[发明专利]大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法。

背景技术

在非球面反射镜的制造过程中，轮廓检测方法是研磨、粗抛光阶段面形检测的主要手段。轮廓测量法通过精密位移传感器对非球面表面进行逐点测量，得到与某一测量基准的绝对矢高，并通过与理论面形相比较而获取面形误差。按照检测传感器与被检测非球面是否接触，可以分为接触式检测和非接触式检测，按照检测传感器运动方式，可以分为三坐标式检测和摆臂式检测。

轮廓测量的精度主要取决于位移传感器的精度、测量仪的位移定位精度以及测量方式。目前国外商用的三坐标轮廓仪的测量精度已经达到非常高的水平。例如蔡司公司、莱兹公司的三坐标轮廓仪测量精度均达到微米量级。对于小口径非球面的测量，马尔公司的非球面轮廓仪实现了亚微米的测量精度，分辨率达到了纳米量级。

随着天文观测、空间对地遥感等领域的发展，要求制造更大口径非球面反射镜。目前，大型望远镜中采用的单块非球面反射镜最大口径已经达到8m量级。为了实现大口径非球面反射镜的制造，需要研制大量程的轮廓测量设备。三坐标测量仪的位移定位误差随着量程的增大而增大，限制了三坐标轮廓仪测量精度的提升。同时，大量程的三坐标轮廓仪设备成本极高；为了保证测量的采样密度，测量的时间急剧增加。因此，对口径超过2m的反射镜，较少使用三坐标式轮廓测量仪进行面形检测。对于4m、8m量级非球面反射镜，目前的三坐标式轮廓测量技术无法满足测量需求。

美国亚利桑那大学的科研人员为了实现大口径非球面高精度的轮廓检测，发展了摆臂轮廓测量技术和激光跟踪仪laser tracker轮廓测量技术。摆臂轮廓仪通过高精度转台对非球面反射镜进行多条母线测量，然后对母线测量数据进行拟合得到非球面面形的偏差。摆臂轮廓仪采用非球面的最接近球作为轮廓测量的基准，降低了位移传感器的量程，同时摆臂过程中只有摆轴及被检镜旋转轴在转动，提高了运动部件的运动精度。然而，随着被检反射镜口径的增大，摆臂的臂长更长，摆臂转台的误差放大。同时，摆臂轮廓仪母线式测量具有中间采样密度高、边缘采样密度低的缺点，需要进行数据插值和拟合来获取被检测面形。采用laser tracker的轮廓测量技术通过将laser tracker放置在被检镜曲率中心，并利用激光干涉仪作为辅助校正系统。laser tracker具有量程大、简单易用的优点，适合应用到大口径非球面反射镜的轮廓检测中，但是其检测精度受到编码器、测试环境等因素的影响较大。美国亚利桑那大学采用的激光干涉仪校正系统成本高，系统结构复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法，能够实现大口径非球面反射镜的高精度轮廓检测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：大口径非球面在线轮廓检测装置，包括激光跟踪仪、激光出射机构、CCD组件、中心控制器、平移机构以及靶标球。

CCD组件中包括多个CCD，多个CCD均匀对称固定安装在被检测反射镜的边缘；

激光出射机构出射多束激光光束分别一一对应投射至每个CCD中；

CCD组件中的多个CCD将采集的数据传输给中心控制器。

靶标球固定于平移机构上，在平移机构带动下，沿被测反射镜表面平移。

激光跟踪仪对于靶标球所在位置进行数据采集，并将采集到的数据发送至中心控制器。

中心控制器接收利用CCD采集的数据对激光跟踪仪采集的数据进行校正并计算面形误差。

激光跟踪仪与镜体的距离取决于被检测反射镜的顶点曲率半径，曲率半径越大距离越大。

进一步地，激光出射机构包括激光器、分束镜和折转反射镜组；激光器出射激光经分束镜分为与CCD组件中CCD个数一致的激光束，每个激光束经折转反射镜折射后一一对应投射至每个CCD中。

进一步地，平移机构包括两条平行导轨、支撑件以及连接件；支撑件通过连接件连接在两条平行导轨中间；连接件与导轨之间滑动连接。

进一步地，还包括支撑结构，用于支撑激光跟踪仪和激光出射机构。

进一步地，CCD组件中CCD的数量为4个。

进一步地，检测过程具体包括如下步骤：

步骤一：在被测反射镜上选取镜体基准，采用激光跟踪仪测量被测反射镜的镜体基准，根据镜体基准建立被测反射镜的测量坐标系。

步骤二：在测量坐标系上构建覆盖整个被测反射镜的采样点集。