一种用于共形光学元件的面形测量装置及方法与流程

本发明涉及微纳测量领域，尤其涉及一种用于共形光学元件的面形测量装置及方法。

背景技术：

非球面光学元件由于其体积小，相差小、设计灵活等优点广泛应用于航空航天与武器行业。共形光学元件(conformalopticalcomponents)作为一类具有高陡度的非球面光学元件，在满足武器系统光学性能要求的基础上能够提供优良的空气动力学特性。其作为窗口零件可显著改善导弹整流罩等武器系统的性能，能将导弹高速飞行过程中的阻力系数减小40％，显著提高导弹的射程与速度，进而提高导弹的生存能力，是导弹整流罩发展出的革命性技术。

与常规光学元件相比，共形光学元件最为显著的特点是具有大高径比，其侧面具有高达70°以上的陡度。共形光学元件的表面面形精度要求已达到亚微米级水平，为保证其加工质量与使役性能，高精度的面形检测手段必不可少。目前共形光学元件的检测手段主要包括三坐标测量、红外干涉子孔径测量等，但现有检测方法无法完全满足其形貌检测需求。共形光学元件对表面质量有较高要求，而三坐标测量机通过触发式探头对共形光学元件表面进行打点测量，测量过程存在接触力，易引起表面划痕，且测量效率较低。红外干涉子孔径测量需要进行对共形光学元件进行不同姿态的装夹以获取多个局部区域的面形数据，根据数据重合部分拼接还原出整体面形，操作相对繁琐，而且装夹过程与拼接过程会额外引入测量误差。

单点扫描测量是解决复杂面形及高陡度面形测量的有效手段。单点扫描测量通过高精度距离传感器采集被测光学元件表面数据，但高精度传感器普遍受限于小量程。如何以小量程传感器检测共形光学元件的大陡度表面，是共形光学元件点扫描测量所必须克服的问题。本发明根据共形光学元件设计方程规划扫描轨迹，通过x轴、z轴及探头转台联动调整探头位姿，结合被测共形光学元件的转动形成沿共形光学元件表面的包络扫描轨迹，在测量过程中保持被测表面始终位于传感器量程内，克服了高精度传感器小量程的限制，提供了一种新型的用于共形光学元件面形检测的装置与方法，具备高长径比共形光学元件的高精度面形测量能力。

技术实现要素：

本发明针对共形光学元件的形貌测量难题，提供一种用于共形光学元件的面形测量装置及方法，克服了高精度传感器小量程的限制，可实现高长径比共形光学元件的高精度面形检测。

为达到上述目的，本发明采用技术方案如下:

一种用于共形光学元件的面形测量装置包括水平基座(1)、龙门式测量平台(2)、x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)、探头转台(5)、距离传感器(6)(包括但不限于光谱共焦传感器、激光传感器、线性可变差动传感器等)、工件转台(8)、计算机(9)；

所述龙门式测量平台(2)安装在所述水平基座(1)上，所述龙门式测量平台(2)含4个运动自由度；所述x轴直线运动台(3)安装于所述龙门式测量平台(2)的横梁上，可在水平面内运动；所述z轴直线运动台(4)固定于所述x轴直线运动台上(3)，可在垂直面内运动；所述探头转台(5)安装于所述z轴直线运动台(4)底端，所述距离传感器(6)固定在所述探头转台(5)上，随所述探头转台(5)转动而摆动；所述工件转台(8)固定在所述水平基座(1)上，所述工件转台(8)的回转轴线与所述传感器(6)轴线在同一水平面上；所述计算机(9)通过运动控制器与驱动器驱动所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)、探头转台(5)、距离传感器(6)和工件转台(8)。

具体工作过程如下：

将被测共形光学元件(7)置于所述工件转台(8)上，并调整被测共形光学元件(7)对称轴线与所述工件转台(8)回转轴线使两轴线一致，调整完成后固定工件；

将共形光学元件轮廓方程参数输入所述计算机(9)，在计算机中将共形光学元件的轮廓方程向外扩展等同于距离传感器(6)参考距离的长度，得到沿共形光学元件母线的扫描轨迹。在扫描轨迹上等间距取扫描点，根据各点切向量求取对应法向量，所求法向量方向即为距离传感器姿态方向。在法向上取与探头长度相等的距离，即得到对应的距离传感器位置。结合各轴相对位置关系，即可求取扫描过程中的各轴位置数据。

通过所述计算机(9)调整所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)和探头转台(5)的位置，使所述距离传感器(6)以所求取扫描轨迹对应的起始姿态指向生成的扫描轨迹起点；启动所述工件转台(8)，带动所述被测共形光学元件(7)进行旋转运动。

启动所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)和探头转台(5)，通过所述计算机(9)向各运动轴输送控制指令控制所述距离传感器(6)沿所述被测共形光学元件(7)母线进行跟踪式扫描；扫描过程中所述距离传感器(6)始终垂直于所述被测共形光学元件(7)表面；运动过程中由所述计算机(9)持续采集各运动轴位置数据与所述距离传感器(6)的输出数据；当所述距离传感器(6)运动至扫描轨迹终点后所述计算机(9)控制所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)、探头转台(5)和所述工件转台(8)停止运动，并停止数据采集。

在上述工作过程中所述距离传感器(6)的扫描运动与所述被测共形光学元件(7)的旋转运动组合形成沿共形光学元件表面的空间包络扫描轨迹；可以通过调节所述距离传感器(6)运动速度、采样速率以及所述被测共形光学元件(7)转速以控制对所述被测共形光学元件(7)面形测量的表面采点密度与测量时间。

在所述计算机(9)中保存整个测量过程中所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)、探头转台(5)和所述工件转台(8)位置数据与所述距离传感器(6)的输出数据，根据运动轴相对空间位置关系求取计算各被测点的三维坐标，生成三维点云，经低通滤波去除离异点，多项式插值后还原三维面形；通过计算所测得三维面形与共形光学元件设计面形的差值，得到面形偏差。

发明有益效果

本发明与现有共形光学元件测量手段相比，最大的区别与优势在于：第一，现存测量方法受限于共形光学元件的高陡度特征，难以一次性实现共形光学元件的全表面检测。本发明通过组合距离传感器的扫描运动与共形光学元件的转动，可一次性完成全面形的检测，消除了多次装夹以及拼接引入的误差。第二，现有的高精度测量传感器通常量程较小，本发明以轨迹规划调整探头位姿实现跟踪检测，使被测面始终位于传感器量程内，突破高精度传感器的小量程限制，可实现共形光学元件的高精度全面形检测。

附图说明

图1是用于共形光学元件面形测量的装置示意图，

图2是扫描测量共形光学元件的原理示意图，

图3是共形光学元件面形测量的流程图。

图中1、水平基座2、龙门式测量平台3、x轴直线运动台4、z轴直线运动台5、探头转台6、距离传感器7、被测共形光学元件8、工件转台9、计算机10、沿母线的扫描轨迹11、表面包络的扫描轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

如图1所示，所述龙门式测量平台(2)安装在所述水平基座(1)上，所述龙门式测量平台(2)含4个运动自由度；所述x轴直线运动台(3)安装于所述龙门式测量平台(2)的横梁上，可在水平面内运动；所述z轴直线运动台(4)固定于所述x轴直线运动台上(3)，可在垂直面内运动；所述探头转台(5)安装于所述z轴直线运动台(4)底端，所述距离传感器(6)固定在所述探头转台(5)上，随所述探头转台(5)转动而摆动；所述工件转台(8)固定在所述水平基座(1)上，所述工件转台(8)的回转轴线与所述传感器(6)轴线在同一水平面上；所述计算机(9)连接并控制所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)、探头转台(5)、距离传感器(6)和工件转台(8)。

如图2所示，距离传感器以沿母线的扫描轨迹(10)运动，被测共形光学元件连续转动，两种运动组合使距离传感器在被测共形元件表面的相对轨迹形成一条包络共形光学元件表面的空间扫描轨迹(11)。该轨迹从共形光学元件底部出发，沿其表面螺旋上升，经由包括位置1、位置2与位置3在内的系列扫描位置进行扫描运动，到达共形光学元件顶点后结束。

如图3所示，共形光学元件面形测量流程包括：

1)将被测共形光学元件(7)置于所述工件转台(8)上，并调整被测共形光学元件(7)对称轴线与所述工件转台(8)回转轴线使两轴线一致，调整完成后固定工件；

2)将共形光学元件轮廓方程参数输入所述计算机(9)，在计算机中将共形光学元件的轮廓方程向外扩展等同于距离传感器(6)参考距离的长度，得到沿共形光学元件母线的扫描轨迹。在扫描轨迹上等间距取扫描点，根据各点切向量求取对应法向量，所求法向量方向即为距离传感器姿态方向。在法向上取与探头长度相等的距离，即得到对应的距离传感器位置。结合各轴相对位置关系，即可求取扫描过程中的各轴位置数据。

3)通过所述计算机(9)调整所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)和探头转台(5)的位置，使所述距离传感器(6)以所求取扫描轨迹对应的起始姿态指向生成的扫描轨迹起点；

4)通过所述计算机(9)启动所述工件转台(8)，带动所述被测共形光学元件(7)进行旋转运动；

5)启动所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)和探头转台(5)，通过所述计算机(9)向各运动轴输送控制指令控制所述距离传感器(6)沿所述被测共形光学元件(7)母线进行跟踪式扫描

6)运动过程中由所述计算机(9)持续采集各运动轴位置数据与所述距离传感器(6)的输出数据，直至所述距离传感器(6)扫描运动结束；

7)当所述距离传感器(6)运动至扫描轨迹终点后所述计算机(9)控制所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)、探头转台(5)和所述工件转台(8)停止运动，并停止数据采集；所述计算机(9)中保存整个测量过程中所述x轴直线运动台(3)、z轴直线运动台(4)、探头转台(5)和所述工件转台(8)位置数据与所述距离传感器(6)的输出数据；

8)结合各运动轴相互坐标关系以及所采集数据计算出被测点三维坐标，将所有测量点在同一坐标系下构建坐标点云，滤波插值后得到被测共形光学元件三维面形；

9)求所测共形光学元件测得的三维面形与其设计面形差值，得到面形偏差，完成测量。