[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

摘要

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。

主权项

1.基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法，其特征在于：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(5)和自由曲面测量传感器(6)分别检测高精度平面平晶和被测自由曲面表面高度信息，然后利用高精度高度测量传感器(5)获取的高精度平面平晶表面高度信息来监测和补偿X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)的直线度误差，对自由曲面测量传感器(6)获取的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；其中，高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)同轴安装在桁架(11)上，且其轴线与Z向气浮导轨(8)平行，能够减小Z轴移动带来的阿贝误差；具体包括以下步骤，步骤一：将高精度平面平晶置于参考平晶姿态调整装置(10)上，利用高精度高度测量传感器(5)对高精度平面平晶表面进行监测，调整参考平晶姿态调整装置(10)的姿态，使其与Z向气浮导轨(8)垂直；步骤二：将高精度平面平晶置于自由曲面样品姿态调整装置(9)上，利用自由曲面测量传感器(6)对高精度平面平晶表面进行监测，调整自由曲面样品姿态调整装置(9)的姿态，使其与Z向气浮导轨(8)垂直；步骤三：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)上，利用Z向气浮导轨(8)带动桁架(11)‑沿Z向移动，通过高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)同时获取高精度平面平晶和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息；步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过自由曲面测量传感器(6)的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节自由曲面样品姿态调整装置(9)使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内；然后，驱动X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，通过高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)获取每个测量点(12)的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X‑Y平面扫描检测；步骤五：利用高精度高度测量传感器(5)测量得到的表面高度数据对X‑Y平面扫描检测时的直线运动误差进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z),D₁₂(x,y,z),…,D₁₂(x,y,z),D_ij(x,y,z),…,D_MN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，进而实现自由曲面形貌的纳米精度检测。