一種基于多傳感器掃描的超精密測量方法
【專利摘要】一種基于多傳感器掃描的超精密測量方法，為：構造兩組不同間距的傳感器，均利用逐次兩點法精確重構出一組直線度輪廓，并確定這兩組直線度輪廓間隔的大小，使之能夠在前一組曲線和后一組曲線中找到相同的采樣點；如果一組曲線中的某條曲線和另一組曲線中的某條曲線至少有兩個相同采樣點，據此計算出這兩條曲線之間的相對平移量和傾斜量，確定這兩條曲線之間的位置關系；在第一組曲線中分別確定其與第二組曲線中某一條曲線的相互位置關系，則確定了第一組曲線的相互位置關系，從而在所有采樣點上精確重構出被測表面直線度輪廓。本發(fā)明測量精度高、測量速度快、可消除傳感器系統(tǒng)誤差和掃描平臺直線度誤差。
【專利說明】一種基于多傳感器掃描的超精密測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到測量應用【技術領域】，特指一種基于多傳感器掃描的超精密測量方法，主要適用于精密、超精密工件表面的直線度、平面度、超精密光學表面、甚至光學自由曲面面形的測量。
【背景技術】
[0002]光學表面面形誤差會導致光束偏移，從而使成像模糊、焦點擴大、波前精度降低，影響光學系統(tǒng)性能。為了更高精度地加工光學表面面形，進行精確地測量對于光學系統(tǒng)的開發(fā)是非常重要的，特別對于納米級精度要求的諸多高【技術領域】，光學表面的超精密測量至關重要。比如:同步(加速)輻射光學、極紫外光刻、相機、望遠鏡、X射線自由電子激光、激光點火裝置、自由曲面光學等等。
[0003]光學表面誤差一般可分為低頻誤差(即面形誤差)、中頻誤差(即波紋度)和高頻誤差(即表面粗糙度)。低頻誤差定義為空間周期5-10mm直到全尺寸，中頻表面誤差的空間周期約在0.1到5-10mm之間。低頻誤差和中頻誤差均對光學系統(tǒng)質量有較大影響，有時候中頻誤差的影響甚至更為嚴重，而測量中頻誤差則需要高的橫向檢測分辨率。
[0004]在超精密加工中，為了測量導軌的直線度運動誤差、被加工件表面的直線度輪廓、平面度和面形精度等，常常采用多測頭掃描法，這種方法是將位移測頭(常用非接觸傳感器如電渦流或電容等)或角度檢測儀(如自準直儀等)安裝在移動平臺上，沿被測表面作直線運動，或者將傳感器固定，被測件隨平臺一起運動。當被測表面輪廓誤差與平臺的直線運動誤差處于同一檔次時，需要采用誤差分離的方法以重構被測表面的直線度輪廓，進而可以測量整個被測表面的平面度和面形誤差等。
[0005]超精密直線度掃描測量時，一般采用電容等非接觸式傳感器測量位移，此時由于傳感器物理尺寸的限制，傳感器間距不可能太小。為了高分辨率重構被測表面的直線度輪廓，一般要求直線度的重構間隔小于傳感器間隔，此時掃描采樣間隔一般等于重構間隔；即相對來說要小于傳感器間隔，為了在各采樣點上精確重構被測表面直線度輪廓，以前已經開發(fā)兩種精確重構算法，即雙剪切精確重構頻域法(利用頻域法進行差分測量的精確重構方法，國家發(fā)明專利，專利號:ZL03124600.1)和雙剪切精確重構時域法(利用時域法進行差分測量的精確重構方法，國家發(fā)明專利，專利號:ZL03124599.4)，這兩種方法都是基于非等間隔多傳感器的等步長掃描測量方法。
[0006]當采用某種測量儀器，其傳感器數量眾多而間隔又可以很小的情況下，比如緊湊干涉儀(TRIOPTICSy phaselOOO等)或2D激光輪廓掃描儀等時，可將各像素點當作位移傳感器，相當于多位移傳感器進行掃描測量，此時各像素點間隔相當小(可以到微米級)，也即傳感器間隔相當小，若此時掃描步長等于傳感器間隔(此時可采用逐次兩點法重構)則要采集的點相當多(數據文件相當多，一個位置對應一個數據文件)，并且由于間隔小，信噪比較低，影響最終的測量結果。因此需要在充分利用眾多傳感器信息的情況下，盡可能采用大的傳感器間距和大的掃描步長進行測量，以提高測量精度、減少測量時間。[0007]現(xiàn)有多傳感器掃描測量誤差分離算法是解決大傳感器間距情況下，進行小間隔(高橫向分辨率)掃描測量時直線度精確重構問題，此時橫向分辨率等于掃描測量間隔。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術問題就在于:針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種測量精度高、測量速度快、可消除傳感器系統(tǒng)誤差和掃描平臺直線度誤差的基于多傳感器掃描的超精密測量方法。
[0009]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0010]一種基于多傳感器掃描的超精密測量方法，為:構造兩組不同間距的傳感器，均利用逐次兩點法精確重構出一組直線度輪廓，并確定這兩組直線度輪廓間隔的大小，使之能夠在前一組曲線和后一組曲線中找到相同的采樣點；如果一組曲線中的某條曲線和另一組曲線中的某條曲線至少有兩個相同采樣點，據此計算出這兩條曲線之間的相對平移量和傾斜量，確定這兩條曲線之間的位置關系；在第一組曲線中分別確定其與第二組曲線中某一條曲線的相互位置關系，則確定了第一組曲線的相互位置關系，從而在所有采樣點上精確重構出被測表面直線度輪廓。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進:
[0012]所述被測表面直線度輪廓的具體流程為:
[0013]步驟(1):構造兩組不同間距的傳感器，第一組傳感器的間距為S1，第二組傳感器的間距為S2，取Sl〈S2 ;然后，分別以步長Cl1和d2進行掃描；設傳感器間距S =S1, S2(Sl<S2);相鄰重構點間距:δ ;重構總長:ρ ;重構總點數:Ν ;取(I1=S1 d2=s2,N=p δ，S1, S2為δ的整
數倍:A = A占、=仏β，選擇無公約數的整數4、A ;
[0014]步驟⑵:將被測表面的直線度用函數f(x)表示；離散采樣后，令f(m)=f(xm)，m=0,..., N-1 ;設各有效像素點的系統(tǒng)誤差為ek,其中k=l, 2，…，k為有效傳感器數目；不同間距測量時的角度偏擺分別為Ql i，其中i=l，2，...，以及θ2」_，其中j=l，2，...，進行掃描測量(如圖1所示)，則各像素位移傳感器在各掃描位置測得的距離值分別為:
[0015]第一組傳感器間距為S1時，在第i個掃描位置第j個傳感器的測量值為:
[0016]
[0017]該傳感器為逐次兩點法中前一傳感器測量數據，間距為S1的后一傳感器測量值則
為:
[0018]
[0019]式中:/ = 0,...,[#/#]，J=O5--^1-1, ^為第一組傳感器間距為~中第j個傳
感器的系統(tǒng)誤差，Cu為第i個掃描位置時掃描平臺的高度偏差，Θ M為第i個掃描位置時掃描平臺的角度偏差；
[0020]步驟(3):采用逐次兩點法，由以上兩式可以求得:
[0021]Δ Pj=P3j rpb； j= Af 1；J(i) + Ae1；J+s1.tg(91；.) (3)[0022]式中:
【權利要求】
1.一種基于多傳感器掃描的超精密測量方法，其特征在于，構造兩組不同間距的傳感器，均利用逐次兩點法精確重構出一組直線度輪廓，并確定這兩組直線度輪廓間隔的大小，使之能夠在前一組曲線和后一組曲線中找到相同的采樣點；如果一組曲線中的某條曲線和另一組曲線中的某條曲線至少有兩個相同采樣點，據此計算出這兩條曲線之間的相對平移量和傾斜量，確定這兩條曲線之間的位置關系；在第一組曲線中分別確定其與第二組曲線中某一條曲線的相互位置關系，則確定了第一組曲線的相互位置關系，從而在所有采樣點上精確重構出被測表面直線度輪廓。
2.根據權利要求1所述的基于多傳感器掃描的超精密測量方法，其特征在于，所述被測表面直線度輪廓的具體流程為: 步驟(1):構造兩組不同間距的傳感器，第一組傳感器的間距為S1，第二組傳感器的間距為S2，取Sl〈S2 ;然后，分別以步長屯和七進行掃描；設相鄰重構點間距:δ ;重構總長:Ρ ；重構總點數:Ν ;取(I1=S1幸d2=s2, Ν=ρ δ，S1, S2為δ的整數倍:S1 = ?\δ、.V2 = ? δ選擇無公約數的整數4、Λ; 步驟⑵:將被測表面的直線度用函數f(x)表示；離散采樣后，令fOi^fO^nFO^-’N-l ;設各有效像素點的系統(tǒng)誤差為ek，其中k=l，2，…，k為有效傳感器數目；不同間距測量時的角度偏擺分別為，其中i=l，2，...，以及θ2」_，其中j=l，2，...，進行掃描測量，則各像素位移傳感器在各掃描位置測得的距離值分別為: 第一組傳感器間距為S1時，在第i個掃描位置第j個傳感器的測量值為:Paj =f(j+^A)+^J +?(I) 該傳感器為逐次兩點法中前一傳感器測量數據，間距為S1的后一傳感器測量值則為:
Pl j = /0' + (i +1).碑)+ elJ+A + Ci i +.ν tg(eu)⑵ 式中:/ = 0,...,[Wi], = …螞-1，ei，j為第一組傳感器間距為~中第j個傳感器的系統(tǒng)誤差，Cu為第i個掃描位置時掃描平臺的高度偏差，Θ M為第i個掃描位置時掃描平臺的角度偏差； 步驟(3):采用逐次兩點法，由以上兩式可以求得:
Δ Pj=Pa, J-Pb1J= Δ fi, j (i) + Δ e^j+Si * tg( Θ 1；i) (3)式中:#4.(/) = /(/ + (/ + 1).4)-/(/ + /4), Aei j = ehJ+A -ehj ；上式中，左端為前后兩 傳感器所測位移的差值，為已知量；當采用角 度傳感器實時檢測偏擺角度Ql i時，右端的末項S1.tg( Θ 1；i)也為已知值,令: AJ _ Δ/;.,(/.)+Δ(.ν, _ Apj -λ., Zg(^l l )⑷ ljsIsI 對上式做積分，并令每條直線度輪廓的首點輪廓高度值為0，可求得第j條直線度輪廓為: ~ (^e \
fi,j =./'(./ + 1-A)-/{./) + ! ~^ =/(./ + /.4)-/(./) + /.Aew (5)V5I 7
【文檔編號】G01B11/27GK103471530SQ201310445029
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權日:2013年9月26日
【發(fā)明者】尹自強, 李圣怡, 戴一帆, 田富竟, 李寧, 劉曉東 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學