基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量装置的制作方法

本实用新型涉及大口径光学元件干涉测量技术领域，具体涉及一种基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量装置。

背景技术：

随着科学技术的发展，大口径平面光学元件在天文学、空间光学、军事和能源等领域中的应用越来越广泛，大型光学系统对大口径光学元件的检测效率、检测精度以及空间分辨率等方面的要求也越来越高。

对于大口径平面光学元件的高精度面形检测，目前普遍采用的是大口径干涉仪和子孔径拼接干涉仪。其中，大口径干涉仪造价昂贵，对环境要求高，并且，大口径干涉仪的体积和重量也限制了其使用的灵活性，每次检测都需要将大口径光学元件从加工工位或装校工位吊运至检测工位，因而效率低下。相比大口径干涉仪，子孔径拼接干涉仪降低了检测成本，保留了小口径干涉测量的高空间分辨率和高测量精度的优点，但也同样面临着测量工位和加工装校工位不同的问题。并且，子孔径拼接干涉仪基本都采用的是机械位移装置，对干涉仪和/或待测光学元件进行移动，现有的这些机械位移装置自由度少，限制了待测光学元件的测量位置和姿态，不仅导致干涉测量效率低下，甚至会在一定程度上影响干涉测量的精度，导致最终拼接的全口径面形不够准确。

因此，目前的大口径平面光学元件面形检测只包含了干涉仪在卧式和立式两种姿态下进行检测，要实现在车间检测和光学工程中存在的、各种重力倾斜姿态下的、大口径面形在位测量极其困难。因此，亟需寻找简单、高效、高精度的检测方法来实现大口径平面光学元件面形的在位检测。

技术实现要素：

为解决目前针对大口径光学元件面形检测方法不具备简单、高效、高精度的在位检测能力的技术问题，本实用新型提供了一种基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量装置。

其技术方案如下：

一种基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量装置，其要点在于：包括干涉仪、工业机器人以及坐标系建立组件，所述干涉仪能够通过连接工装安装在工业机器人上，并能够在工业机器人的带动下对光学元件进行平面面形子孔径拼接干涉测量，所述坐标系建立组件包括设置在工业机器人旁的参考件和基于参考件进行校准的校准件，所述校准件包括能够安装在工业机器人上的连接盘和设置在连接盘一侧的校准杆，所述校准杆的延伸方向与连接盘的连接盘安装轴线平行，该校准杆与连接盘距离最远的一点为校准点；

当干涉仪安装在连接工装上时，干涉仪的光轴与连接工装的连接工装安装轴线的间距等于校准点与连接盘安装轴线的间距，安装在干涉仪前端的参考镜前端面与连接工装后端面的间距等于校准点与连接盘后端面的间距。

采用以上结构，先利用校准件与参考件的配合建立工具坐标系，并各个工具进行校准，再利用工业机器人带动干涉仪进行扫描测量，进而得到待测光学元件在该姿态下的全口径面形测量结果，能够简单、高效、高精度地进行大口径平面光学元件面形的在位检测，特别是能够实现对任意倾斜姿态下(45度以及其他角度)光学元件进行平面面形子孔径拼接干涉测量。

作为优选：所述校准杆通过连接支架安装在连接盘上，所述连接支架包括同轴安装在连接盘上的第一连接杆以及两端分别与第一连接杆和校准杆连接的第二连接杆。采用以上结构，结构简单，稳定可靠，使校准杆姿态稳定，便于进行精确地校准。

作为优选：所述参考件包括参考基座以及竖向设置在参考基座的参考杆，所述参考杆的上端部与校准杆远离连接盘的一端均为圆锥形结构，所述校准杆圆锥结构的顶点为所述校准点。采用以上结构，便于校准杆和参考杆进行工具的校准和工具坐标系的建立，使工业机器人能够更加精准地调节干涉仪的位置和姿态。

作为优选：所述干涉仪采用动态干涉仪。相对于目前常用的静态干涉仪，使用动态干涉仪，不仅将干涉测量扩展到各种测量环境中，还解决了长时间扫描测量时环境因素的干扰，保证了其子孔径测量的精度和重复性。

作为优选：所述参考镜通过二维调整镜架安装在干涉仪的前端。采用以上结构，能够简单、便捷、可靠地调整参考镜的位置。

作为优选：在所述工业机器人旁设置有用于支撑光学元件的光学元件支撑机构。采用以上结构，以便于对光学元件进行定位。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

采用以上技术方案的基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量装置及方法，具有以下优点：

1、结构灵活简单，机器人使干涉仪的位置姿态调整更方便；

2、应用范围广，可以同时满足各种重力姿态下的大口径光学元件面形高精度在位测量，即能够实现对任意倾斜姿态下(45度以及其他角度)光学元件进行平面面形子孔径拼接干涉测量；

3、高效安全，可以实现大口径光学元件面形在加工或装校工位的检测，而不必进行移动；

4、环境适应性好，不仅将干涉测量扩展到各种测量环境中，还解决了长时间扫描测量时环境因素的干扰，保证了其子孔径测量的精度和重复性。

附图说明

图1为干涉测量装置测量竖直放置的大口径光学元件面形的示意图；

图2为连接工装和干涉仪与校准件的关系示意图；

图3为干涉测量装置建立工具坐标系的示意图；

图4为干涉测量装置扫描路径的示意图；

图5为干涉测量装置测量倾斜放置的大口径光学元件面形的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1-图5所示，一种基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量装置，其主要包括干涉仪2、工业机器人1、连接工装3以及坐标系建立组件，其中，坐标系建立组件包括参考件5和校准件6。

所述干涉仪2能够通过连接工装3安装在工业机器人1上，并能够在工业机器人1的带动下对光学元件4进行平面面形子孔径拼接干涉测量，所述坐标系建立组件包括设置在工业机器人1旁的参考件5和基于参考件5进行校准的校准件6，所述校准件6包括能够安装在工业机器人1上的连接盘61和设置在连接盘61一侧的校准杆62，所述校准杆62的延伸方向与连接盘61的连接盘安装轴线61a平行，该校准杆62与连接盘61距离最远的一点为校准点62a；

当干涉仪2安装在连接工装3上时，干涉仪2的光轴2a与连接工装3的连接工装安装轴线3a的间距等于校准点62a与连接盘安装轴线61a的间距，安装在干涉仪2前端的参考镜7前端面与连接工装3后端面的间距等于校准点62a与连接盘61后端面的间距。

请参见图1、图3和图5，所述工业机器人1末端可以进行六个自由度(x,y,z,rx,ry,rz)的调整，其中x,y,z表示位置分量，rx,ry,rz表示绕x,y,z方向旋转的姿态分量。所述工业机器人1的末端具有法兰盘1a，连接工装3和校准件6均能够可拆卸地安装在法兰盘1a上。从而工业机器人1能够六自由度地调整连接工装3和校准件6的位置和姿态。

请参见图1和图5，所述连接工装3的后端结构与法兰盘1a相适应，能够与法兰盘1a进行快速地连接与分离。该连接工装3的上端面能够可靠地定位干涉仪2，并且，连接工装3能够承载干涉仪2的重量而不发生形变，同时不影响干涉仪2的正常使用。

请参见图1、图2和图5，所述干涉仪2采用动态干涉仪，干涉仪2的前端通过二维调整镜架8安装有参考镜7。所述二维调整镜架8可以进行偏摆和俯仰两个自由度的调节。所述动态干涉仪可以使参考镜7与待测光学元件4之间的测量腔长固定，实现指定表面(待测光学元件前表面或后表面)的面形测量。所述动态干涉仪在进行面形测量时，需要进行多次测量平均，以减小环境因素的干扰。

请参见图2和图3，所述校准杆62通过连接支架63安装在连接盘61上，所述连接支架63包括同轴安装在连接盘61上的第一连接杆631以及两端分别与第一连接杆631和校准杆62连接的第二连接杆632。所述参考件5包括参考基座51以及竖向设置在参考基座51的参考杆52，所述参考杆52的上端部与校准杆62远离连接盘61的一端均为圆锥形结构，所述校准杆62圆锥结构的顶点为所述校准点62a。

请参见图1和图5，在所述工业机器人1旁设置有光学元件支撑机构9，该光学元件支撑机构9可以安装和放置待测光学元件4和标准镜。

请参见图1-图5，一种基于机器人的平面面形子孔径拼接干涉测量方法，按照以下步骤进行：

s1：建立工具坐标系

将校准件6安装在工业机器人1的法兰盘1a上，使校准杆62的校准点62a与参考件5的指定位置保持接触，即校准杆62的校准点62a与参考杆52圆锥结构的尖点保持接触，并调整若干次工业机器人1末端的位姿，改变校准杆62的姿态，同时记录上述几次调整后校准杆62的姿态，从而建立工具坐标系和校准工具，以便于使机器人精准地带动法兰盘1a上的工具进行移动与旋转，完成后将校准件6从工业机器人1上卸去。

s2：校准干涉仪2

干涉仪2通过连接工装3安装在工业机器人1的法兰盘1a上，调节二维调整镜架8，使参考镜7与干涉仪2的光轴垂直。

s3：测量标准镜的面形

将标准镜安装在光学元件支撑机构9上，通过工业机器人1调整干涉仪2的位姿，使干涉仪2测得的干涉条纹数最少，得到标准镜的面形，此时干涉仪2与标准镜的间距为l。进一步地，为减小环境因素的干扰，使用干涉仪2进行多次测量平均，得到标准镜的面形，将其作为干涉仪2的系统误差ws，并进行存储。需要指出的是，标准镜不小于参考镜7的口径，且受重力作用后发生的形变量与待测大口径光学元件4相比可以忽略。

s4：定义干涉仪2的扫描测量平面

将待测的光学元件4安装在光学元件支撑机构9上，使该光学元件4的姿态与标准镜的姿态相同，定义干涉仪2的扫描测量平面以及该扫描平面的x轴与y轴方向，并定义扫描子孔径的位置和扫描路径。由于干涉仪2与待测光学元件4是非接触的，因此所定义的扫描测量平面与待测光学元件4的待测平面是平行的，两个平面之间的间距是通过固定测量腔的长度来实现的，该间距也为l。根据工业机器人1的坐标系定义方法，如图4所示，定义扫描子孔径的横向分布方向为扫描测量平面的x轴，纵向分布方向为扫描测量平面的y轴，垂直于扫描测量平面指向待测光学元件4的方向为扫描测量平面的z轴。这样子孔径4a在该扫描测量平面上的位置就很容易地能够计算出，便于工业机器人1的移动和定位。

s5：对待测光学元件4进行扫描测量

首先，使干涉仪2移动到子孔径4a位置si,j处，下标i和j表示该子孔径位于第i行，第j列。调节工业机器人1位姿，得到尽可能少的干涉条纹数，进行面形测量。将步骤s3存储的系统误差ws从该测量结果中扣除，得到子孔径的面形结果wi,j并将其存储。然后按照定义的扫描路径，将干涉仪2移到下一个子孔径4a位置处。从而利用干涉仪2对待测光学元件4进行扫描测量，得到若干该光学元件4待测平面的子孔径4a面形测量数据。步骤s5中，每个子孔径4a面形测量数据均扣除系统误差ws。

s6：子孔径4a拼接

根据子孔径4a的位置信息，对各子孔径4a的面形测量数据进行拼接计算，得到待测光学元件4在该姿态下的全口径面形测量结果，并进行存储。

本实用新型具有结构灵活简单、应用范围广、高效安全、环境适应性好等优点，兼具子孔径干涉测量的高空间分辨率等优点，可以同时满足各种重力姿态下的大口径光学元件平面面形高精度在位测量问题，可以进行表面未经过镀膜或打毛等处理的平面面形测量。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。