[发明专利]薄壁自由曲面光学元件夹持变形的测量装置及其使用方法

说明书

本发明公开了一种薄壁自由曲面光学元件夹持变形的测量装置及其使用方法，包括工作架，所述工作架的内部安装有样品台、图像发生机构、激光发生机构、图像采集机构和升降机构；所述图像发生机构、所述激光发生机构和所述图像采集机构皆位于所述样品台的上方，所述样品台上安装有用于夹持薄壁自由曲面光学元件的夹持结构；所述夹持结构包括第一夹持部、第二夹持部、转轴和驱动所述转轴转动的驱动件，所述第一夹持部和所述第二夹持部分别与所述转轴铰接，所述第二夹持部与所述转轴之间设有复位弹性件。本发明其测量装置可适用于测试分析凹形曲面薄壁光学元件/凸形曲面薄壁光学元件的装夹方式和装夹载荷对光学元件面型和位置精度的影响。

技术领域

本发明属于产品表面轮廓检测技术领域，特别是涉及一种薄壁自由曲面光学元件夹持变形的测量分析装置及其使用方法。

背景技术

随着现代光学系统的不断研究和发展，当今社会上各个领域都需要应用各种各样的光学元件，从手机上的摄像头、眼镜等到各式各样的显微系统中使用的显微物镜。进一步，随着现代光学系统对光学系统体积和重量的要求越来越高，自由曲面光学元件的应用越来越广泛。从现如今越来越受人关注的增强显示设备上的自由曲面棱镜，到汽车抬头显示中使用到的自由曲面反射镜，再到新一代James Webb空间望远镜中由数块自由曲面镜片组成的直径为6.5米的主镜。

自由曲面光学元件制造技术取得了很大进步，然而，自由曲面光学元件及其相关模具的三维轮廓测量技术仍然是一个技术瓶颈。尤其是，自由曲面光学元件经常是薄壁元件，众多薄壁自由曲面元件在装配装夹过程中不可避免会产生装夹位置和面型轮廓的变形，导致最终成像质量出现偏差。因此，非常有必要开展光学自由曲面元件的装夹变形在线测量，进而优化设计光学自由曲面元件的装夹方式和载荷。

自由曲面光学元件进行装夹变形在线测量时，存在以下困难：

1.由于不同方面的挤压会对自由曲面造成一定程度上的变形，曲面的变形量可能只有数十微米，这一微小的变形非常难以在线测量，但是会对其后续的系统成像造成不可忽略的影响；

2.装夹过程中装夹力除了造成元件的变形外，还能造成元件的微小位置变化。光学元件的位姿变化和曲面面型变形会混合在一起，两个信息的解耦难以实现；

3.如今市面上已有的测量器具，如三坐标等，测速慢，采样位置少，并不能精确地输出自由曲面在装夹时的形变数据，难以在线测量。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种薄壁自由曲面光学元件夹持变形的测量装置及其使用方法，其测量装置可适用于稳定放置凹形曲面薄壁光学元件/凸形曲面薄壁光学元件，并对凹形曲面薄壁光学元件/凸形曲面薄壁光学元件产生一定的夹持力；其使用方法能够解耦测量自由曲面零件的位置姿态变化和面型变形，同时测量过程非接触快速，因此适合于自由曲面零件装夹变形的在线测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种薄壁自由曲面光学元件夹持变形的测量装置，包括工作架，所述工作架的内部安装有样品台、图像发生机构、激光发生机构、图像采集机构和驱动所述样品台上下移动的升降机构；所述图像发生机构、所述激光发生机构和所述图像采集机构皆位于所述样品台的上方，所述样品台上安装有用于夹持薄壁自由曲面光学元件的夹持结构；

所述夹持结构包括第一夹持部、第二夹持部、转轴和驱动所述转轴转动的驱动件，所述第一夹持部和所述第二夹持部分别与所述转轴铰接，所述第二夹持部与所述转轴之间设有复位弹性件，所述复位弹性件套于所述转轴上；

所述第一夹持部相对所述第二夹持部的一侧设有第一夹持槽，所述第二夹持部相对所述第一夹持部的一侧设有第二夹持槽，所述第一夹持槽的开设方向与所述第一夹持部的宽度方向相互平行，所述第二夹持槽的开设方向与所述第二夹持部的宽度方向相互平行；

所述图像发生机构、所述激光发生机构、所述图像采集机构、所述升降机构和所述驱动件皆与移动终端电连接。