專利名稱：超精密磨削大口徑光學(xué)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(xué)元件平面度在位檢測裝置及方法，屬于大口徑光學(xué)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(xué)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(xué)元件的過程中，需要多次對(duì)其進(jìn)行檢測,確保加工精度。目前大口徑光學(xué)元件的檢測方法基本上是離線檢測，且需運(yùn)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(shí)而且會(huì)產(chǎn)生多次安裝誤差，僅適于器件的終端檢測。為了及時(shí)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(duì)大口徑光學(xué)元件進(jìn)行在位檢測。對(duì)于大口徑光學(xué)元件，目前還沒有在車間環(huán)境下與加工機(jī)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(yàn)驗(yàn)證，是在溫度、濕度和振動(dòng)條件都得到嚴(yán)格控制的計(jì)量室條件下進(jìn)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(xué)鏡面在位檢測裝置，主要由激光源、數(shù)碼相機(jī)、分光棱鏡、帶支架的平臺(tái)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，該裝置針對(duì)非球面鏡設(shè)計(jì)，搭建在加工機(jī)床一側(cè)，實(shí)現(xiàn)分平臺(tái)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(zhǔn)直儀法、光軸法、液面法等方法，對(duì)高精度的大口徑光學(xué)元件進(jìn)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(xué)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(duì)整體面形分區(qū)域測量，通過拼接技術(shù)獲得大口徑光學(xué)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(jì)80年代初，由美國Arizona光學(xué)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(shí)現(xiàn)光學(xué)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(jì)子孔徑的相對(duì)平移和傾斜，但受機(jī)械移動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(xué)元件加工機(jī)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(xué)元件的平面度誤差實(shí)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(xué)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(xué)元件的超精密磨床有效結(jié)合，不僅為超精密大尺寸光學(xué)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(xué)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(xué)元件提供檢測。為了達(dá)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(xué)元件平面度在位檢測裝置，包含計(jì)算機(jī)、動(dòng)態(tài)干涉儀、主測量臺(tái)架、X方向?qū)к?、z方向?qū)к?、臺(tái)架導(dǎo)軌、隔離裝置，所述的動(dòng)態(tài)干涉儀安裝在z方向?qū)к壣希糜跍y量被測面的各個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，動(dòng)態(tài)干涉儀的主鏡處加有封閉罩；所述的主測量臺(tái)架為獨(dú)立的移動(dòng)式門架結(jié)構(gòu)，沿臺(tái)架導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，其上安裝有使動(dòng)態(tài)干涉儀水平移動(dòng)的X方向?qū)к壓蜕舷乱苿?dòng)的z方向?qū)к?；所述的臺(tái)架導(dǎo)軌為燕形滑動(dòng)導(dǎo)軌，使主測量臺(tái)架沿y方向移動(dòng)；所述的隔離裝置用于避免磨床工作時(shí)對(duì)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(dú)立運(yùn)動(dòng):當(dāng)在位檢測裝置工作，即對(duì)加工的光學(xué)元件被測面進(jìn)行檢測時(shí)，磨床處于停工狀態(tài)，光學(xué)元件處于在位檢測狀態(tài)；當(dāng)在位檢測裝置停止工作時(shí)進(jìn)入隔離位置。所述的X方向?qū)к墳榫匦位瑒?dòng)導(dǎo)軌，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠移動(dòng)；2方向?qū)к壝子盟欧姍C(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條，由氣缸定位；所述的X方向?qū)к墶方向?qū)к壖芭_(tái)架導(dǎo)軌的軸與磨床的系統(tǒng)軸均由同一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制。一種超精密磨削大口徑光學(xué)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(xué)元件平面度在位檢測裝置進(jìn)行測量，操作步驟如下:
步驟1:利用計(jì)算機(jī)中測量主控軟件確定平面子孔徑拼接測量方案:· 步驟2:計(jì)算機(jī)操作在位檢測裝置進(jìn)入檢測狀態(tài)，磨床處于停工狀態(tài)，光學(xué)元件被測面處于在位狀態(tài)，動(dòng)態(tài)干涉儀主機(jī)移近磨床，動(dòng)態(tài)干涉儀的主鏡防護(hù)罩打開，光學(xué)元件被測面清理干凈后進(jìn)行檢測；
步驟3:調(diào)節(jié)主測量臺(tái)架位置，調(diào)整動(dòng)態(tài)干涉儀主機(jī)的位置，使動(dòng)態(tài)干涉儀出射波面能沿著光學(xué)元件被測面上劃分的第I個(gè)子孔徑區(qū)域的面法線方向入射到其表面上，并在動(dòng)態(tài)干涉儀上觀察到清晰的條紋；
步驟4:光學(xué)元件被測面的子孔徑測量數(shù)據(jù)采集；
(4-1)利用動(dòng)態(tài)干涉儀獲取光學(xué)元件被測面的第I個(gè)子孔徑測量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)干涉儀自動(dòng)將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中；
(4-2)計(jì)算機(jī)控制動(dòng)態(tài)干涉儀移動(dòng)相應(yīng)距離，進(jìn)入第2個(gè)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(jìn)入隔離位置，力口隔離裝置；
步驟6:計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，即對(duì)所有子孔徑測量數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接:利用計(jì)算機(jī)中的測量數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)被測面的所有子孔徑數(shù)據(jù)按照拼接路徑進(jìn)行拼接，獲得光學(xué)元件被測面的面形分布，從而計(jì)算出平面度誤差。本發(fā)明的一種超精密磨削大口徑光學(xué)元件平面度在位檢測裝置及方法，具有如下顯著優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明將大口徑光學(xué)元件平面度誤差的檢測裝置與磨床相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(yùn)中的引入誤差，能夠?qū)庸すに囘M(jìn)行研究，及時(shí)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(duì)獨(dú)立，不僅可以避免檢測裝置的精度受磨床工作振動(dòng)的影響，還可以使檢測裝置單獨(dú)使用，作為一種大口徑光學(xué)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(xué)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(kuò)大可檢測元件的尺寸范圍；檢測裝置中采用動(dòng)態(tài)干涉儀，可以沿導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)高精度三維移動(dòng)，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(xué)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(xué)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(xué)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，一種超精密磨削大口徑光學(xué)元件平面度在位檢測裝置，包含計(jì)算機(jī)1、動(dòng)態(tài)干涉儀2、主測量臺(tái)架3、X 方向?qū)к?、z方向?qū)к?、臺(tái)架導(dǎo)軌6、隔尚裝置9,所述的動(dòng)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(gè)子孔徑數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算機(jī)I進(jìn)行處理，動(dòng)態(tài)干涉儀2的主鏡處加有封閉罩；所述的主測量臺(tái)架3為獨(dú)立的移動(dòng)式門架結(jié)構(gòu)，沿臺(tái)架導(dǎo)軌6運(yùn)動(dòng)，其上安裝有使動(dòng)態(tài)干涉儀2水平移動(dòng)的X方向?qū)к?和上下移動(dòng)的z方向?qū)к? ;所述的臺(tái)架導(dǎo)軌6為燕形滑動(dòng)導(dǎo)軌，使主測量臺(tái)架3沿y方向移動(dòng)；所述的隔離裝置9用于避免磨床7工作時(shí)對(duì)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(dú)立運(yùn)動(dòng):當(dāng)在位檢測裝置工作，即對(duì)加工的光學(xué)元件被測面8進(jìn)行檢測時(shí)，磨床7處于停工狀態(tài)，光學(xué)元件處于在位檢測狀態(tài)；當(dāng)在位檢測裝置停止工作時(shí)進(jìn)入隔離位置。所述的X方向?qū)к?為矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠移動(dòng)；z方向?qū)к?米用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條，由氣缸定位；所述的X方向?qū)к?、z方向?qū)к?及臺(tái)架導(dǎo)軌6的軸與磨床7的系統(tǒng)軸均由同一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制。如圖3所示，超精密磨削大口徑光學(xué)元件平面度在位檢測方法，其測量步驟為:
(I)利用計(jì)算機(jī)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(xué)元件被測
面8的長和寬，根據(jù)動(dòng)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(xué)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(dòng)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(gè)，總數(shù)確定為60個(gè)，子孔徑排列方式如圖4 ；
(2)檢測裝置調(diào)整:
(2-1)計(jì)算機(jī)I操作使檢測裝置進(jìn)入檢測狀態(tài)，磨床7處于停工狀態(tài)，光學(xué)元件被測面8處于在位狀態(tài)；
(2-2)主測量臺(tái)架3移近磨床7，動(dòng)態(tài)干涉儀2主鏡防護(hù)罩打開，光學(xué)元件被測面8清理干凈；
(2-3)調(diào)節(jié)主測量臺(tái)架3的位置，調(diào)整動(dòng)態(tài)干涉儀2的位置，使動(dòng)態(tài)干涉儀2出射波面能垂直入射至光學(xué)元件被測面8上的第I個(gè)子孔徑區(qū)域表面，并在動(dòng)態(tài)干涉儀2上可以觀察到清晰的條紋；
(3)光學(xué)元件被測面8的子孔徑數(shù)據(jù)采集
(3-1)利用動(dòng)態(tài)干涉儀2獲取光學(xué)元件被測面8的第I個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)干涉儀2可以自動(dòng)將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)I中；
(3-2)計(jì)算機(jī)I控制動(dòng)態(tài)干涉儀2移動(dòng)，進(jìn)入第2個(gè)子孔徑測量位置，獲取該子孔徑數(shù)據(jù)并輸入計(jì)算機(jī)I中；重復(fù)(3-2)直至所有子孔徑測量數(shù)據(jù)均存入計(jì)算機(jī)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(jìn)入隔離位置，加隔離裝置9 ;
(5)計(jì)算機(jī)I進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，即對(duì)所有子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接:利用計(jì)算機(jī)I中的測量數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)輸入光學(xué)元件被測面8的所有子孔徑按照拼接路徑進(jìn)行拼接，獲得光學(xué)元件被測面8的面形分布，從而計(jì)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(xué)元件平面度在位檢測裝置，包含計(jì)算機(jī)(I)、動(dòng)態(tài)干涉儀(2)、主測量臺(tái)架(3)、X方向?qū)к?4)、Z方向?qū)к?5)、臺(tái)架導(dǎo)軌(6)、隔離裝置(9)，其特征在于:所述的動(dòng)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(gè)子孔徑數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算機(jī)(I)進(jìn)行處理，動(dòng)態(tài)干涉儀(2)的主鏡處加有封閉罩；所述的主測量臺(tái)架(3)為獨(dú)立的移動(dòng)式門架結(jié)構(gòu)，沿臺(tái)架導(dǎo)軌(6)運(yùn)動(dòng)，其上安裝有使動(dòng)態(tài)干涉儀(2)水平移動(dòng)的X方向?qū)к?4)和上下移動(dòng)的z方向?qū)к?5);所述的臺(tái)架導(dǎo)軌(6)為燕形滑動(dòng)導(dǎo)軌，使主測量臺(tái)架(3)沿y方向移動(dòng)；所述的隔離裝置(9)用于避免磨床(7)工作時(shí)對(duì)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(xué)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(dú)立運(yùn)動(dòng):當(dāng)在位檢測裝置工作，即對(duì)加工的光學(xué)元件被測面(8 )進(jìn)行檢測時(shí)，磨床(7 )處于停工狀態(tài)，光學(xué)元件處于在位檢測狀態(tài)；當(dāng)在位檢測裝置停止工作時(shí)進(jìn)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(xué)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(dòng)導(dǎo)軌，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠移動(dòng)；z方向?qū)к?5)米用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tái)架導(dǎo)軌(6)的軸與磨床(7 )的系統(tǒng)軸均由同一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制。
4.一種超精密磨削大口徑光學(xué)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(xué)元件平面度在位檢測裝置進(jìn)行測量，其特征在于，操作步驟如下: 步驟1:利用計(jì)算機(jī)(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(jì)算機(jī)(I)操作在位檢測裝置進(jìn)入檢測狀態(tài)，磨床(7)處于停工狀態(tài)，光學(xué)元件被測面(8)處于在位狀態(tài)，動(dòng)態(tài)干涉儀(2)主機(jī)移近磨床(7)，動(dòng)態(tài)干涉儀(2)的主鏡防護(hù)罩打開，光學(xué)元件被測面(8)清理干凈后進(jìn)行檢測； 步驟3:調(diào)節(jié)主測量臺(tái)架(3)位置，調(diào)整動(dòng)態(tài)干涉儀(2)主機(jī)的位置，使動(dòng)態(tài)干涉儀(2)出射波面能沿著光學(xué)元件被測面(8)上劃分的第I個(gè)子孔徑區(qū)域的面法線方向入射到其表面上，并在動(dòng)態(tài)干涉儀(2)上觀察到清晰的條紋； 步驟4:光學(xué)元件被測面(8)的子孔徑測量數(shù)據(jù)采集； (4-1)利用動(dòng)態(tài)干涉儀(2)獲取光學(xué)元件被測面(8)的第I個(gè)子孔徑測量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)干涉儀(2)自動(dòng)將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)(I)中； (4-2)計(jì)算機(jī)(I)控制動(dòng)態(tài)干涉儀(2)移動(dòng)相應(yīng)距離，進(jìn)入第2個(gè)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(jìn)入隔離位置，加隔離裝置(9)； 步驟6:計(jì)算機(jī)(I)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，即對(duì)所有子孔徑測量數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接:利用計(jì)算機(jī)(I)中的測量數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)被測面(8)的所有子孔徑數(shù)據(jù)按照拼接路徑進(jìn)行拼接，獲得光學(xué)元件被測面(8 )的面形分布，從而計(jì)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(xué)元件平面度在位檢測裝置及方法，包含計(jì)算機(jī)、動(dòng)態(tài)干涉儀、主測量臺(tái)架、x方向?qū)к?、z方向?qū)к?、臺(tái)架導(dǎo)軌、隔離裝置。本發(fā)明將大口徑光學(xué)元件平面度誤差的檢測裝置與磨床相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(yùn)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(dòng)的影響，還可以使檢測裝置單獨(dú)使用，作為一種大口徑光學(xué)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(dòng)態(tài)干涉儀的高精度三維移動(dòng)實(shí)現(xiàn)子孔徑測量，擴(kuò)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(hào)G01B11/24GK103245308SQ201310134419
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)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(qiáng) 申請(qǐng)人:上海大學(xué)