[发明专利]大口径非球面工件轮廓的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非球面工件的测量，尤其是涉及一种大口径非球面工件轮廓的测量方法。

背景技术

光学非球面元件相比球面而言，能提高光学系统的相对口径比，因此可简化结构，同时非球面能消除球面元件在光传递过程中产生的球差、慧差、像差、场曲等不利影响，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。

当前非球面广泛应用在航天航空、国防、天文、医疗以及光电等高技术领域，其中大口径光学非球面元件（Φ400mm以上）在激光核聚变装置、高能激光、红外热成像、卫星用光学系统、大型天文望远镜、医疗影像设备等国家重大光学工程及国防尖端技术中需求急速增长。高精度非球面光学元件的加工与检测技术一直是光学制造业的技术难点，尤其是大口径高精度非球面，其半精加工、精加工、抛光等各加工阶段的检测技术制约着加工精度和效率的提高。

目前较为成熟的是，抛光工序后的大口径光学非球面干涉仪测量技术，干涉仪方法只可用于抛光后的光学表面，且量程有限，其在特定应用背景下可以取得较好效果。但干涉仪无法应用于抛光前工序的非球面元件的评价及形状精度控制。由于抛光去除效率较低，则对于未抛光非球面表面型状精度控制及评价极大地关系到非球面抛光所需时间。这成为制约提高非球面加工效率的瓶颈之一。

未抛光非球面是大口径非球面加工中的主要形态，其检测技术的有效性决定了后续抛光的工作量及加工时间，当前其轮廓测量方法主要有三坐标测量机(CMM)和单坐标测量轮廓仪。其中三坐标测量机在测量中由于三轴联动运动而引入测量误差，所以在超精密测量中极难保证精度。已有商业化产品精度等级比单坐标产品低一个数量级。

相比三坐标测量机，单坐标测量轮廓仪结构简单，更具开放性，精度较高。测量中，其始终只有X轴单轴运动，而高度测量由传感器完成，这保证了其相对于多轴运动测量系统可获得更高测量精度。当前国际上已有较为先进的大口径光学元件轮廓测量装置，但非球面轮廓测量设备主要由国外垄断，大口径轮廓测量设备或价格高昂或对中国禁运。国外有许多发展较为成熟的小口径光学元件精密检测设备，如日本松下公司开发的UA3P超精密测量机、德国FRT公司开发的Micro Prof 600纳米表面测量仪等，其测量精度高，但仅适用于小口径光学元件检测。因此综合测量仪器的成本、精度、效率以及对环境控制的需求等方面来考虑，可利用已有的小口径测量设备，通过拼接测量方法，完成大尺寸非球面光学元件的面型重构，既可提高测量精度，也极大拓展单坐标设备测量范围，并大幅度提高使用性价比。

中国专利CN1831472公开一种非球面工件的水平测定方法，对载置于倾斜校正台上的非球面工件进行水平测定，包括以下步骤：三维测量包含非球面工件的极值的面的步骤；从所求出的三维测量值求出二次曲面，将其极值作为临时的极值而求出的步骤；以所求出的临时的极值为中心从其周围得到大于或等于三点的三维测量值的步骤；根据得到的大于或等于三点的三维测量值求出规定的平面的步骤；调整所述倾斜校正台以使所求出的平面水平的步骤。

发明内容

本发明的目的在于针对大口径非球面工件测量范围受限及精度要求，提供一种精度较高、通用性较好的大口径非球面工件轮廓的测量方法。

本发明包括以下步骤：

1）将工件表面轮廓划等分为具有重叠部分的N段L1、L2、…LN（N≥2），每相邻两段间拥有m个重叠测点，各分段具有不同的局部坐标系，轮廓测量仪分别对各分段轮廓表面进行测量，取得各测点坐标值；

2）对前两段的重叠区域进行最小二乘线性拟合及坐标变换，用最小二乘线性拟合分别对L1段后m个重叠测点及L2段前m个重叠测点拟合出其轮廓特征线。通过坐标变换，将L2转换到L1的坐标系下，使L2的重叠部分与L1重叠部分具有相同的轮廓特征，完成两段拼接；

3）获得其他相邻两段测量轮廓的两两拼接，最终完成N段轮廓的拼接测量，将N段分段轮廓统一于相同的坐标系下，得到完整的工件轮廓曲线；

4）获取轮廓仪测量的去倾斜坐标变换矩阵，对拼接得到的完整工件轮廓曲线进行去倾斜处理，即将拼接的工件轮廓曲线变换至与直接测量所得轮廓具有相同的坐标系，达到消除拼接带来的测量轮廓倾斜误差，至此，完成了N段分段轮廓的拼接，得到工件的表面轮廓测量结果。