头133，摆臂转台131带动摆臂杆132转动以使得摆臂测头133对应被检平面镜150的被检面设置，摆臂转台131与移动机构120连接，且移动机构120带动摆臂转台131沿机床的工作平面移动，电子水平仪140设置于移动机构120上，电子水平仪140与摆臂转台131跟随移动机构120同步移动。可以理解的是，旋转台110的旋转中心线与机床的工作平面垂直设置。在本实施例中，将摆臂轮廓仪和电子水平仪140集成在机床上，既可以在机床上完成大口径平面镜的加工，又能够在机床上实现大口径平面镜的面形误差检测，结合加工机床实现在位检测，不需要在被检平面镜150的加工工位和检测工位之间往复运输，大大缩短了大口径平面镜的加工周期。同时，在本实施例中，通过高精度的电子水平仪140和高精度摆臂轮廓通过将摆臂轮廓仪和电子水平仪140组合使用，避免了与被测镜面的直接接触，对机床滑轨误差进行了有效抑制，扩大了摆臂轮廓仪的应用范围，利用摆臂轮廓仪测量被检平面镜150的除离焦项的面形误差，并且在移动机构120的带动下，摆臂轮廓仪和电子水平仪140又能测量出移动机构120的导轨倾斜误差和被检平面镜150的镜面倾斜误差。通过电子水平仪140和摆臂测头133在几个检测点的的检测值和摆臂测头133的面形检测数据计算得出被检平面镜150的全频段面形误差。本实施例，通过将摆臂轮廓仪和电子水平仪140两者的检测数据相融合实现了大口径光学平面镜研磨及粗抛光阶段的全频段面形误差的高精度测量。在本发明的一具体实施例中，移动机构120为机床的龙门架，龙门架的横梁上设置有导轨和连接架121，连接架121的一端与导轨可滑动连接(例如通过滑动块连接)，连接架121的另一端与摆臂转台131和电子水平仪140连接，连接架121带动摆臂转台131和电子水平仪140沿导轨滑动。可以理解的是，连接架121设置于横梁的靠近被检平面镜150的一侧。摆臂转台131和电子水平仪140能够在连接架121的带动下沿横梁作直线运动。在本实施例中，利用机床的龙门架作为移动机构120，不用额外的增设移动机构120，能够充分利用加工机床的现有结构特点，简化了轮廓检测装置100的机械机构，同时降低了加工成本。进一步地，参见图1至图4，连接架121的两端之间设置有置物台122，置物台122与机床工作平面对应设置，电子水平仪140的基座测量面放置于置物台122上。此时，电子水平仪140位于摆臂转台131的上方，上方是指远离机床工作平面的一侧。在其他实施例中，还可以采用其他形式的移动机构120，如多自由度的机械臂等，在此不进行限定。为了减少摆臂测头133在检测被检平面镜150时对被检面造成伤害，摆臂测头133采用非接触式测头，即说明摆臂测头133与被检面之间存在一定间隔。另外，摆臂转台131的中心轴与摆臂测头133的中心轴的距离等于被检平面镜150的直径的四分之一，此时，摆臂转台131自转的同时旋转台110旋转时正好使得摆臂测头133能够扫描到大口径平面镜的全部被检面，有利于简化数据的处理。参见图6，本发明实施例中还提供了如前述所述的大口径平面镜的轮廓检测装置100的检测方法，包括以下步骤：s1：驱动所述摆臂测头133移动至所述被检平面镜150的第一检测点，且所述摆臂转台131的旋转中心位于第一回转点，获取所述摆臂测头133和所述电子水平仪140与所述第一检测点对应的第一检测值；s2：以所述摆臂转台131的与所述第一回转点对应的轴线为旋转轴，驱动所述摆臂转台131旋转180°，此时所述摆臂测头133位于第二检测点，获取所述摆臂测头133和所述电子水平仪140与所述第二检测点对应的第二检测值；s3：驱动所述摆臂测头133移动至第三检测点，并驱动所述摆臂转台131移动至第二回转点，所述第一回转点、所述第二回转点、所述第一检测点、所述第三检测点在同一直线上，且第一回转点、所述第一检测点、所述第二回转点和所述第三检测点依次设置，获取所述摆臂测头133和所述电子水平仪140与所述第三检测点对应的第三检测值；s4：以所述摆臂转台131的与所述第二回转点对应的轴线为旋转轴，驱动所述摆臂转台131旋转180°，此时所述摆臂测头133位于第四检测点，获取所述摆臂测头133和所述电子水平仪140与所述第二检测点对应的第四检测值；s5：获取所述摆臂轮廓仪与所述被检平面镜150对应的面形检测数据，并根据所述面形检测数据、所述第一检测值、所述第二检测值、所述第三检测值和所述第四检测值分析出所述被检平面镜150的全频段面形误差。需要说明的是，由于摆臂轮廓仪检测的原始数据是理想面形与最接近球面的偏差值，其对影响曲率半径的像差项不敏感，只能检测除离焦项外的面形误差。本实施例中，为了扩充摆臂轮廓仪的应用，利用电子水平仪140、摆臂轮廓仪在一直线上的多个检测点的检测值，弥补摆臂轮廓仪不能测量离焦项的缺陷。在本实施例中，第一检测点、第二检测点与第一回转中心组合分别形成第一特征位置和第二特征位置，第三检测点、第四检测点与第二回转中心组合分别形成第三特征位置和第四特征位置。参见图1至图4，图1、图2、图3、图4分别对应第一特征位置、第二特征位置、第三特征位置和第四特征位置。可以理解的是，由于电子水平仪140在第一特征位置和第二特征位置时的检测位置相同，因此，电子水平仪140的第一检测值与第二检测值相同。同理，电子水平仪140的第三检测值与第四检测值相同。需要说明的是，从第二特征位置移动至第三特征位置时，摆臂测头运行了2倍摆臂杆的臂长的距离。优选地，为了保证完整检测，摆臂杆132的臂长为l，被检平面镜150的半径为r，满足：2l＝r。优选地，摆臂测头133的第一检测点与摆臂测头133的第四检测点重合，此时第一检测点和第四检测点优选为被检平面镜150的中心点。此时，摆臂测头133的第一检测值与第四检测值相同。可以理解的是，除了获取到第一检测值、第二检测值、第三检测值和第四检测值外，还需要控制摆臂轮廓仪对被检平面镜150进行面形误差检测得到面形检测数据，具体的参见图7，大口径平面镜的轮廓检测装置100的检测方法在获取所述摆臂轮廓仪与所述被检平面镜150对应的面形检测数据，并根据所述面形检测数据、所述第一检测值、所述第二检测值、所述第三检测值和所述第四检测值分析出所述被检平面镜150的全频段面形误差之前，还包括以下步骤：p1：将所述摆臂测头133和摆臂转台131移动至预设的检测位置；p2：:控制所述摆臂转台131以所述摆臂转台131的轴线旋转，并控制所述旋转台110围绕所述被检平面镜150的轴线转动；p3：连续获取所述摆臂测头133的检测值，直至得到所述被检平面镜150的面形检测数据，控制所述摆臂转台131和所述旋转台110停止转动。通过执行p1至p3，控制摆臂轮廓仪对被检平面镜150进行面形误差检测得到面形检测数据。优选地，预设的检测位置为摆臂测头133的测量范围正好覆盖被检平面镜150的一个半径轴的范围内，如第一检测点的位置时摆臂杆132的臂长l和被检平面镜150的半径r满足：2l＝r，参见图5为摆臂轮廓仪的扫描路径分布图。即当摆臂测头133的检测点在被检平面镜150的中心轴的上方时，摆臂转台131旋转180度后，摆臂测头133的检测点在被检平面镜150的边缘上方。需要说明的是，摆臂轮廓仪检测到的面形检测数据不包括离焦项。需要说明的是，参见图8，步骤s5：获取所述摆臂轮廓仪与所述被检平面镜150对应的面形检测数据，并根据所述面形检测数据、所述第一检测值、所述第二检测值、所述第三检测值和所述第四检测值分析出所述被检平面镜150的全频段面形误差，具体包括以下步骤：s51：根据所述电子水平仪140的所述第一检测值t_e1、所述第二检测值t_e2、所述第三检测值t_e3和所述第四检测值t_e4计算所述移动机构120的导轨倾斜误差tilt_rail；由于电子水平仪140的第一检测值t_e1和第二检测值t_e2相同，电子水平仪140的第三检测值t_e3和第四检测值t_e4相同，因此，实际计算时，根据电子水平仪140的第一检测值和第二检测值其中之一与第三检测值和第四检测值其中之一计算移动机构120的导轨倾斜误差tilt_rail。具体地，在第一回转点所测得的导轨倾斜误差tilt_rail(1)为电子水平仪140的第一检测值t_e1或第二检测值t_e2，在第二回转点所测得的导轨倾斜误差tilt_rail(2)为电子水平仪140的第三检测值t_e3或第四检测值t_e4。需要指出的是，导轨倾斜误差是指移动机构120的导轨或者移动机构120的移动轨迹与机床工作平面之间存在的锐角所引起的误差。s52：根据所述摆臂测头133的所述第一检测值h1、所述第二检测值h2、所述第三检测值h3和所述第四检测值h4、以及所述面形检测数据、导轨倾斜误差计算所述被检平面镜150的离焦项。记所述被检平面镜150的镜面倾斜误差为tilt_mirror，摆臂转台131旋转180°时跳动误差为skip_rotable，离焦项为v_p。在水平面内，以第一回转点、第二回转点组成的直线为x轴，通过第一检测点(第四检测点)且与x轴垂直的直线为y轴，建立如图9所述的计算坐标系x-y。记面形检测数据s(x，y)，其中x,y为在计算坐标系x-y中对应检测点的坐标。在第一回转点时，记a＝h2-h1，满足：a＝s(-2l,0)-s(0,0)+v_p+tilt_mirror*2l+tilt_rail(1)*2l+skip_rotable；在第二回转点时，记b＝h4-h3，满足：b＝s(0,0)-s(2l,0)-v_p+tilt_mirror*2l+tilt_rail(2)*2l+skip_rotable；在第一回转点和第二回转点时，离焦项的值大小相等且符合相反，将a项与b项作差，则可以剔除被检平面镜150的镜面倾斜误差和摆臂转台131的跳动误差，得出：a-b＝(s(-2l,0)-s(0,0)+tilt_rail(1)*2l)-(s(0,0)-s(2l,0)+tilt_rail(2)*2l)+2v_p；进一步求得：v_p＝[(a-b)-(s(-2l,0)-s(0,0)+tilt_rail(1)*2l)+(s(0,0)-s(2l,0)+tilt_rail(2)*2l)]/2。s53：根据所述离焦项与所述面形检测数据计算所述被检平面镜150的全频段面形误差。计算出被检平面镜150的离焦项v_p后，最后将计算得出的离焦项和摆臂轮廓仪检测出的面形检测数据进行数据融合，得到被检平面镜150的全频段面形误差，全频段面形误差＝s(x,y)+v_p。因此，将两个回转点处摆臂测头的四个读数、摆臂检测面形数据、电子水平仪检测数据进行简单运算，即可得到被检平面镜的离焦项像差；将该离焦项像差加上摆臂检测的面形数据，即可得到被检平面镜的全频段面形误差。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的
技术领域：
：均包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12当前第1页12