一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法及装置与流程

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法及装置。

背景技术：

在光学检测领域中，白光干涉仪是一种用于评价表面粗糙度的常用检测设备。由于白光干涉仪的检测范围很小，通常为1mm²左右，因此为了更有效评价光学元件表面的粗糙度，通常在表面选取多个采样点进行平均处理进而作为整个光学表面的粗糙度检测结果。

为了准确可靠地评价被测平面的粗糙度情况，一般几十毫米口径的小型平面元件需要检测3～8个点即可，而对于几百毫米口径的大口径光学元件而言每个表面均需测量十几甚至是几十个采样点。对于每个点的检测都需完成定位、条纹调整、多次测量等重复操作，若以上步骤均由手动完成则势必造成检测效率低下。

在上述检测过程中定位是一个至关重要的环节。若采用白光干涉仪检测曲面(球面、非球面、自由曲面)工件时，每一测量点的位置及方向均不相同，因此需要检测设备各个轴同时移动实现定位。同时又因为各个轴不是相互独立的，转动轴的运动对线性位置产生了影响，采用手动的方式很难将干涉物镜定位到正确位置，因此每次定位时都需要重新寻找干涉条纹。这一过程不仅耗时较长，且严重依赖于检测者的操作经验。对于一些曲率半径较小或者陡度较大的光学元件，边缘位置的点是很难正确定位的，在这一过程甚至可能发生碰撞等危险。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法及装置。

本发明的一个方面是提供一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法，包括：

s1、将待测量工件放置在白光干涉仪的载物台上，调节所述白光干涉仪的镜头与所述待测量工件表面之间的距离和角度，以使得干涉条纹呈现于所述白光干涉仪的干涉图像的中央位置；

s2、调整所述白光干涉仪的干涉物镜与所述待测量工件的相对姿态角直到所述干涉条纹的中心位于所述干涉图像的中心位置；

s3、获取所述载物台的当前线性坐标轴位置(x,y,z)以及所述干涉物镜相对载物台平面的姿态角度(α,β)，根据所述待测量工件的曲率半径计算所述待测量工件的中心点所在位置(xo,yo,zo)；

s4、控制所述载物台的线性轴移动至预设位置(xo,yo,zo)，并控制所述干涉物镜相对所述载物台平面的姿态角度为零，以将所述干涉物镜轴线重置为竖直姿态或将所述载物台平面重置为水平姿态；

s5、调节所述干涉物镜的z轴方向相对于所述待测量工件表面的距离直至出现所述干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置，否则执行s2；

s6、获取待测量工件坐标系原点在设备坐标系中的当前坐标(xo,yo,zo)，以完成所述待测量工件原点位置设置；

s7、在所述待测量工件上选取任意一点的坐标p(xl,yl,zl)，计算并控制白光干涉仪的线性轴移动量(x,y,z)及转动轴转动角度调整干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置以完成对所述任意一点的定位。

可选地，所述获取所述载物台的当前线性坐标轴位置(x,y,z)以及所述干涉物镜相对载物台平面的姿态角度(α,β)，根据所述待测量工件的曲率半径计算所述待测量工件的中心点所在位置(xo,yo,zo)，包括：

其中，r为被测表面的曲率半径，γ为干涉物镜轴线方向与载物台所在平面的夹角。

可选地，所述干涉物镜轴线方向与载物台所在平面的夹角γ，具体为：

可选地，所述计算并控制白光干涉仪的线性轴移动量(x,y,z)，包括：

其中，δx及δy为由于工件绕z轴转动产生的偏移量，f(x,y,r,l)及g(x,y,r,l)为干涉物镜摆动在y轴及z轴方向产生的偏移量，l为干涉物镜摆臂长度。

可选地，所述待测量工件绕z轴转动产生的偏移量δx及δy，具体为：

可选地，所述计算转动轴转动角度包括：

其中，k为待测量工件指定点处归一化法向量n(i,j.k)在z轴方向的分量。

本发明的另一个方面是提供一种白光干涉仪待测量工件自动定位装置，包括：

第一调节单元，用于将待测量工件放置在白光干涉仪的载物台上，调节所述白光干涉仪的镜头与所述待测量工件表面之间的距离和角度，以使得干涉条纹呈现于所述白光干涉仪的干涉图像的中央位置；

第一调整单元，用于调整所述白光干涉仪的干涉物镜与所述待测量工件的相对姿态角直到所述干涉条纹的中心位于所述干涉图像的中心位置；

第一获取单元，用于获取所述载物台的当前线性坐标轴位置(x,y,z)以及所述干涉物镜相对载物台平面的姿态角度(α,β)，根据所述待测量工件的曲率半径计算所述待测量工件的中心点所在位置(xo,yo.zo)；

第一控制单元，用于控制所述载物台的线性轴移动至预设位置(xo,yo,zo)，并控制所述干涉物镜相对所述载物台平面的姿态角度为零，以将所述干涉物镜轴线重置为竖直姿态或将所述载物台平面重置为水平姿态；

第二调节单元，用于调节所述干涉物镜的z轴方向相对于所述待测量工件表面的距离直至出现所述干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置；

第二获取单元，用于获取待测量工件坐标系原点在设备坐标系中的当前坐标(xo,yo,zo)，以完成所述待测量工件原点位置设置；

第二控制单元，用于在所述待测量工件上选取任意一点的坐标p(xl,yl,zl)，计算并控制白光干涉仪的线性轴移动量(x,y,z)及转动轴转动角度调整干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置以完成对所述任意一点的定位。

可选地，所述第一获取单元具体用于：

其中，r为所述待测量工件表面的曲率半径，γ为干涉物镜轴线方向与载物台所在平面的夹角。

可选地，所述第二控制单元还用于：

其中，δx及δy为由于所述待测量工件绕z轴转动产生的偏移量，f(x,y,r,l)及g(x,y,r,l)为干涉物镜摆动在y轴及z轴方向产生的偏移量，l为干涉物镜摆臂长度。

可选地，所述第二控制单元还用于：

其中，k为所述待测量工件预设位置处归一化法向量n(i,j,k)在z轴方向的分量。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的白光干涉仪待测量工件自动定位方法及装置，针对白光干涉仪的测量工件的过程中工件的定位问题，通过将干涉物镜或载物台的二维倾角转换为线性轴的移动量，得到了工件中心顶点的位置，并进一步地通过计算干涉物镜或载物台的转动一定角度时线性轴的偏移量得到了测量任意位置时各轴的运动量实现工件任意位置的测量。这一过程借助了计算机精确的计算精度和速度，大大提高工件的定位速度，同时也降低了仪器的使用难度与工作量。

附图说明

图1是本发明提供一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法的一种实施例的流程图；

图2是本发明提供一种白光干涉仪待测量工件自动定位装置的一种实施例的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的实施例中，假设使用白光干涉仪测量球面元件的表面粗糙度，白光干涉仪具有x、y、z三个线性轴，同时具有tip/tilt两个倾角调整轴以及绕z轴旋转的c轴，下文不作赘述。

结合图1所示，本发明的一个方面是提供一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法，包括：

s1、将待测量工件放置在白光干涉仪的载物台上，调节所述白光干涉仪的镜头与所述待测量工件表面之间的距离和角度，以使得干涉条纹呈现于所述白光干涉仪的干涉图像的中央位置；

s2、调整所述白光干涉仪的干涉物镜与所述待测量工件的相对姿态角直到所述干涉条纹的中心位于所述干涉图像的中心位置；

s3、获取所述载物台的当前线性坐标轴位置(x,y,z)以及所述干涉物镜相对载物台平面的姿态角度(α,β)，根据所述待测量工件的曲率半径计算所述待测量工件的中心点所在位置(xo,yo,zo)；

可选地，所述获取所述载物台的当前线性坐标轴位置(x,y,z)以及所述干涉物镜相对载物台平面的姿态角度(α,β)，根据所述待测量工件的曲率半径计算所述待测量工件的中心点所在位置(xo,yo,zo)，包括：

其中，r为所述待测量工件表面的曲率半径，γ为干涉物镜轴线方向与载物台所在平面的夹角，具体不做限定。

可选地，所述干涉物镜轴线方向与载物台所在平面的夹角γ，具体为：

s4、控制所述载物台的线性轴移动至预设位置(xo,yo,zo)，并控制所述干涉物镜相对所述载物台平面的姿态角度为零，以将所述干涉物镜轴线重置为竖直姿态或将所述载物台平面重置为水平姿态；

s5、调节所述干涉物镜的z轴方向相对于所述待测量工件表面的距离直至出现所述干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置，否则执行s2；

否则是对应的是：调节所述干涉物镜的z轴方向相对于所述待测量工件表面的距离不出现所述干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置。

s6、获取待测量工件坐标系原点在设备坐标系中的当前坐标(xo,yo,zo)，以完成所述待测量工件原点位置设置；

s7、在所述待测量工件上选取任意一点的坐标p(xl,yl,zl)，计算并控制白光干涉仪的线性轴移动量(x,y,z)及转动轴转动角度调整干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置以完成对所述任意一点的定位。

对于所述计算并控制白光干涉仪的线性轴移动量(x,y,z)，可以使用下述公式计算，具体为：

其中，δx及δy为由于所述待测量工件绕z轴转动产生的偏移量，f(x,y,r,l)及g(x,y,r,l)为干涉物镜摆动在y轴及z轴方向产生的偏移量，l为干涉物镜摆臂长度。

可选地，所述待测量工件绕z轴转动产生的偏移量δx及δy，具体为：

对于所述计算转动轴转动角度可以使用下述公式计算，具体为：

其中，k为所述待测量工件预设位置处归一化法向量n(i,j,k)在z轴方向的分量。

本发明公开了一种白光干涉仪工件自动定位方法，通过计算干涉物镜或载物台转动一定角度时线性轴的偏移量得到测量任意位置时各轴的运动量实现工件任意位置的测量。本发明借助了计算机精确的计算精度和速度，大大提高工件的定位速度以及准确性，同时也降低了仪器的使用难度与工作量。

结合图2所示，本发明的另一个方面是提供一种白光干涉仪待测量工件自动定位装置，包括：

第一调节单元201，用于将待测量工件放置在白光干涉仪的载物台上，调节所述白光干涉仪的镜头与所述待测量工件表面之间的距离和角度，以使得干涉条纹呈现于所述白光干涉仪的干涉图像的中央位置；

第一调整单元202，用于调整所述白光干涉仪的干涉物镜与所述待测量工件的相对姿态角直到所述干涉条纹的中心位于所述干涉图像的中心位置；

第一获取单元203，用于获取所述载物台的当前线性坐标轴位置(x,y,z)以及所述干涉物镜相对载物台平面的姿态角度(α,β)，根据所述待测量工件的曲率半径计算所述待测量工件的中心点所在位置(xo,yo,zo)；

第一控制单元204，用于控制所述载物台的线性轴移动至预设位置(xo,yo,zo)，并控制所述干涉物镜相对所述载物台平面的姿态角度为零，以将所述干涉物镜轴线重置为竖直姿态或将所述载物台平面重置为水平姿态；

第二调节单元205，用于调节所述干涉物镜的z轴方向相对于所述待测量工件表面的距离直至出现所述干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置；

第二获取单元206，用于获取待测量工件坐标系原点在设备坐标系中的当前坐标(xo,yo,zo)，以完成所述待测量工件原点位置设置；

第二控制单元207，用于在所述待测量工件上选取任意一点的坐标p(xl,yl,zl)，计算并控制白光干涉仪的线性轴移动量(x,y,z)及转动轴转动角度调整干涉条纹中心位于干涉图像的中心位置以完成对所述任意一点的定位。

可选地，所述第一获取单元203具体用于：

其中，r为被测表面的曲率半径，γ为干涉物镜轴线方向与载物台所在平面的夹角。

可选地，所述第二控制单元207还用于：

其中，δx及δy为由于工件绕z轴转动产生的偏移量，f(x,y,r,l)及g(x,y,r,l)为干涉物镜摆动在y轴及z轴方向产生的偏移量，l为干涉物镜摆臂长度。

可选地，所述第二控制单元207还用于：

其中，k为待测量工件指定点处归一化法向量n(i,j,k)在z轴方向的分量。

本发明提供的白光干涉仪待测量工件自动定位装置，针对白光干涉仪的测量工件的过程中工件的定位问题，通过将干涉物镜或载物台的二维倾角转换为线性轴的移动量，得到了工件中心顶点的位置，并进一步地通过计算干涉物镜或载物台的转动一定角度时线性轴的偏移量得到了测量任意位置时各轴的运动量实现工件任意位置的测量。这一过程借助了计算机精确的计算精度和速度，大大提高了工件的定位速度，同时也降低了仪器的使用难度与工作量。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法及装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。