專利名稱：超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置及方法，屬于大口徑光學元件的幾何量測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代航空、航天、軍事等技術(shù)的發(fā)展，大口徑光學元件的應(yīng)用越來越廣泛，精度要求也越來越高。在加工大口徑光學元件的過程中，需要多次對其進行檢測,確保加工精度。目前大口徑光學元件的檢測方法基本上是離線檢測，且需運輸?shù)骄哂写罂趶綑z測裝置的異地去檢測，這種方式不僅耗時而且會產(chǎn)生多次安裝誤差，僅適于器件的終端檢測。為了及時調(diào)整加工過程、避免重復(fù)加工、保證加工效率，最佳方式是對大口徑光學元件進行在位檢測。對于大口徑光學元件，目前還沒有在車間環(huán)境下與加工機床集成在一起的在位(即被測工件位于磨床上、非磨削狀態(tài)下)的檢測裝置，雖然目前有理論上可行的檢測方法，但都是基于離線檢測的試驗驗證，是在溫度、濕度和振動條件都得到嚴格控制的計量室條件下進行的。例如李圣怡等，在“CN 101251439A”中，公開一種基于相位恢復(fù)技術(shù)的大型光學鏡面在位檢測裝置，主要由激光源、數(shù)碼相機、分光棱鏡、帶支架的平臺和計算機構(gòu)成，該裝置針對非球面鏡設(shè)計，搭建在加工機床一側(cè)，實現(xiàn)分平臺在位檢測。大尺寸平面度的測量方法很多，主要有水平儀法、自準直儀法、光軸法、液面法等方法，對高精度的大口徑光學元件進行平面度檢測，最直接有效的方法是使用大口徑移相干涉儀，但制造大口徑干涉儀的成本極高。目前大口徑光學元件的常用檢測方法即子孔徑拼接測量法，該方法使用小口徑、高精度的干涉儀對整體面形分區(qū)域測量，通過拼接技術(shù)獲得大口徑光學元件的波前相位數(shù)據(jù)，不僅降低了檢測成本，而且能夠測量的元件尺寸不受干涉儀口徑的限制。子孔徑拼 接方法最早在20世紀80年代初，由美國Arizona光學中心的C.Kim等人提出，即用一組較小口徑的參考面列陣替代傳統(tǒng)的單一的參考面，實現(xiàn)光學表面的檢測。1986年,Stuhlinger等提出的DPM方法(Discrete Phase Method)首次利用子孔徑之間的重疊區(qū)域，通過最小二乘擬合來估計子孔徑的相對平移和傾斜，但受機械移動誤差的影響，測量精度并不理想。1991年陳明儀等提出多孔徑重疊掃描拼接技術(shù)(Mult1-aperture Overlap-scanning Technique, MA0ST),通過相鄰子孔徑之間重疊區(qū)信息的相關(guān)性將所有面形拼接起來，從而獲得較大區(qū)域物體的面形，實現(xiàn)了大尺寸面形的高精度、高空間分辨率測量。2003年美國QED公司依據(jù)多孔徑重疊掃描拼接原理研制了子孔徑拼接干涉測量工作站Stitching Interferometer Workstation (SIff)，它是子孔徑拼接測量商業(yè)產(chǎn)品化的前驅(qū)，同時成功將其應(yīng)用到包括非球面在內(nèi)的曲面測量領(lǐng)域，該公司對這一技術(shù)和廣品還在不斷完善中。綜上所述，需要一種與大口徑光學元件加工機床集成在一起的在位檢測裝置和方法，克服離線檢測存在的弊端，在車間環(huán)境下能夠?qū)Υ罂趶焦鈱W元件的平面度誤差實現(xiàn)高精度、高效率測量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有平面度誤差測量方法及裝置存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種超精密磨削大口徑光學元件平面度誤差的在位檢測裝置及方法。該檢測裝置與加工大口徑光學元件的超精密磨床有效結(jié)合，不僅為超精密大尺寸光學玻璃平面磨床提供配套的核心檢測裝置，提供工藝分析、質(zhì)量保證的依據(jù)，也可以作為一種大口徑光學元件平面度在位檢測的通用設(shè)備，為其他裝置加工的大口徑光學元件提供檢測。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置，包含計算機、動態(tài)干涉儀、主測量臺架、X方向?qū)к?、z方向?qū)к墶⑴_架導軌、隔離裝置，所述的動態(tài)干涉儀安裝在z方向?qū)к壣?，用于測量被測面的各個子孔徑數(shù)據(jù)，傳輸至計算機進行處理，動態(tài)干涉儀的主鏡處加有封閉罩；所述的主測量臺架為獨立的移動式門架結(jié)構(gòu)，沿臺架導軌運動，其上安裝有使動態(tài)干涉儀水平移動的X方向?qū)к壓蜕舷乱苿拥膠方向?qū)к?；所述的臺架導軌為燕形滑動導軌，使主測量臺架沿y方向移動；所述的隔離裝置用于避免磨床工作時對檢測裝置造成污染。本裝置與磨床集成一體，但采用分離式結(jié)構(gòu)，相互獨立運動:當在位檢測裝置工作，即對加工的光學元件被測面進行檢測時，磨床處于停工狀態(tài)，光學元件處于在位檢測狀態(tài)；當在位檢測裝置停止工作時進入隔離位置。所述的X方向?qū)к墳榫匦位瑒訉к?，采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠移動；2方向?qū)к壝子盟欧姍C驅(qū)動齒輪齒條，由氣缸定位；所述的X方向?qū)к墶方向?qū)к壖芭_架導軌的軸與磨床的系統(tǒng)軸均由同一個數(shù)控系統(tǒng)控制。一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測方法，采用上述的超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置進行測量，操作步驟如下:
步驟1:利用計算機中測量主控軟件確定平面子孔徑拼接測量方案:· 步驟2:計算機操作在位檢測裝置進入檢測狀態(tài)，磨床處于停工狀態(tài)，光學元件被測面處于在位狀態(tài)，動態(tài)干涉儀主機移近磨床，動態(tài)干涉儀的主鏡防護罩打開，光學元件被測面清理干凈后進行檢測；
步驟3:調(diào)節(jié)主測量臺架位置，調(diào)整動態(tài)干涉儀主機的位置，使動態(tài)干涉儀出射波面能沿著光學元件被測面上劃分的第I個子孔徑區(qū)域的面法線方向入射到其表面上，并在動態(tài)干涉儀上觀察到清晰的條紋；
步驟4:光學元件被測面的子孔徑測量數(shù)據(jù)采集；
(4-1)利用動態(tài)干涉儀獲取光學元件被測面的第I個子孔徑測量數(shù)據(jù)，動態(tài)干涉儀自動將數(shù)據(jù)輸入計算機中；
(4-2)計算機控制動態(tài)干涉儀移動相應(yīng)距離，進入第2個子孔徑測量位置，重復(fù)(4-1); (4-3)重復(fù)(4-2)直至獲得所有子孔徑的測量數(shù)據(jù)；
步驟5:采集子孔徑測量數(shù)據(jù)后，檢測裝置停止工作，脫離磨床主體，進入隔離位置，力口隔離裝置；
步驟6:計算機進行數(shù)據(jù)處理和分析，即對所有子孔徑測量數(shù)據(jù)進行拼接:利用計算機中的測量數(shù)據(jù)處理軟件，對被測面的所有子孔徑數(shù)據(jù)按照拼接路徑進行拼接，獲得光學元件被測面的面形分布，從而計算出平面度誤差。本發(fā)明的一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置及方法，具有如下顯著優(yōu)點:
(I)本發(fā)明將大口徑光學元件平面度誤差的檢測裝置與磨床相結(jié)合，實現(xiàn)光學元件在位檢測，極大地提高加工效率，最大限度減少被測元件搬運中的引入誤差，能夠?qū)庸すに囘M行研究，及時調(diào)整加工過程，避免重復(fù)加工，保證加工效率。(2)本發(fā)明的檢測裝置與超精密磨床采用分離式結(jié)構(gòu)，檢測裝置與超精密磨床相對獨立，不僅可以避免檢測裝置的精度受磨床工作振動的影響，還可以使檢測裝置單獨使用，作為一種大口徑光學元件平面度在位檢測的通用設(shè)備，為其他設(shè)備加工的大口徑光學元件提供檢測。(3)檢測裝置采用干涉拼接技術(shù)，提高檢測精度，擴大可檢測元件的尺寸范圍；檢測裝置中采用動態(tài)干涉儀，可以沿導軌實現(xiàn)高精度三維移動，有效抑制車間的環(huán)境誤差。


圖1是本發(fā)明的超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置，檢測狀態(tài)示意 圖2是本發(fā)明的超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置，非檢測狀態(tài)(即磨床加工狀態(tài))不意 圖3是本發(fā)明的超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測方法的流程 圖4是被測面上需要采集的子孔徑分布示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。參見圖1，一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置，包含計算機1、動態(tài)干涉儀2、主測量臺架3、X 方向?qū)к?、z方向?qū)к?、臺架導軌6、隔尚裝置9,所述的動態(tài)干涉儀2安裝在z方向?qū)к?上，用于測量被測面8的各個子孔徑數(shù)據(jù)，傳輸至計算機I進行處理，動態(tài)干涉儀2的主鏡處加有封閉罩；所述的主測量臺架3為獨立的移動式門架結(jié)構(gòu)，沿臺架導軌6運動，其上安裝有使動態(tài)干涉儀2水平移動的X方向?qū)к?和上下移動的z方向?qū)к? ;所述的臺架導軌6為燕形滑動導軌，使主測量臺架3沿y方向移動；所述的隔離裝置9用于避免磨床7工作時對檢測裝置造成污染。如圖2所示，本裝置與磨床7集成一體，但采用分離式結(jié)構(gòu)，相互獨立運動:當在位檢測裝置工作，即對加工的光學元件被測面8進行檢測時，磨床7處于停工狀態(tài)，光學元件處于在位檢測狀態(tài)；當在位檢測裝置停止工作時進入隔離位置。所述的X方向?qū)к?為矩形滑動導軌，采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠移動；z方向?qū)к?米用伺服電機驅(qū)動齒輪齒條，由氣缸定位；所述的X方向?qū)к?、z方向?qū)к?及臺架導軌6的軸與磨床7的系統(tǒng)軸均由同一個數(shù)控系統(tǒng)控制。如圖3所示，超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測方法，其測量步驟為:
(I)利用計算機I中測量主控軟件確定平面子孔徑拼接測量方案:輸入光學元件被測
面8的長和寬，根據(jù)動態(tài)干涉儀2的口徑大小，確定子孔徑數(shù)目及初始子孔徑的位置，規(guī)劃子孔徑間距、排列方式以及拼接路徑，使光學元件被測面8的所有區(qū)域都被子孔徑覆蓋。以圖4中矩形工件為例，尺寸為1200mmX450mm，動態(tài)干涉儀2為150mm 口徑，設(shè)置30%重疊區(qū)，即兩子孔徑圓心間距為100mm，考慮圓型孔徑的缺失，子孔徑分5行排列，每行12個，總數(shù)確定為60個，子孔徑排列方式如圖4 ；
(2)檢測裝置調(diào)整:
(2-1)計算機I操作使檢測裝置進入檢測狀態(tài)，磨床7處于停工狀態(tài)，光學元件被測面8處于在位狀態(tài)；
(2-2)主測量臺架3移近磨床7，動態(tài)干涉儀2主鏡防護罩打開，光學元件被測面8清理干凈；
(2-3)調(diào)節(jié)主測量臺架3的位置，調(diào)整動態(tài)干涉儀2的位置，使動態(tài)干涉儀2出射波面能垂直入射至光學元件被測面8上的第I個子孔徑區(qū)域表面，并在動態(tài)干涉儀2上可以觀察到清晰的條紋；
(3)光學元件被測面8的子孔徑數(shù)據(jù)采集
(3-1)利用動態(tài)干涉儀2獲取光學元件被測面8的第I個子孔徑數(shù)據(jù)，動態(tài)干涉儀2可以自動將數(shù)據(jù)輸入計算機I中；
(3-2)計算機I控制動態(tài)干涉儀2移動，進入第2個子孔徑測量位置，獲取該子孔徑數(shù)據(jù)并輸入計算機I中；重復(fù)(3-2)直至所有子孔徑測量數(shù)據(jù)均存入計算機I中；
(4)采集子孔徑數(shù)據(jù)后，檢測裝置停止工作，脫離磨床7主體，進入隔離位置，加隔離裝置9 ;
(5)計算機I進行數(shù)據(jù)處理和分析，即對所有子孔徑數(shù)據(jù)進行拼接:利用計算機I中的測量數(shù)據(jù)處理軟件，對輸入光學元件被測面8的所有子孔徑按照拼接路徑進行拼接，獲得光學元件被測面8的面形分布，從而計算出平面度誤差；
結(jié)果顯示輸出:最終結(jié) 果可根據(jù)用戶需要顯示，或輸入至下一操作系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置，包含計算機(I)、動態(tài)干涉儀(2)、主測量臺架(3)、X方向?qū)к?4)、Z方向?qū)к?5)、臺架導軌(6)、隔離裝置(9)，其特征在于:所述的動態(tài)干涉儀(2)安裝在z方向?qū)к?5)上，用于測量被測面(8)的各個子孔徑數(shù)據(jù)，傳輸至計算機(I)進行處理，動態(tài)干涉儀(2)的主鏡處加有封閉罩；所述的主測量臺架(3)為獨立的移動式門架結(jié)構(gòu)，沿臺架導軌(6)運動，其上安裝有使動態(tài)干涉儀(2)水平移動的X方向?qū)к?4)和上下移動的z方向?qū)к?5);所述的臺架導軌(6)為燕形滑動導軌，使主測量臺架(3)沿y方向移動；所述的隔離裝置(9)用于避免磨床(7)工作時對檢測裝置造成污染。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置，其特征在于:與磨床(7)集成一體，但采用分離式結(jié)構(gòu)，相互獨立運動:當在位檢測裝置工作，即對加工的光學元件被測面(8 )進行檢測時，磨床(7 )處于停工狀態(tài)，光學元件處于在位檢測狀態(tài)；當在位檢測裝置停止工作時進入隔離位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置，其特征在于:所述的X方向?qū)к?4)為矩形滑動導軌，采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠移動；z方向?qū)к?5)米用伺服電機驅(qū)動齒輪齒條，由氣缸定位；所述的X方向?qū)к?4)、z方向?qū)к?5)及臺架導軌(6)的軸與磨床(7 )的系統(tǒng)軸均由同一個數(shù)控系統(tǒng)控制。
4.一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置進行測量，其特征在于，操作步驟如下: 步驟1:利用計算機(I)中測量主控軟件確定平面子孔徑拼接測量方案: 步驟2:計算機(I)操作在位檢測裝置進入檢測狀態(tài)，磨床(7)處于停工狀態(tài)，光學元件被測面(8)處于在位狀態(tài)，動態(tài)干涉儀(2)主機移近磨床(7)，動態(tài)干涉儀(2)的主鏡防護罩打開，光學元件被測面(8)清理干凈后進行檢測； 步驟3:調(diào)節(jié)主測量臺架(3)位置，調(diào)整動態(tài)干涉儀(2)主機的位置，使動態(tài)干涉儀(2)出射波面能沿著光學元件被測面(8)上劃分的第I個子孔徑區(qū)域的面法線方向入射到其表面上，并在動態(tài)干涉儀(2)上觀察到清晰的條紋； 步驟4:光學元件被測面(8)的子孔徑測量數(shù)據(jù)采集； (4-1)利用動態(tài)干涉儀(2)獲取光學元件被測面(8)的第I個子孔徑測量數(shù)據(jù)，動態(tài)干涉儀(2)自動將數(shù)據(jù)輸入計算機(I)中； (4-2)計算機(I)控制動態(tài)干涉儀(2)移動相應(yīng)距離，進入第2個子孔徑測量位置，重復(fù)(4-1)； (4-3)重復(fù)(4-2)直至獲得所有子孔徑的測量數(shù)據(jù)； 步驟5:采集子孔徑測量數(shù)據(jù)后，檢測裝置停止工作，脫離磨床(7)主體，進入隔離位置，加隔離裝置(9)； 步驟6:計算機(I)進行數(shù)據(jù)處理和分析，即對所有子孔徑測量數(shù)據(jù)進行拼接:利用計算機(I)中的測量數(shù)據(jù)處理軟件，對被測面(8)的所有子孔徑數(shù)據(jù)按照拼接路徑進行拼接，獲得光學元件被測面(8 )的面形分布，從而計算出平面度誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超精密磨削大口徑光學元件平面度在位檢測裝置及方法，包含計算機、動態(tài)干涉儀、主測量臺架、x方向?qū)к墶方向?qū)к?、臺架導軌、隔離裝置。本發(fā)明將大口徑光學元件平面度誤差的檢測裝置與磨床相結(jié)合，實現(xiàn)光學元件在位檢測，極大地提高加工效率，最大限度減少被測元件搬運中的引入誤差。檢測裝置與超精密磨床采用分離式結(jié)構(gòu)，不僅可以避免檢測裝置的精度受磨床工作振動的影響，還可以使檢測裝置單獨使用，作為一種大口徑光學元件平面度在位檢測的通用設(shè)備。檢測方法采用干涉拼接技術(shù)，利用本裝置中動態(tài)干涉儀的高精度三維移動實現(xiàn)子孔徑測量，擴大可檢測元件的尺寸范圍，有效抑制車間的環(huán)境誤差，提高檢測精度。
文檔編號G01B11/24GK103245308SQ201310134419
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者武欣, 于瀛潔, 王偉榮, 忻曉蔚, 張小強 申請人:上海大學