一种轮廓检测装置及其检测光学非球面的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及检测设备技术领域，更具体地说，涉及用于检测大相对口径的光学非 球面面型轮廓的一种轮廓检测装置，本发明还涉及上述轮廓检测装置的一种检测光学非球 面的方法。
【背景技术】
[0002] 在现代光学系统中，光学非球面应用越来越广泛，现有技术中，对于光学非球面面 形检测的方法也多种多样，其中被应用较多的是点位式坐标测量方法。
[0003] 点位式坐标测量方法通常是测量获得大相对口径的光学非球面表面上多个点的 坐标值，通过这些点的坐标值分析得到非球面面形误差的测量方法，在获取各点坐标值之 前，需要先设置取样步长（即相邻点之间的间距），从而得出各个需要测量的点，然后再测 量各点坐标值。采用点位式坐标测量方法对光学非球面进行测量的装置称为点位式检测装 置，图1所示即为常规的点位式检测装置的工作示意图，该点位式检测装置包括平行设置 的导轨01和丝杠（由于图1的视角关系，图中仅可以示出导轨，而丝杠则被导轨遮挡），在 丝杠驱动下可以在导轨01上滑动的测量探头，支撑导轨和丝杠的支架02及底座03。测量 探头又包括与导轨和丝杠连接的光栅传感器04,和设置在光栅传感器04的端部，与光学非 球面05接触的球头06,光栅传感器04通过感测球头06的位置，而令与光栅传感器04连通 的计算机得到球头06的位置数据，并根据该数据计算出与球头06接触的光学非球面05上 点的坐标值。
[0004] 但是，发明人发现，由于点位式测量装置是采用一定的步长进行取样，其不仅操作 效率较低，而且测量准确度（或者称为测量不确定度）受步长大小的影响比较大，如果步长 选取不适当，则会严重影响测量准确度，其不适用于大相对口径的光学非球面以及较为陡 峭曲面的测量。
[0005] 因此，如何提高对光学非球面的测量准确度，进而扩大测量装置的应用范围，是目 前本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供了一种轮廓检测装置，其测量方式不再是间隔取点，而是与 光学非球面连续接触以实现连续测量，从而提高了对光学非球面的测量准确度，使本发明 提供的轮廓检测装置能够适用于大口径的光学非球面以及较为陡峭曲面的测量。本发明还 提供了上述轮廓检测装置的一种检测光学非球面的方法。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] -种轮廓测量装置，用于检测光学非球面的面型轮廓，包括导轨和移动设置在所 述导轨上的测量机构，其中，所述测量机构包括：
[0009] 与所述导轨滑动连接的连接件；
[0010] 设置在所述连接件上的杠杆机构，所述杠杆机构的杠杆的一端，连接有能够与光 学非球面接触的球头，另一端连接有测量探头。
[0011] 优选地，上述轮廓检测装置中，所述导轨由设置在底座上的支架支撑，并且所述底 座上滑动设置有安放光学非球面的工作台，所述工作台的滑动方向垂直于所述导轨。
[0012] 优选地，上述轮廓检测装置中，所述工作台上设置有驱动所述工作台移动的第一 驱动电机。
[0013] 优选地，上述轮廓检测装置中，所述导轨的端部设置有驱动所述测量机构在所述 导轨上往复移动的第二驱动电机。
[0014] 优选地，上述轮廓检测装置中，所述杠杆机构包括所述杠杆和作为支点以支撑所 述杠杆的支撑件，并且所述杠杆为殷钢杆，所述支撑件为殷钢件。
[0015] -种检测光学非球面的方法，该方法适用于上述任意一项所述的轮廓测量装置， 其包括以下步骤：
[0016] 1)对轮廓测量装置的测量精确性进行检验；
[0017] 2)令所述杠杆机构保持在平衡状态，将此时所述杠杆机构所在的位置记做初始化 零位；
[0018] 3)在所述杠杆机构保持在初始化零位的位置时，使所述球头从预先设定的起始位 置开始，在光学非球面的表面上连续移动；
[0019] 4)在所述球头移动的过程中，所述测量探头记录自身在所述杠杆机构带动下位置 变化的数据，并将数据传输至计算机中；
[0020] 5)计算机接收数据后，对数据进行计算，得到与所述球头接触的光学非球面的表 面的坐标数据，检测操作完成。
[0021] 本发明提供的轮廓检测装置，不再采用间隔取点的方式对光学非球面进行测量， 而是在测量机构上设置了杠杆机构，该杠杆机构的杠杆上，一端设置有能够与光学球面直 接接触的球头，另一端设置有测量探头，在对光学非球面进行测量时，使整个测量机构在导 轨上移动，即连接件带动杠杆机构移动，进而使设置在杠杆上的球头在光学非球面的表面 上连续移动，从而获取光学非球面的面形轮廓，球头在随着光学非球面的表面轮廓的上下 起伏移动时，其会带动杠杆机构绕着杠杆支点转动，杠杆另一端的测量探头就会记录下杠 杆转动的角度，并送至计算机进行数据处理。本发明提供的轮廓检测装置，因为球头在光学 非球面的表面上连续移动，不仅能够实现对光学非球面的连续测量，而且可以利用杠杆机 构的放大作用以及测量探头的光栅传感器跟随性好的测量特性，将光学非球面的表面轮廓 起伏放大，从而显著提高了对光学非球面的测量准确度。此外，本发明提供的轮廓检测装 置，结构也相对简单，制造非常方便。
【附图说明】
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0023] 图1为现有技术中点位式检测装置的工作示意图；
[0024] 图2为本发明实施例提供的轮廓检测装置的结构示意图；
[0025] 图3为前端球头半径与实际接触点的对比示意图；
[0026] 图4为前端球头半径补偿计算方法的示意图；
[0027] 图5为杠杆机构简化模型图；
[0028] 图6为步长变化对误差影响的曲线图；
[0029] 图7为球头半径变化对误差影响的曲线图；
[0030] 图8为二次曲面系数变化对误差影响的曲线图。
[0031] 在图1和图2中：
[0032] 导轨01、支架02、底座03、光栅传感器04、光学非球面05、球头06 ;
[0033] 底座1、工作台2、第一驱动电机3、光学非球面4、杜杆机构5、导轨6、第二驱动电 机7、连接件8、支架9。
【具体实施方式】
[0034] 本发明提供了一种轮廓检测装置，其测量方式不再是间隔取点，而是与光学非球 面连续接触以实现连续测量，从而提高了对光学非球面的测量准确度（在本领域中，测量 准确度也可以称为测量不确定度），使本发明提供的轮廓检测装置能够适用于大口径的光 学非球面以及较为陡峭曲面的测量。
[0035] 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，都属于本发明保护的范围。
[0036] 如图2-图8所示，本发明实施例提供的轮廓测量装置，用于检测光学非球面4的 面型轮廓，包括导轨6、用于支撑导轨6的支架9和底座1，以及移动设置在导轨6上的测量 机构，该测量机构具体包括：
[0037] 滑动连接在导轨6上的连接件8,导轨6由设置在底座1上的支架9支撑，并且底 座1上滑动设置有安放光学非球面4的工作台2,工作台2的滑动方向垂直于导轨6,从而 实现测量机构在不同方向上的移动；
[0038] 设置在连接件8上，能够将光学非球面4的表面起伏程度放大的杠杆机构5,杠杆 机构5的杠杆两端，分别连接有能够与光学非球面4接触的球头（杠杆连接有与光学非球 面4接触的球头的一端称为前端，设置在该端的球头成为前端球头），以及测量探头（连接 测量探头的杠杆的一端称为后端，测量探头上的球头则称为后端球头）。其中，前端球头用 于与光学非球面4直接接触，而后端的测量探头则用于记录数据，即前端球头与被测光学 非球面4直接接触，反映的是被测光学非球面4的表面情况；后端球头与杠杆连接，反映的 是杠杆机构5的转动情况；而杠杆机构5的转动情况又是由被测光学非球面4的表面情况 决定的，所以杠杆机构5能够达到一个从前端到后端的传递作用。在进行测量时，令前端球 头在连接件8和杜杆机构5的带动下，在光学非球面4的表面上连续移动，从而实现连续测 量。前端球头在光学非球面4上移动的同时，杠杆机构5会带动另一端的测量探头也进行 相应的移动，并且杠杆机构5可以将移动轨迹放大，以更加便于测量，进而显著提高测量精 确度。
[0039] 利用上述轮廓测量装置对光学非球面4进行检测的方法，大体包括以下几个步 骤：第一步，在正式开始测量前，先对轮廓测量装置的测量精确性进行检验；第二步，开始 测量时，令杠杆机构5保持在平衡状态，将此时杠杆机构5所在的位置记做初始化零位；第 三步，在杠杆机构保持在初始化零位的位置时，使球头从预先设定的起始位置开始，在光学 非球面4的表面上连续移动；第四步，在前端球头移动的过程中，测量探头记录自身在杠杆 机构5带动下位置变化的数据，并将数据传输至计算机中；第五步，计算机接收数据后，对 数据进行计算，得到与前端球头接触的光学非球面4的表面的坐标数据，检测操作完成。
[0040] 在上述方法中，计算机在进行计算时，需要计算前端球头和后端的