一种旋转轴对称曲面面形误差的测量装置及测量方法与流程

本发明涉及光学测量领域，具体涉及一种旋转轴对称曲面面形误差测量装置及测量方法。

背景技术：

在光学系统中的透镜及反射镜，曲面形式多数为平面和球面，原因是这些简单形式的曲面加工、检测容易，能够做到批量化生产，也容易达到高精度的面形要求，尤其是各种高精度面形检测干涉仪的出现大大降低了高精度平面和球面面形检测的难度。与此同时，非球面独特的光学特性引起人们的重视，并逐渐取代球面和平面的地位，在光学系统中扮演越来越重要的角色。

其中，圆柱面是一种特殊的非球面，其子午面和弧矢面的光焦度不同，在科研领域中被广泛应用在强激光系统和同步辐射光束线中，尤其在大功率激光谐振腔的腔片、长距离线干涉仪等高精度测试仪器和装置中，圆柱面精度要求越来越高，对于高精度光学元件，其表面的实际面形质量和理想面形质量的偏差应小于若干分之一的波长。在日常生活领域中，圆柱面也被应用在需要进行长狭缝聚光的仪器中，如线聚焦系统、扫描成像系统；在校正人眼散光时，也会用到圆柱面和圆柱面反射镜。还有，近几十年来，被广泛应用于科学、工程和工农业等领域的同步辐射光，需要设计不同线束设备，其中一部分线束设备即为圆柱面。

高精度检测是光学元件高精度加工的依据和保证，是高精度加工的必要条件。要制作符合要求的高精度圆柱面，必须解决圆柱面的高精度检测的问题，但是由于圆柱面的特殊光学特性，采用一般的检测记住无法对其面形质量进行高精度检测。到目前为止，检测圆柱面的方法有很多，包括样板法、轮廓仪法、辅助平面法、光纤法和标准柱面法等。这些方法都存在各自的不足之处，制约着圆柱面的高精度检测。样板法和轮廓仪检测法均属于接触式检测，容易划伤待测圆柱面，且测量精度低，目前仅为微米量级；辅助平面法不能检测圆柱面面形中的非对称偏差；光纤法装调困难，实用性差，影响圆柱面检测精度；标准柱面法需要标准柱面，其价格相当昂贵且很难加工。

因此，如何研发一种非接触的高精度圆柱面测量装置，实现无损伤检测，成为人们亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种高精度圆柱面面形误差测量装置及测量方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种旋转轴对称曲面面形误差的测量装置，该测量装置包括基座；转台，设置在基座上，用于带动被测物体绕转轴旋转；激光测量系统，用于在所述被测物体旋转的过程中，对所述被测物体的被测面进行扫描采样，得到若干个采样点数据；以及计算装置，基于所述被测面的几何参数及所述若干个采样点数据，计算面形误差。

根据本发明的另一个方面，提供一种旋转轴对称曲面面形误差的测量方法，采用上述的测量装置，包括：步骤A：计算装置基于被测面几何参数获取理想面形；步骤B：控制装置控制测量装置中转台旋转，并控制激光测量系统对被测面进行扫描采样，获得各采样点的测量数据；步骤C：计算装置基于所述采样点的测量数据获得实测面形；步骤D：计算装置基于所述理想面形和所述实测面形获得面形误差。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

采用本发明形误差测量装置，利用激光测量系统等实现对圆柱面等特殊曲面进行无损高精度检测；

多波长激光测量系统包括X向参考位移测量干涉计和Z向参考位移测量干涉计，精确计算目标测头在X向和Z向上的位移；

目标测量模块可以在水平面内旋转，方便进行小口径内面和大口径外面测量切换，而无需设计很长的Z向反射镜；

基座包括隔板、隔振台及隔振腿，避免外界对测量过程的影响；

采用调平调心工作台结合转台及激光测量系统等使得被测圆柱面等的中心轴线与转台转轴重合；

激光测量系统采用多波长激光进行测量，提高测量精度。

采用小尺寸的干涉计及目标测头，实现装置的小型化。

附图说明

图1为本发明实施例中面形误差测量装置的示意图；

图2为图1中主要结构的侧视图；

图3为图1中面形误差测量装置的测量光路示意图；

图4为图1中目标测量干涉计具体结构及光路图；

图5为双波长干涉仪原理示意图；

图6为本发明实施例测量方法的流程图。

【主要元件】

1-基座； 2-框架； 3-转台；4-调平调心工作台；

5-二维运动台； 6-悬臂； 7-加长杆；8-激光测量系统；

9-被测物体； 11-控制箱； 12-计算机； 101-侧板； 102-隔振台；

103-隔振腿； 201-横梁； 202-支架； 601-悬臂第一端；

602-悬臂第二端； 701-加长杆第一端； 702-加长杆第二端；

800-激光器； 801-第一分光镜； 802-第二分光镜；

803-第一反射镜； 804-Z向位移干涉计； 805-X向位移干涉计；

806-第二反射镜； 807-目标测量干涉计； 808-目标测头；

809-Z向参考测头； 810-X向参考测头； 811-Z向反射镜；

812-X向反射镜。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为了更好的表述本发明各组件之间的空间关系，将水平左右方向定义为X轴，水平前后方向定义为Y轴，竖直上下方向定义为Z轴。

本发明提供了一种面形误差测量装置，可以用于测量圆柱面，圆锥面等旋转轴对称曲面，本发明实施例以测量圆柱面为例进行介绍，如图1所示，该装置主要包括基座1、支架2、转台3、调平调心工作台4、二维运动台5、激光测量系统8、控制箱11及计算机12。

基座1在整个测量装置中起到支撑作用，其包括隔振台102及支撑隔振台102的隔振腿103，隔振台102用于支撑其他测量组件，一端侧设置有侧板101，其与隔振台102相垂直设置，用于固定后述的二维运动台5。其中隔振台102与侧板101可以选用大理石、不锈钢等材料制成，优选为大理石材料，隔振腿103优选采用气浮方式的隔振腿，有效降低了周围环境振动对测量的影响。

框架2架设在基座1的上方，其包括横梁201及支撑横梁的两支架202，两支架202均设置在隔振台102上，支撑横梁201的两端部，框架2优选采用铟钢材料制作。

转台3安装在基座1的隔振台102上，位于框架2下方，转台3优先采用气浮转台，可以绕其轴线转动，其径向端跳及轴向端跳均小于0.05μm。

调平调心工作台4设置在转台3上，用于对被测物体进行调整，减小倾斜和偏心，其可在转台3的带动下可以进行旋转。

框架2、转台3及调平调心工作台4共轴，均垂直于隔振台102，转台3的转轴恰好与测量坐标系的Z轴重合，气浮转台3的上表面设为测量坐标系的XOY平面。

二维运动台5安装在侧板101上，与转台3上表面垂直，其可以沿X轴和Z轴移动。二维运动台5上固定安装有与转台3上表面平行设置的悬臂6，悬臂6第一端601固接于二维运动台5上，第二端602位于转台3上方，加长杆7平行于Z轴方向设置，其第一端701固定于悬臂6第二端602，其第二端702悬设于转台3上表面上方并指向转台3上表面，悬臂6及加长杆7可以在二维运动台5带动下一起沿X轴和Z轴移动。

激光测量系统8依附二维运动台5、悬臂6、加长杆7及框架2设置，如图2、3所示，其包括激光器800、第一分光镜801、第二分光镜802、第一反射镜803、Z向位移干涉计804、Z向参考测头809、X向位移干涉计805、X向参考测头810、第二反射镜806、目标测量干涉计807、目标测头808、Z向反射镜811，X向反射镜812。

激光器800用于发射探测的激光，其固设于控制箱11内，出射激光利用光纤引导进入测量系统，光纤出射端固定在悬臂6上，且出射光沿悬臂6长度方向即Y轴方向发射激光。激光器800为多波长激光器，便于绝对距离的测量。

第一反射镜803、第二分光镜802、第一分光镜801固定设置在悬臂6上，且三者由上至下依次排列在一条与Z轴平行的直线上，Z向位移干涉计804、Z向参考测头809、X向位移干涉计805、第二反射镜806固定在加长杆7的第一端701，三者由上至下依次排列在一条与Z轴平行的直线上，且分别与第一反射镜803、第二分光镜802、第一分光镜801位于一水平线上，本实施中，如图2所示，第一反射镜803与Z向位移干涉计804、第二分光镜802与X向位移干涉计805、第一分光镜801与第二反射镜806分别位于与Y轴平行的水平线上。

目标测量干涉计807、目标测头808固定在加长杆7的第二端702，其中目标测量干涉计807与Z向位移干涉计804、X向位移干涉计805、第二反射镜806位于一条与Z轴平行的直线上，目标测头808与目标测量干涉计807设置在一水平线上，本实施中位于与X轴平行的水平线上，优选的目标测头808与目标测量干涉计807设计为一整体，可以在水平面内旋转。

Z向反射镜811设置于框架2横梁21的底部，与Z向参考测头809相对设置，用于反射Z向参考测头809的光。X向反射镜812设置于框架2一侧支架202上，与X向参考测头810相对设置，用于反射X向参考测头810的光，本实施例中X向反射镜812设置于框架2的左侧支架202上。

控制箱11与转台3、二维运动台5及激光测量系统8相连接，控制转台3的转动、二维运动台5的位移及激光测量系统8的测量，获取激光测量系统8的测量数据，再将测量数据通过数据线传输给计算机12。

计算机12对接收到的进行分析、计算，最后给出被测面的误差结果，其具体包括数据处理模块和比较模块，数据处理模块用于基于输入的被测面几何参数计算形成理想面形，基于测量数据计算实测面形，比较模块将实测面形与理想面形进行比较计算，确定面形误差并输出。

采用本发明实施例的面形误差测量装置进行测量时，将被测物体9放置在调平调心工作台4上，本实施例中，被测物体9为一横截面为圆环形的圆柱体，具有一内圆柱面，利用面形误差测量装置对被测物体9的内圆柱面进行测量。测量原理如下：

如图2、3所示，激光器800发射的激光L进入第一分光镜801分两束激光，其中第一束激光L1经第二反射镜806反射，经目标测量干涉计807、目标测头808，用于测量与被测物体9的内圆柱面的绝对距离D；另一束激光经第二分光镜802分束为第二束激光L2和第三束激光L3，第二束激光L2经X向位移干涉计805及X向反射镜812，用于确定目标测头808的X向位移量Dx，第三束激光L3经第一反射镜803反射至Z向位移干涉计804，经Z向位移干涉计804及Z向反射镜811，用于确定目标测头808的Z向位移量Dz。固定于调平调心工作4上的被测物体9在气浮转台3的带动下绕转轴匀速转动，再加上目标测头808的移动，实现整个被测物体的内圆柱面的面形扫描测量，得到多个采样点的测量数据，将这些多个采样点的测量数据由计算12进行数据处理，并与理想圆柱面进行比较，即确定出被测物体9内圆柱面的面形误差。

目标测量干涉计807、X向位移干涉计805、Z向位移干涉计806是测量与被测物体9的内圆柱面的绝对距离D、目标测头808的X向位移量Dx、目标测头808的Z向位移量Dz的核心器件，以目标测量干涉计807为例，其具体结构如图4所示，入射光进入干涉计807后被干涉计内的分光镜反射和透射后分成两部分，被反射的部分进入目标测头808成为测量光，经目标测头内的汇聚透镜后汇聚成一点照射在被测物9的表面上，然后被被测表面9反射回来经过目标测头后再进入干涉计807的分光镜；透射部分的入射光镜汇聚透镜汇聚后照射在参考平面并被反回来作为参考光，在进入干涉计807的分光镜。参考光和测量光在干涉计807的分光镜中发生干涉形成干涉光，干涉光被光电转换器接收并形成干涉信号。通过数干涉信号脉冲数的变化即可获得目标测头808到被测物9的表面距离变化，具体的工作原理为多波长干涉原理。

多波长干涉原理是将多个不同波长合成来组成一个合成波长，这个合成波长比任何一个组成其的波长值都大，利用这个更大的合成波长作为测量标尺就可以大幅度增加绝对距离测量的范围。如图5所示，以双波长为例，激光器发出的双波长分别为λ₁与λ₂同时入射干涉计，两波长都经过干涉计的两个光臂，再被输出端的光电探测器接收。

设两光波波长为λ₁和λ₂(λ₁＞λ₂)，被测距离(干涉计两臂程差)为L，在n＝1时，两波长分别测量后，有如下公式成立：

φ₁，φ₂为分别在波长λ₁和λ₂下测得的相位差，两式做差可得：

由上式可以看出，Δφ为λ_s的函数，而λ_s可表示为λ_s＝λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)，λ_s为等效合成波长。可以看出，多波长干涉法与单波长干涉法最大的不同之处在于，被测距离的相位改变是由多个波长同时决定的，因此产生了一个由它们的合成波长λ_s决定的相位差Δφ，整个测量过程就等效于是由这个更大的测量波长λ_s完成。

若要计算被测距离L与探测器两波长相位测量的关系，可用如下方法，没分别用单波长测量时得到：

L＝(λ₁/2)(m₁+ε₁) (4)

L＝(λ₂/2)(m₂+ε₂) (5)

上式中m₁、m₂为对应于波长λ₁与λ₂下干涉级数的整数部分，ε₁和ε₂对应小数部分。令m_s＝m₂-m₁，ε_s＝ε₂-ε₁，则有：

L＝(λ_s/2)(m_s+ε_s) (6)

上式中λ_s＝λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)，m_s和ε_s分别为λ_s干涉级次的整数部分和小数部分。设被测距离的粗测值为L_c，不确定度为ΔL_p，若选定合适的激光波长，使得粗测不确定度满足条件ΔL_c＜(λ_s/4-ΔL_p)，则仅通过计算就可以得到干涉级整数部分m_s：

两波长的小数相位ε₁和ε₂通过信号解调电路计算得到，从而得到ε_s的值，再结合(6)式就可以精确计算出距离L。

本实施例中Z向位移测量干涉计(804)和X向位移测量干涉计(805)的结构与目标测量干涉计(807)的结构一致，不同的地方是参考测头的焦距不一样，从而使测头的工作距离不同，测量范围不一样。

本实施例的测量装置中，三束激光L1、L2、L3的强度可以相同，也可以不同，优选为三束激光强度相同。此时，第一分光镜801优选为33/67分光镜，第二分光镜为50/50分光镜。

为了使测量的圆柱面内径尽可能小，第一分光镜801、第二分光镜802、第一反射镜803、Z向位移干涉计804、Z向参考测头809、X向位移干涉计805、X向参考测头810、第二反射镜806、目标测量干涉计807、目标测头808均选用小型化设计，尺寸均小于10mm×10mm×10mm，其中目标测头808优选为汇聚透镜，光轴与X轴方向平行，最大直径小于10mm，焦距小于500μm，焦点小于6μm，NA大于0.5。

目标测头808与目标测量干涉计807为一整体，可以在水平面内旋转，优选可旋转180°，这种可旋转设计方便进行小口径内圆柱面和大口径外圆柱面测量切换，而无需设计很长的Z向位移测量参考反射镜6。通过合理控制二维运动台5的X向平移运动，可保持汇聚透镜808到被测面的距离基本恒定，这是高精度圆柱面面形测量的基本保障。

本发明实施例还提供一种面形误差测量方式，采用前述的测量装置，包括以下步骤，如图6所示：

步骤A：将被测物体9放置于调平调心工作台4上调平调心，使得被测物体9的被测圆柱面的轴线与转台3的转轴重合；

具体的，首先，给测量装置上电，启动控制箱11，待系统稳定后，将待测圆柱面9置于调平调心工作台4上。

利用杠杆表对被测物体9进行调平，将杠杆表表针与被测物体9顶部相接触，转动气浮转台3，利用调平调心工件台4调节圆柱面的倾斜，最后使圆柱面旋转一周，杠杆表的读数在微米量级变化。

利用激光测量系统8对被测物体9进行调心，通过控制二维运动台5的X向平移运动和Z方向的运动，将目标测头808置于待测圆柱面9内任意高度处，且目标测头8距待测圆柱面表面预定距离，优选为约0.6mm处，再次转动气浮转台3，利用调平调心工件台4调整待测圆柱面的偏心，使待测圆柱面旋转一周，目标测头808到被测圆柱面距离的变化量在微米量级。

综合考虑杠杆表及激光测量系统8的测量结果，反复调整圆柱面的倾斜及偏心，最后使圆柱面旋转一周，杠杆表及激光测量系统8的测量结果的变化均小于一阈值，一般为1μm。此时可以认为圆柱面轴线与转轴重合。

步骤B：获取理想面形；

将被测面几何参数逐一输入到计算机12中，以圆柱形为例，几何参数包括圆柱面最顶部高度Z0，圆柱面曲率半径R0，圆柱面的母线长度l等，计算机12的数据处理装置基于该些几何参数计算出理想面形。

步骤C：利用激光测量系统8对被测物体9的被测面进行扫描采样；

控制箱11发出指令使激光测量系统8的目标测头808垂直圆柱面表面，并从圆柱面的顶部开始扫描，沿着圆柱面的母线方向匀速下降直至目标测头运动至圆柱面的底部，同时匀速转动气浮转台3，对圆柱面进行旋转扫描，直至扫描完整个圆柱面，得到多个采样点的测量数据，所述测量数据包括转台运动时间、被测面与目标测头808之间的绝对距离、目标测头808在测量该采样点时的X向位移量和Z向位移量。扫描过程中，计算机12基于被测面预先输入参数确定被测面的大致形状，并控制目标测头808与被测面相隔预定距离，目标测头808到被测面的距离需要大于目标测头808的焦距，由于在目标测头808的焦点处容易受灰尘颗粒及表面瑕疵的干扰，通过大于焦距的设计能够提高目标测头808抗环境干扰的能力，本实施中上述预定距离优选为约0.6mm。扫描过程中转台3始终以一恒定速率转动，该速率由采样间隔决定。

步骤D：获取实测面形；

计算机12的数据处理装置基于激光测量系统8获得的多个采样点的测量数据计算出实测圆柱面的数据。

步骤E：获得被测面的面形误差；

计算机12的比较模块对理想面形和实测面形进行比较计算，获得被测面面形误差。

本发明中为了实现高精度测量，还可以进行二维运动台5中X向、Z向运动机构直线度误差标定，Z向参考测头与转轴夹角的标定，X向参考测头与转轴垂直度的标定，目标测头光轴相对转轴的偏心量及垂直度标定等工作，考虑测量中的误差。

本发明中，光学测量传感器容易受环境的温度、湿度、压强以及气流扰动的影响，温度、湿度、压强的变化使空气折射率发生变化，气流扰动引起空气折射率的分布不均匀。因此，除了对测量环境的温度、湿度、压强进行严格控制外，还可以增加温度、湿度和气压测量传感器，便于对环境参量进行实时补偿，而且还在测量系统外围面增加了防护罩降低气流扰动的影响。

应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，

例如：

(1)调平调心工作台4并非是必需的，可知直接将被测物9放置在转台3上进行调节，避免倾斜和偏心；

(2)激光器800不必须设置在控制箱11内，其可以设置其他位置，例如侧板101上，此时采用光纤或光波导来将激光器800发射的激光传输至第一分光镜801即可；

(3)采用一体成型的L型固定杆来代替悬臂6和加长杆7，减少组件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。