[发明专利]一种自由曲面形貌纳米精度检测方法与装置

说明书

本发明属于光学精密检测技术领域，涉及一种自由曲面零件的纳米精度轮廓测量装置与方法，可用于自由曲面零件的纳米精度检测。该装置包括：主动气浮隔震弹簧、气浮隔振基座、X向气浮导轨、龙门架、激光差动共焦定焦触发测量系统、激光干涉位移测量镜组、Y向气浮导轨、Z向气浮导轨、自由曲面样品姿态调整装置、参考平晶姿态调整装置、激光干涉仪；采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，结合高精度平面平晶作为基准反射镜，减少X向和Y向气浮导轨直线度对自由曲面表面轮廓高精度检测的影响，从而降低三坐标测量机的21项误差。采用具有三点支撑结构的球面气浮工作台调整被测自由曲面零件的姿态，实现自由曲面零件轮廓的高精度检测。

技术领域

本发明属于光学精密检测技术领域，涉及一种自由曲面形貌高精度检测方法与装置，可用于精密光学系统中自由曲面形貌的纳米精度检测。

技术背景

自由曲面元件具有最大的表面形貌自由度，在成像系统中易消除像差，具有改善光学系统成像质量、提高分辨能力、增大作用距离、简化仪器结构、减小仪器体积及重量和提高可靠性等优点，可极大地改善测量光学系统的成像质量、分辨力，提高武器装备性能；用自由曲面光学系统来代替过去的由平面、球面镜、共轴二次曲面镜等构成的光学系统来提高成像质量，减小系统体积和重量，进而解决成像精度、便携性和可靠性等问题已经成为光学系统发展的重要趋势。

但是自由曲面在增加了设计自由度的同时，给设计、加工和检测提出了更高的要求，随着光学CAD与数控金刚石点加工技术在光学设计与制造中得到成功应用，自由曲面的设计与加工已不再是主要技术障碍，但测量问题却日益成为亟待研究解决的难题。光金刚石点加工技术对自由曲面面形的加工精度主要取决于对面形上各点空间坐标的测量准确度，因此元件面形是否能满足设计要求必须经过高精度的检测技术来保证。

目前国际上自由曲面的表面轮廓测量方法中主要可以分为光场图像测量法、层析扫描探测法和探针三维扫描探测法三大类。图像探测法测量过程无需对样品进行扫描，测量速度快，但其无法适应任意倾角变化的自由曲面高精度测量，同时易受到样品表面反射率、粗糙度等特性差异影响。层析扫描法原理简单，但对被测零件的尺寸和材料都有一定限制对运行环境要求较高，现有仪器测量精度为1～10mm，测量精度较低。探针三维扫描测量法采用探针对被测自由曲面样品表面进行逐点定位，通过测量各个位置点的坐标重构得到样品表面形貌，通常由坐标测量机驱动探针或者样品进行探测，目前该方法由于具有测量精度高，适用范围广等优势逐渐成为自由曲面测量的主流技术。

传统的探针三维扫描测量方法包括：接触探针法、清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。接触探针法具有很高的测量精度、良好的可靠性与稳定性，但获得的测量数据需根据探针测头形状进行补偿，并且由于测量存在接触力，但不能对软质、易碎等样品进行测量，并且可能会划伤抛光后样品表面。清晰度法利用数字图像处理技术对光学系统的成像质量进行判定，寻找成像最为清晰的点作为定焦位置，但受衍射的限制十分明显，瞄准定位敏度较低，精度浮动在1％～2％之间，定位精度仅为微米量级。飞行时间法测量原理简单,不需要图像处理，但分辨率较低，测量精度约为20～50mm，不适用于精密测量环境中。干涉方法的灵敏度很高，其轴向定位的理论极限可达到1nm，但是对测量环境要求苛刻，并且容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响，实际工程应用受到较大限制。共焦法定焦精度较高，抗环境干扰能力强，并且对样品表面属性差异影响具有一定的抑制能力，轴向定位分辨力可达到200nm。

综上所述，现有测量方法中主要存在测量精度不足，不能克服样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响，是目前限制自由曲面轮廓测量精度的主要瓶颈。基于上述情况，本发明提出抗表面倾角变化和抗散射变化的归一化激光差动共焦高精度定焦触发测量新方法，对自由曲面形貌进行高精度定焦触发测量，并利用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，通过激光干涉仪监测和补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面形貌的降维误差分离，从而实现自由曲面形貌的纳米精度检测。