一种面形测量的摆臂式轮廓仪及其测量方法与流程

本发明涉及光学元件面形测量的，尤其是指一种面形测量的摆臂式轮廓仪及其测量方法。

背景技术：

1、近年来，由于非球面光学元件卓越的光学性能，使其在军用和民用中均有着重要作用，对于高精度非球面测量技术需求也与日俱增。非球面光学元件的测量方法种类较多，任何一种测量方法都有各自的特点和适用范围，单独的一种测量手段难以满足不同类型(面形、材质等)、不同尺寸(大、中、小、微型)、不同制造阶段(铣磨、研磨、抛光、精抛等)的非球面面形测量精度和测量效率的需求，通常需要综合使用多种测量方法，才能使各个制造阶段非球面面形测量精度等级有效衔接，保证制造过程高效连续。

2、具体的，在中小口径、高陡度非球面在非球面光学元件中占据着不小的比重，在诸多领域发挥着不可或缺的作用，例如摄像机上的鱼眼镜头、导弹上的保形光学整流罩等。然而，高陡度特性使得非球面的面形测量难度又上升了一个台阶。

3、一般的，在铣磨和研磨初期阶段，中小口径、高陡度的被加工镜面的面形与其目标面形偏差较大，通常采用坐标测量方法，如三坐标测量仪(cmm)；在研磨到粗抛光阶段，面形误差仍较大，干涉仪无法测量或测得的干涉条纹过密，一般采用非接触式轮廓仪、夏克-哈特曼波前探测法测量面形误差；干涉测量方法是非球面精抛光和最终阶段的主要测量手段。

4、但接触式的三坐标测量仪测量高陡度非球面时，测针侧面与镜面接触，必须对测量数据进行测头半径补偿，否则会造成较大的测量误差；同时，测针受到来自镜面的侧向力也会影响测量精度。另一方面，高陡度非球面的高度沿母线变化剧烈，使用干涉仪测量时，可能产生探测器难以分辨的密集干涉条纹，必须借助补偿器或采用环形子孔径拼接方法实现测量。三坐标测量仪检测高陡度非球面有诸多不足，而干涉测量法也只能作为精抛和最终检验阶段的手段。

5、摆臂式轮廓仪虽然能够有效衔接三坐标测量仪与干涉仪的测量精度，但目前国内外科研单位研制的摆臂式轮廓仪大多针对大口径、大曲率半径非球面镜的面形检测，在针对大口径、大曲率半径非球面的面形检测时，为了减少摆臂自身的重量以及测头的重量对摆臂产生的微小弯曲变形对测量结果的影响，多采用直径较大的柱形臂，十分笨重；且大口径非球面光学元件测量表面是较平缓的非球面，上述摆臂式轮廓仪应用于中小口径、高陡度非球面镜的面形测量中，测量精度差，不利于进一步的加工。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中三坐标测量仪检测高陡度非球面有诸多不足，干涉测量法也只能作为精抛和最终检验阶段的手段，摆臂式轮廓仪采用直径较大的柱形臂，十分笨重，且应用于中小口径、高陡度非球面镜的面形测量中，测量精度差的缺陷。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种面形测量的摆臂式轮廓仪，包括

3、支撑平台，所述支撑平台上设有用于放置待测镜的调整组件，所述支撑平台上安装有第一立柱和第二立柱；

4、测量模块，所述测量模块包括转动架和气浮转台，所述气浮转台转动安装在所述转动架上，所述第一立柱上安装有第一轴承座，所述第一轴承座内设置有第一转轴，所述第二立柱上安装有第二轴承座，所述第二轴承座内设置有第二转轴，所述第二转轴一端设置有第一角度编码器，所述转动架的一端通过第一轴承座安装在所述第一立柱上，另一端通过第二轴承座安装在所述第二立柱上，所述转动架在第一立柱和第二立柱之间的空间内俯仰，所述气浮转台通过转接组件铰接有摆臂，所述摆臂连接有非接触式测头，所述摆臂和所述非接触式测头均位于所述第一立柱和所述第二立柱之间所述第一转轴、第二转轴和摆臂的转臂轴的轴线在同一直线上，所述气浮转台通过摆臂带动非接触式测头扫描待测镜。

5、在本发明的一个实施例中，所述转接组件包括转接板和固定板，所述固定板安装在所述转接板上，所述转接板设置在所述气浮转台的一侧，所述固定板上转动设置有转臂轴，所述摆臂一端套设在所述转臂轴上，另一端安装所述非接触式测头，所述非接触式测头与所述摆臂为垂直设置。

6、在本发明的一个实施例中，所述转臂轴的端部安装有第二角度编码器。

7、在本发明的一个实施例中，所述摆臂的另一端开设有用于夹持非接触式测头的安装孔。

8、在本发明的一个实施例中，所述第一转轴连接有动力源，所述动力源通过第一转轴驱动所述转动架转动，所述第一立柱上设置有支架，所述动力源安装在所述支架上。

9、在本发明的一个实施例中，所述支撑平台上设置有置物槽、垫板和连接板，所述垫板安装在所述置物槽上，调整组件安装在垫板上，所述调整组件包括丝杆升降台、三维位移台，所述垫板上开设有调节孔，所述连接板穿设与所述调节孔内，所述连接板固定有丝杆升降台，所述丝杆升降台上安装所述三维位移台，所述三维位移台上安装有工件转台，所述待测镜安装在所述工件转台上。

10、在本发明的一个实施例中，所述非接触式测头与待测镜的顶点对中时，所述气浮转台的回转轴、所述摆臂的中心轴与所述非接触式测头的测量轴线处于同一平面内。

11、一种面形测量的摆臂式轮廓仪的测量方法，使用如上述实施例中任一项所述的面形测量的摆臂式轮廓仪测量进行测量，包括以下步骤：

12、s1:调整所述摆臂式轮廓仪的摆臂处于水平设置，所述非接触式测头与所述摆臂为垂直设置，气浮转台恢复至初始位置，气浮转台的回转轴、摆臂的中心轴和非接触式测头的测量轴线共面，且处于所述第一立柱和第二立柱的中间位置；

13、s2：根据待测镜的初始面形参数计算转动架倾角，调整转动架的俯仰角使得第一角度编码器的示值与转动架倾角一致，并调整摆臂，摆臂处于水平设置，摆臂与非接触式测头为垂直设置，调整调整组件，使非接触式测头与待测镜顶点对中；

14、s3：在步骤s2调整后的状态下，驱动气浮转台使非接触式测头转到待测镜一侧边缘处，驱动气浮转台沿其回转轴旋转设定角度，使非接触式测头的测点沿待测镜表面扫过一条轮廓线，当测点扫描至待测镜的另一侧边缘处时停止测量。

15、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

16、本发明所述的面形测量的摆臂式轮廓仪及其测量方法，在支撑平台上安装第一立柱和第二立柱，在第一立柱通过第一轴承座和第一转轴安装转动架的一端，第二立柱通过第二轴承座和第二转轴安装转动架的另一端，转动架跨设在第一立柱和第二立柱上，且可通过转动第一转轴或第二转轴进而驱动转动架转动，第一角度编码器可实时监测到转动架的转动角度，气浮转台设置在转动架上，气浮转台通过转接组件铰接摆臂，摆臂的非接触式测头用于测量待测镜的顶点到非接触式测头之间的距离，在该摆臂式轮廓仪中的第一转轴、第二转轴和摆臂的转臂轴的轴线在同一直线上，气浮转台通过摆臂带动非接触式测头扫描待测镜，实现测量。具体的，在测量时，根据待测镜转动转动架至对应的角度后，转动在转动架上的气浮转台，由于气浮转台和转动架位于第一立柱和第二立柱之间，可自由调节其整体的俯仰角度，能够覆盖高、中、低陡度光学元件面形测量，可匹配不同量程和精度的非接触式测头，摆臂式轮廓仪能够满足从铣磨、研磨到粗抛光阶段的非球面面形测量需求，摆臂的长度较短，即摆臂自身形变误差给测量结果带来的影响极小，且长度固定无需调节，在测量不同的非球面光学元件时，仅通过调节一次转动架的倾角，即可实现任意曲率的中小口径非球面光学元件的面形测量；测量计算过程中只有气浮转台一个运动机构，易于实现高速连续测量，检测效率高，且运动误差来源单一，进而提高测量的精度。