[发明专利]一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法

说明书

一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法，包括上位机、电子控制模块、探头支撑结构、光学探头、待测元件、元件夹持装置、Z轴电动平移台、千分表及XY轴电动平移台。光学探头向待测元件表面投影聚焦光点，光点反射回物镜后通过三孔光阑形成三孔亮斑。由于亮斑之间距离与光点高度位置有关，因此实时采集图像计算亮斑之间距离可获得表面厚度。为了增加高度测量范围，使用Z轴电动平移台上下移动待测元件并使用千分表测量元件位置。相比传统的接触式面形测量系统，本发明具有非接触的优点，可避免影响元件表面并同时获得大测量范围及高精度。

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法。

背景技术

光学元件在日常生活及各种精密设备中应用广泛，其面形精度是影响系统性能的关键因素，若加工面形与设计面形相差较大，元件光焦度发生变化进而导致系统性能指标与设计不符。因此高精度光学元件对表面面形有严格的要求，需要有良好的加工精度，在加工过程中及完成后准确测量透镜面形是控制元件质量的关键步骤。

目前零件面形测量方法可分为接触式与非接触式两种。接触法使用机械探头接触零件表面，通过使用光栅尺测量探头位置表征表面高度，但机械接触容易造成元件表面划伤，影响光学系统的杂散光。非接触式测量是元件面形测量技术的发展方向，具有精度高、不损伤表面的优点，但与普通机械及塑料零件面形测量不同，光学元件表面为镜面反射，普通非接触式测量方法难以工作，导致目前工厂中仍然缺少一种非接触式面形测量装置，迫切需要设计新的测量方案来解决上述问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法。基于光学测量技术获得元件表面厚度，结合扫描生成元件面形，满足平面及大曲率半径光学元件测量要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

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、电子控制模块、探头支撑结构、光学探头、待测元件、元件夹持装置、Z轴电动平移台、千分表及XY轴电动平移台；所述上位机发送指令至电子控制模块，所述电子控制模块接收上位机的指令，控制光学探头、Z轴电动平移台和XY轴电动平移台的工作；所述光学探头安装在探头支撑结构上，所述待测元件安装在元件夹持装置上，光学探头和待测元件上下相对设置，光学探头向待测元件表面投影聚焦光点，采集光点图像，并传输至上位机；所述元件夹持装置与Z轴电动平移台相连，通过Z轴电动平移台在垂直方向移动待测元件；所述Z轴电动平移台上安装有千分表，用于测量待测元件的位置，并传输至上位机；Z轴电动平移台安装在XY轴电动平移台上，通过XY轴电动平移台在水平方向移动待测元件，Z轴电动平移台和XY轴电动平移台均使用步进电机进行驱动。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述光学探头包括激光器、三孔光阑、相机、分光镜和显微物镜；所述激光器通过光耦控制通断，激光器产生的激光束经过分光镜反射进入显微物镜并被聚焦至待测元件表面，聚焦光点经反射返回至显微物镜，并通过分光镜到达三孔光阑，在相机的探测平面上形成三孔亮斑图案。

进一步地，所述激光器为半导体激光器，功率为5mW；所述相机使用CMOS面阵探测器，像素数目大于100万；所述分光镜为非偏振分光棱镜，尺寸大于10mm×10mm×10mm；所述显微物镜的放大倍数高于10×。

进一步地，所述上位机包括用于控制相机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轴电动平移台和XY轴电动平移台的运动控制模块、以及用于生成检测结果的输出模块；上位机与相机之间通过USB协议、千兆网或CameraLink接口进行通信。