[发明专利]一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法在审
| 申请号： | 201910287491.5 | 申请日： | 2019-04-11 |
| 公开（公告）号： | CN109974583A | 公开（公告）日： | 2019-07-05 |
| 发明（设计）人： | 李潇潇;张志恒;张效宇;曹杰君;曹兆楼;咸冯林 | 申请（专利权）人： | 南京信息工程大学 |
| 主分类号： | G01B11/00 | 分类号： | G01B11/00;G01B11/25;G01B5/20;G01B5/004;G01B11/03;G01B11/06;G01B5/06 |
| 代理公司： | 南京钟山专利代理有限公司 32252 | 代理人： | 上官凤栖 |
| 地址： | 211500 江苏*** | 国省代码： | 江苏;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索关键词： | 待测元件 面形测量 非接触 亮斑 光学元件表面 电动平移台 光学探头 千分表 光点 三孔 测量 电子控制模块 表面投影 电动平移 高度测量 高度位置 夹持装置 聚焦光点 实时采集 图像计算 影响元件 元件位置 支撑结构 传统的 接触式 上位机 探头 光阑 物镜 反射 移动 | ||
1.一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于，包括：上位机（1）、电子控制模块（2）、探头支撑结构（3）、光学探头（4）、待测元件（5）、元件夹持装置（6）、Z轴电动平移台（7）、千分表（8）及XY轴电动平移台（9）；所述上位机（1）发送指令至电子控制模块（2），所述电子控制模块（2）接收上位机（1）的指令，控制光学探头（4）、Z轴电动平移台（7）和XY轴电动平移台（9）的工作；所述光学探头（4）安装在探头支撑结构（3）上，所述待测元件（5）安装在元件夹持装置（6）上，光学探头（4）和待测元件（5）上下相对设置，光学探头（4）向待测元件（5）表面投影聚焦光点，采集光点图像，并传输至上位机（1）；所述元件夹持装置（6）与Z轴电动平移台（7）相连，通过Z轴电动平移台（7）在垂直方向移动待测元件（5）；所述Z轴电动平移台（7）上安装有千分表（8），用于测量待测元件（5）的位置，并传输至上位机（1）；Z轴电动平移台（7）安装在XY轴电动平移台（9）上，通过XY轴电动平移台（9）在水平方向移动待测元件（5），Z轴电动平移台（7）和XY轴电动平移台（9）均使用步进电机进行驱动。
2.如权利要求1所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述光学探头（4）包括激光器（41）、三孔光阑（42）、相机（43）、分光镜（44）和显微物镜（45）；所述激光器（41）通过光耦控制通断，激光器（41）产生的激光束经过分光镜（44）反射进入显微物镜（45）并被聚焦至待测元件（5）表面，聚焦光点经反射返回至显微物镜（45），并通过分光镜（44）到达三孔光阑（42），在相机（43）的探测平面上形成三孔亮斑图案。
3.如权利要求2所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述激光器（41）为半导体激光器，功率为5mW；所述相机（43）使用CMOS面阵探测器，像素数目大于100万；所述分光镜（44）为非偏振分光棱镜，尺寸大于10mm×10mm×10mm；所述显微物镜（45）的放大倍数高于10×。
4.如权利要求2所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述上位机（1）包括用于控制相机（43）拍摄光点图像的图像采集模块、用于处理图像获得三孔亮斑尺寸的图像处理模块、用于控制Z轴电动平移台（7）和XY轴电动平移台（9）的运动控制模块、以及用于生成检测结果的输出模块；上位机（1）与相机（43）之间通过USB协议、千兆网或CameraLink接口进行通信。
5.如权利要求2所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述电子控制模块（2）包括开关电源、单片机、步进电机驱动器及光耦；开关电源实现220V交流电源与5V、24V直流电源的转换，其中24V电源供给步进电机驱动器，5V电源供给激光器（41）、单片机；单片机与上位机（1）进行串口通信并控制输入输出接口；步进电机驱动器用于驱动Z轴电动平移台（7）和XY轴电动平移台（9）的步进电机；步进电机驱动器和激光器（41）之间通过光耦隔绝电流影响。
6.如权利要求2所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述待测元件（5）具有抛光曲面，且曲面切平面与水平面夹角小于10°，使得聚焦光点经显微物镜（45）反射后光线可充满三孔光阑（42）；所述元件夹持装置（6）使用自定心夹具。
7.如权利要求1所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述Z轴电动平移台（7）包括步进电机和平移台两个部分，其中步进电机具备刹车功能，平移台上下移动待测元件（5），分辨率为1μm。
8.如权利要求1所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述千分表（8）分辨率为1μm，用于测量待测元件（5）Z轴方向的位置，增加待测元件（5）Z轴方向测量范围。
9.如权利要求1所述的一种非接触光学元件表面面形测量装置，其特征在于：所述XY轴电动平移台（9）移动分辨率为1μm，移动范围为50mm×50mm。
10.一种如权利要求1-9中任一所述的非接触光学元件表面面形测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：移动Z轴电动平移台（7）和XY轴电动平移台（9）至初始设定位置，安装待测元件（5）；
步骤二：快速移动Z轴电动平移台（7）上下扫描，实时采集相机图像，当图像中出现三孔亮斑时降低速度，实时计算亮斑边长，当边长为设定值时停止移动，计算光学表面高度Z坐标，并记录此时XYZ点坐标；
步骤三：XY轴电动平移台（9）在水平方向移动待测元件（5），移动过程中实时计算三孔亮斑边长，Z轴电动平移台（7）移动待测元件（5）使得三孔亮斑边长不变，上位机（1）读取千分表（8）数值并对三孔亮斑边长进行修正，保存此时XYZ坐标；
步骤四：根据保存的XYZ坐标，生成元件表面面形，与设定面形进行比较，确认是否满足加工要求，并根据用户要求输出测量结果。
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