[发明专利]基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置

说明书

本发明公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置，属于光学精密检测技术领域。本发明使用高精度平面平晶作为X‑Y面的参考基准平面，利用同轴安装的高精度高度测量传感器和自由曲面测量传感器分别检测高精度平面平晶和被测自由曲面表面高度信息，利用高精度高度测量传感器获取的高精度平面平晶表面高度信息监测和补偿X向气浮导轨和Y向气浮导轨的直线度误差，对自由曲面表面形貌进行降维误差分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。本发明能够实现自由曲面检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量，能够抑制X、Y向导轨运动直线度误差对自由曲面测量的影响，减小Z轴阿贝误差对测量的影响，实现自由曲面大范围、纳米精度测量。

技术领域

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

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。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，对光学设计、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，但测量问题却已成为亟待研究解决的难题。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，因此元件面形能否满足设计要求必须由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主要分为光场图像探测法、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，现有仪器测量精度较低，仅为1～10mm。探针三维扫描探测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，该方法具有测量精度高、适用范围广等优势，已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：清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。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，现有测量方法测量精度受样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响大，是目前提高自由曲面轮廓测量精度的主要技术瓶颈。

针对上述问题，本发明利用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，将监测基准平面的传感器和测量自由曲面高度信息的传感器同轴安装，减少导轨及桁架倾斜带来的阿贝误差；通过参考基准面的高度变化监测和补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面高精度测量的降维误差分离，结合余气回收式气浮导轨的宏-微跨尺度纳米精度无扰驱动与定位方法，为自由曲面检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段。

发明内容