專利名稱：一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法
一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)試領(lǐng)域，涉及一種非球面頂點(diǎn)曲率半徑的測(cè)量方法，尤其適用大口徑非球面頂點(diǎn)曲率半徑的在線檢測(cè)。
背景技術(shù)：
非球面頂點(diǎn)曲率半徑是決定非球面光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要參數(shù)之一，頂點(diǎn)曲率半徑的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)光學(xué)非球面加工及裝配有著重要的指導(dǎo)意義。
在傳統(tǒng)的非球面光學(xué)元件加工中，技師們通過百分表或千分表加裝測(cè)環(huán)測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑，這種方法比較簡(jiǎn)便，但只能粗略測(cè)量，誤差較大，僅在非球面成型及研磨初期使用。
接觸式輪廓儀法是常用的小口徑非球面頂點(diǎn)曲率半徑的測(cè)量方法，首先利用接觸式檢測(cè)裝置測(cè)得一批離散數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理獲得所測(cè)輪廓線的曲率半徑。這種方法無法對(duì)全口徑測(cè)量，僅針對(duì)鏡面某一截面進(jìn)行測(cè)量，需精確定位且測(cè)量尺寸及測(cè)量精度有限，不能實(shí)現(xiàn)在位測(cè)量。
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法是目前比較通用的非球面頂點(diǎn)曲率半徑的測(cè)量方法，通過三坐標(biāo)測(cè)頭三維移動(dòng)獲取全口徑的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過最小二乘擬合的方法得到頂點(diǎn)曲率半徑。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法可以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度，滿足中小口徑非球面的測(cè)量。其缺點(diǎn)是仍受三坐標(biāo)測(cè)量尺寸范圍的限制，通常非球面尺寸小于2米，測(cè)量前需針對(duì)被測(cè)件進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)編程，不能實(shí)現(xiàn)在位測(cè)量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法，實(shí)現(xiàn)在位測(cè)量。
本發(fā)明技術(shù)解決方案一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下
步驟Si，使用激光跟蹤儀建立非球面測(cè)量坐標(biāo)系；
步驟S2，使用激光跟蹤儀采集非球面坐標(biāo)點(diǎn)；
步驟S3，使用激光跟蹤儀采集所得非球面坐標(biāo)點(diǎn)粗建非球面坐標(biāo)系，對(duì)非球面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換；
步驟S4,設(shè)定頂點(diǎn)曲率半徑取值范圍及步長(zhǎng)，分別以取值范圍內(nèi)頂點(diǎn)曲率半徑值為參數(shù)，對(duì)非球面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行靶球半徑補(bǔ)償；
步驟S5，對(duì)每一組補(bǔ)償后非球面坐標(biāo)點(diǎn)按照與半徑補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)曲率半徑值進(jìn)行非球面擬合，精建非球面坐標(biāo)系并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。計(jì)算每組坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的非球面擬合方程的均方根偏差，最小均方根偏差值所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)曲率半徑值為所求非球面頂點(diǎn)曲率半徑。
所述步驟S2中，使用激光跟蹤儀按照徑向采點(diǎn)方式采集非球面坐標(biāo)點(diǎn)，所述徑向3采點(diǎn)方式為采樣點(diǎn)沿非球面直徑分布，直徑上測(cè)量點(diǎn)間隔相同，直徑條數(shù)應(yīng)大于等于2條， 直徑之間夾角相等。
所述步驟S4中，對(duì)球面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行靶球半徑補(bǔ)償?shù)姆椒橥ㄟ^非球面坐標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合所選取頂點(diǎn)曲率半徑作為參數(shù)的非球面方程對(duì)靶球接觸點(diǎn)坐標(biāo)近似坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，獲取接觸點(diǎn)坐標(biāo)處非球面方程的方向矢量，使用方向矢量對(duì)粗坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行半徑補(bǔ) mte ο
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果
(1)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法，本發(fā)明利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法不受非球面口徑限制，測(cè)量點(diǎn)不需編程，測(cè)量效率及精度較高，可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，且測(cè)量范圍大；
(2)本發(fā)明測(cè)量用時(shí)少，可以提升非球面的檢測(cè)效率，縮短制作工期；測(cè)量精度高，可以涵蓋非球面從加工初期直至成品的檢測(cè)，是一種靈活通用的測(cè)量方法，適用于非球面在加工及終檢中的頂點(diǎn)曲率半徑的測(cè)量，尤其適用于大口徑非球面加工過程中頂點(diǎn)曲率半徑的測(cè)量。


圖1為本發(fā)明利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的流程圖2為本發(fā)明非球面坐標(biāo)系建立示意圖3為本發(fā)明徑向采點(diǎn)示意圖4為靶球與鏡面接觸點(diǎn)計(jì)算示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案中涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施案例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而不起任何限定作用。
(1)如圖1所示的利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法流程圖，應(yīng)首先使用激光跟蹤儀建立非球面測(cè)量坐標(biāo)系，測(cè)量坐標(biāo)系應(yīng)使非球面旋轉(zhuǎn)軸與某一坐標(biāo)軸重合，非球面頂點(diǎn)與坐標(biāo)軸原點(diǎn)重合。非球面測(cè)量坐標(biāo)系的建立可為后續(xù)尋找最佳擬合非球面提供合理初始值，避免計(jì)算出錯(cuò)。建立測(cè)量坐標(biāo)系可以通過非球面的特征測(cè)量實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，使用常用的3-2-1方式建立坐標(biāo)系，即測(cè)量并生成非球面上端面平面、X軸方向直線、非球面外圓圓心建立非球面坐標(biāo)系。
(2)使用激光跟蹤儀按照徑向采點(diǎn)方式采集非球面坐標(biāo)點(diǎn)，徑向分布點(diǎn)可以使采樣點(diǎn)在非球面內(nèi)外圈的權(quán)重均衡，減小后續(xù)擬合算法產(chǎn)生的原理性誤差。徑向采點(diǎn)方式為采樣點(diǎn)沿非球面直徑分布，直徑上測(cè)量點(diǎn)分布間隔大致相同(無嚴(yán)格位置要求)，測(cè)量直徑條數(shù)應(yīng)大于等于2條，直徑之間夾角相等，如圖3所示為一種徑向分布示意圖，測(cè)量點(diǎn)為米字線徑向分布。單次采點(diǎn)時(shí)間和平均次數(shù)可通過激光跟蹤儀測(cè)量軟件設(shè)置。
(3)使用激光跟蹤儀采集所得坐標(biāo)點(diǎn)粗建非球面坐標(biāo)系，對(duì)非球面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換。粗建坐標(biāo)系可以為靶球半徑補(bǔ)償提供一個(gè)準(zhǔn)確的坐標(biāo)系基準(zhǔn)。粗建坐標(biāo)系實(shí)施如下以(R_r)為非球面頂點(diǎn)曲率參數(shù)(其中R為設(shè)計(jì)頂點(diǎn)曲率半徑，r為靶球半徑)，計(jì)算擬合非球面所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系存在的傾斜、平移量，并轉(zhuǎn)換測(cè)量坐標(biāo)系下的點(diǎn)至粗
權(quán)利要求
1.一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟Si，使用激光跟蹤儀建立非球面測(cè)量坐標(biāo)系；步驟S2，使用激光跟蹤儀采集非球面坐標(biāo)點(diǎn)；步驟S3，使用激光跟蹤儀采集所得非球面坐標(biāo)點(diǎn)粗建非球面坐標(biāo)系，對(duì)非球面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換；步驟S4,設(shè)定頂點(diǎn)曲率半徑取值范圍及步長(zhǎng)，分別以取值范圍內(nèi)頂點(diǎn)曲率半徑值為參數(shù)，對(duì)非球面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行靶球半徑補(bǔ)償；步驟S5，對(duì)每一組補(bǔ)償后非球面坐標(biāo)點(diǎn)按照與半徑補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)曲率半徑值進(jìn)行非球面擬合，精建非球面坐標(biāo)系并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算每組坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的非球面擬合方程的均方根偏差，最小均方根偏差值所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)曲率半徑值為所求非球面頂點(diǎn)曲率半徑。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法，其特征在于所述步驟S2中，使用激光跟蹤儀按照徑向采點(diǎn)方式采集非球面坐標(biāo)點(diǎn)，所述徑向采點(diǎn)方式為采樣點(diǎn)沿非球面直徑分布，直徑上測(cè)量點(diǎn)間隔相同，直徑條數(shù)應(yīng)大于等于2條，直徑之間夾角相等。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法，其特征在于所述步驟S4中，對(duì)球面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行靶球半徑補(bǔ)償?shù)姆椒橥ㄟ^非球面坐標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合所選取頂點(diǎn)曲率半徑作為參數(shù)的非球面方程對(duì)靶球接觸點(diǎn)坐標(biāo)近似坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，獲取接觸點(diǎn)坐標(biāo)處非球面方程的方向矢量，使用方向矢量對(duì)粗坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行半徑補(bǔ)償。
全文摘要
一種利用激光跟蹤儀測(cè)量非球面頂點(diǎn)曲率半徑的方法，屬于光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，使用激光跟蹤儀按照特定方式獲取非球面坐標(biāo)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化搜索算法得到非球面頂點(diǎn)曲率半徑。本發(fā)明提出了非球面頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量的新方法，適用于非球面在制造加工過程之中頂點(diǎn)曲率半徑的在位測(cè)量，尤其對(duì)大口徑非球面頂點(diǎn)曲率的測(cè)量有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01B11/255GK102506761SQ20111033704
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月30日
發(fā)明者伍凡, 匡龍, 吳時(shí)彬, 李 杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所