專利名稱：非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非球面元件的檢測(cè)，尤其是涉及一種閉環(huán)控制的采用非接觸式自動(dòng)對(duì)焦檢測(cè)非球面光學(xué)元件表面的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
非球面光學(xué)元件在國(guó)防航空等軍用領(lǐng)域和電子信息產(chǎn)品等民用領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，檢測(cè)技術(shù)一直是提高產(chǎn)品制造精度的主要瓶頸。
喬玉晶等(喬玉晶，呂寧.非球面及非球面測(cè)量技術(shù)，哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21(3)357-361)介紹了現(xiàn)有的幾種非球面檢測(cè)方法，但這些方法在精度和簡(jiǎn)便易行上已無(wú)法滿足高精度非球面的檢測(cè)要求。
梁翠萍等(梁翠萍，李清安，喬彥峰，朱瑋.簡(jiǎn)析光學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦的方法，電光與控制，2006，13(6)93-96)報(bào)道了一種自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)即自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，是一種精度較高、廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和成像等方面的新型技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前非球面檢測(cè)方法存在的缺陷，為突破高精度非球面檢測(cè)的瓶頸，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，且不會(huì)損壞被測(cè)元件表面，可檢測(cè)各種不同透明度的非球面，檢測(cè)精度可達(dá)納米級(jí)的非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法及其裝置。
本發(fā)明所述的非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦裝置設(shè)有對(duì)焦頭、I/V放大器、單片機(jī)、光耦隔離器件、伺服放大器、伺服電機(jī)、光柵尺和計(jì)算機(jī)。其中對(duì)焦頭設(shè)有激光器、反射鏡、目鏡、物鏡、光電探測(cè)器和筒體；反射鏡、目鏡、物鏡和光電探測(cè)器依次設(shè)置于筒體內(nèi)，激光器設(shè)于筒體內(nèi)壁，物鏡、目鏡的光軸重合，定義為公共光軸，光電探測(cè)器的幾何中心在公共光軸上；激光器的輸出光軸與公共光軸垂直，反射鏡位于激光器輸出光軸上，反射鏡反射光的光軸與公共光軸平行。筒體與光柵尺連接為一體。光電探測(cè)器的輸出端接I/V放大器的輸入端，I/V放大器的輸出端接單片機(jī)的I/O模擬量輸入端口，單片機(jī)輸出方波的端口接光耦隔離器件，光耦隔離器件輸出端接伺服放大器的輸入端，伺服放大器的輸出端接伺服電機(jī)，伺服電機(jī)軸通過(guò)絲杠和對(duì)焦頭的筒體連為一體。單片機(jī)的通訊模塊通過(guò)RS232接計(jì)算機(jī)串口。被測(cè)工件設(shè)于目鏡的焦點(diǎn)上。
本發(fā)明所述的非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法包括以下步驟1)將目鏡的焦點(diǎn)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，激光器輸出光軸方向?yàn)閄方向，從目鏡到物鏡的公共光軸方向?yàn)閆方向，Y方向根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)確定。
2)將被測(cè)工件設(shè)置于目鏡焦點(diǎn)上。
3)單片機(jī)記錄I/O口模擬輸入量V0，計(jì)算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P0。
4)對(duì)焦頭在XY平面上預(yù)設(shè)的測(cè)量路徑方向上平移一微小距離L1，單片機(jī)記錄I/O口模擬輸入量V1，計(jì)算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P1，根據(jù)P0和P1，單片機(jī)計(jì)算出對(duì)焦頭平移后工件的反射點(diǎn)相對(duì)于目鏡焦點(diǎn)的距離D。
5)粗調(diào)對(duì)焦，單片機(jī)輸出控制方波，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使對(duì)焦頭沿Z方向移動(dòng)距離D。
6)單片機(jī)檢測(cè)I/O口模擬量輸入值，計(jì)算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P2并與P0比較，若相同或偏差在設(shè)定誤差范圍之內(nèi)，則自動(dòng)對(duì)焦成功；若偏差在設(shè)定誤差范圍之外，則單片機(jī)輸出方波進(jìn)行精調(diào)對(duì)焦，精調(diào)后單片機(jī)再次檢測(cè)I/O模擬輸入值，計(jì)算光斑在光電探測(cè)器上的位置P3，并與P0比較，若偏差在設(shè)定誤差范圍之外，則重復(fù)精對(duì)焦步驟，直至對(duì)焦成功。
7)對(duì)焦成功后，讀取光柵尺總位移，并傳送給計(jì)算機(jī)。
8)根據(jù)預(yù)設(shè)的測(cè)量路徑重復(fù)步驟4～7，直至測(cè)量完整個(gè)被測(cè)工件的非球面表面。
9)根據(jù)測(cè)量路徑和光柵尺測(cè)量值，由計(jì)算機(jī)擬合出被測(cè)工件的非球面表面曲線。
L1的值和測(cè)量精度有關(guān)，L1越小，測(cè)得的點(diǎn)陣越密，測(cè)量越精確，L1的實(shí)際取值可根據(jù)設(shè)備的精度選擇，一般可選為0.0001～1mm。
與現(xiàn)有的非球面檢測(cè)方法相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)1.非接觸式檢測(cè)，不會(huì)損壞被測(cè)件。
2.測(cè)量精度高。因采用光柵位移測(cè)量技術(shù)和閉環(huán)控制技術(shù)，可獲得納米級(jí)的表面檢測(cè)精度。
3.操作簡(jiǎn)單。只要將對(duì)焦裝置相對(duì)被測(cè)非球面一次掃描即可得到非球面表面面形。測(cè)量過(guò)程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需手動(dòng)調(diào)整被測(cè)非球面。
4.成本低。組成該系統(tǒng)所需裝置簡(jiǎn)單可靠。
由此可見(jiàn)，利用本發(fā)明檢測(cè)高精度非球面，能有效解決常規(guī)檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，具有很大的研究?jī)r(jià)值和可行性。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的自動(dòng)對(duì)焦方法及裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)焦頭結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的I/V放大器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1和2，本發(fā)明實(shí)施例的非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦裝置設(shè)有對(duì)焦頭2、I/V放大器3、單片機(jī)4、光耦隔離器件5、伺服放大器6、伺服電機(jī)7、光柵尺8和計(jì)算機(jī)9。對(duì)焦頭2設(shè)有筒體11、激光器12、反射鏡13、目鏡14、物鏡15和光電探測(cè)器16，筒體11和光柵尺8接為一體，并通過(guò)絲杠和伺服電機(jī)7的輸出軸連接。
當(dāng)設(shè)于工件臺(tái)10上的非球面被測(cè)工件1置于對(duì)焦頭的目鏡14的焦點(diǎn)時(shí)，對(duì)焦頭的光電探測(cè)器16輸出電流，通過(guò)I/V放大器3處理進(jìn)入單片機(jī)4的模擬量輸入I/O引腳，單片機(jī)4算出光電探測(cè)器16上激光光斑的位置P并保存。
當(dāng)對(duì)焦頭根據(jù)設(shè)定的檢測(cè)路徑偏移距離L1時(shí)，被測(cè)工件1上反射激光的點(diǎn)改變，反射點(diǎn)不位于目鏡14的焦點(diǎn)，反射后的激光方向改變，進(jìn)入物鏡15的激光光線改變，光電探測(cè)器16上的光斑位置相應(yīng)改變，使光電探測(cè)器16的四路輸出電流改變，進(jìn)入單片機(jī)4的模擬量信號(hào)也改變。根據(jù)兩次測(cè)量值的計(jì)算比較可知被測(cè)工件1偏移目鏡14焦點(diǎn)的偏移量D。單片機(jī)4根據(jù)偏移量D發(fā)出相應(yīng)的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離器件5隔離后進(jìn)入伺服放大器6，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)7，使對(duì)焦頭2沿Z方向運(yùn)動(dòng)距離D進(jìn)行粗對(duì)焦。粗對(duì)焦完成后，再檢測(cè)單片機(jī)4的模擬輸入量，計(jì)算光斑位置并與位置P比較，若無(wú)偏差或偏差在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，則對(duì)焦成功，讀取光柵尺8測(cè)得的對(duì)焦頭Z方向上的對(duì)焦頭位移量；若有偏差，則根據(jù)偏差輸出方波驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)7進(jìn)行精對(duì)焦，精對(duì)焦后，再檢測(cè)單片機(jī)4的模擬輸入量，若有偏差，則重復(fù)精對(duì)焦步驟，直至對(duì)焦成功，讀取光柵尺8的總位移。光柵尺8測(cè)量的Z方向上的對(duì)焦頭位移量傳送給計(jì)算機(jī)9。計(jì)算機(jī)9根據(jù)測(cè)量路徑和光柵尺8的測(cè)量值擬合被測(cè)非球面表面曲線。為了便于調(diào)試系統(tǒng)，單片機(jī)4也可通過(guò)MAX232接到計(jì)算機(jī)9的串口，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)狀態(tài)。
在圖2中，對(duì)焦頭設(shè)有筒體11、激光器12、反射鏡13、目鏡14、物鏡15和光電探測(cè)器16，筒體11和光柵尺8接為一體，并通過(guò)絲杠和電機(jī)7的輸出軸連接。目鏡14和物鏡15的光軸重合，定義為公共光軸，光電探測(cè)器16的幾何中心也在公共光軸上。激光器12發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡13后的光束17平行于公共光軸入射到目鏡14上，會(huì)聚于被測(cè)工件1表面；經(jīng)被測(cè)工件1表面反射后，光束又入射到目鏡14，出射光束18也平行于光軸；出射光束18經(jīng)物鏡15會(huì)聚于光電探測(cè)器16上。當(dāng)被測(cè)工件1位于不同的位置和角度時(shí)，光電探測(cè)器16輸出不同的電流。光束17和18構(gòu)成偏心光束，偏心量s(即光束17和18之間的距離)的大小影響對(duì)焦精度，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)調(diào)整到最佳。
參見(jiàn)圖3，對(duì)焦頭2的出線端是光電探測(cè)器的四路微電流和電極公共端，電極公共端接地，四路光電流的處理方式相同，圖3是其中一路光電流的I/V放大器3的接線。參考接法為A1選用精密放大器LF411，微電流轉(zhuǎn)換為電壓值，再連接放大器μA741，使電壓值轉(zhuǎn)換為單片機(jī)4的I/O引腳可識(shí)別的電壓。其中電容C1為100P，電阻R1、R2、R3和R4根據(jù)PSD的輸出光電流采用合適的電阻值，R4可設(shè)計(jì)成可變電阻器，JP為跳線，可選通電阻R3或R4來(lái)適應(yīng)不同范圍的光電流輸出，GND為接地；若R3連入電路，此電路的輸入輸出關(guān)系為V1=-R1*R3R2I1.]]>
權(quán)利要求
1.非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦裝置，其特征在于設(shè)有對(duì)焦頭、I/V放大器、單片機(jī)、光耦隔離器件、伺服放大器、伺服電機(jī)、光柵尺和計(jì)算機(jī)；對(duì)焦頭設(shè)有激光器、反射鏡、目鏡、物鏡、光電探測(cè)器和筒體；反射鏡、目鏡、物鏡和光電探測(cè)器依次設(shè)置于筒體內(nèi)，激光器設(shè)于筒體內(nèi)壁，物鏡、目鏡的公共光軸重合，光電探測(cè)器的幾何中心在公共光軸上，激光器的輸出光軸與公共光軸垂直，反射鏡位于激光器輸出光軸上，反射鏡反射光的光軸與公共光軸平行；筒體與光柵尺連接為一體，光電探測(cè)器的輸出端接I/V放大器的輸入端，I/V放大器的輸出端接單片機(jī)的I/O模擬量輸入端口，單片機(jī)輸出方波的端口接光耦隔離器件，光耦隔離器件輸出端接伺服放大器的輸入端，伺服放大器的輸出端接伺服電機(jī)，伺服電機(jī)軸通過(guò)絲杠和對(duì)焦頭的筒體連為一體；單片機(jī)的通訊模塊通過(guò)RS232接計(jì)算機(jī)串口。
2.非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征在于包括以下步驟1)將目鏡的焦點(diǎn)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，激光器輸出光軸方向?yàn)閄方向，從目鏡到物鏡的公共光軸方向?yàn)閆方向，Y方向根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)確定；2)將被測(cè)工件設(shè)置于目鏡焦點(diǎn)上；3)單片機(jī)記錄I/O口模擬輸入量V0，計(jì)算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P0；4)對(duì)焦頭在XY平面上預(yù)設(shè)的測(cè)量路徑方向上平移距離L1，單片機(jī)記錄I/O口模擬輸入量V1，計(jì)算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P1，根據(jù)P0和P1，單片機(jī)計(jì)算出對(duì)焦頭平移后工件的反射點(diǎn)相對(duì)于目鏡焦點(diǎn)的距離D；5)粗調(diào)對(duì)焦，單片機(jī)輸出控制方波，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使對(duì)焦頭沿Z方向移動(dòng)距離D；6)單片機(jī)檢測(cè)I/O口模擬量輸入值，計(jì)算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P2并與P0比較，若相同或偏差在設(shè)定誤差范圍之內(nèi)，則自動(dòng)對(duì)焦成功；若偏差在設(shè)定誤差范圍之外，則單片機(jī)輸出方波進(jìn)行精調(diào)對(duì)焦，精調(diào)后單片機(jī)再次檢測(cè)I/O模擬輸入值，計(jì)算光斑在光電探測(cè)器上的位置P3，并與P0比較，若偏差在設(shè)定誤差范圍外，則重復(fù)精對(duì)焦步驟，直至對(duì)焦成功；7)對(duì)焦成功后，讀取光柵尺總位移，并傳送給計(jì)算機(jī)；8)根據(jù)預(yù)設(shè)的測(cè)量路徑重復(fù)步驟4～7，直至測(cè)量完整個(gè)被測(cè)工件的非球面表面；9)根據(jù)測(cè)量路徑和光柵尺測(cè)量值，由計(jì)算機(jī)擬合出被測(cè)工件的非球面表面曲線。
3.如權(quán)利要求2所述的非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征在于所述的L1為0.0001～1mm。
全文摘要
非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法及其裝置，涉及一種非球面元件的檢測(cè)。提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，不損壞被測(cè)元件表面，可檢測(cè)不同透明度非球面，精度可達(dá)納米級(jí)的非球面表面檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法及其裝置。設(shè)有對(duì)焦頭、I/V放大器、單片機(jī)、光耦隔離器件、放大器、電機(jī)、光柵尺和計(jì)算機(jī)。對(duì)焦時(shí)將目鏡焦點(diǎn)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，確定激光器輸出光軸與目鏡到物鏡的光軸的坐標(biāo)，算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P0，算出光斑在光電探測(cè)器上的位置P1，根據(jù)P0和P1，算出對(duì)焦頭平移后工件的反射點(diǎn)相對(duì)于目鏡焦點(diǎn)的距離D；粗調(diào)對(duì)焦，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使對(duì)焦頭移動(dòng)D；精調(diào)后算出光斑在光電探測(cè)器上的位置并與P0比較，對(duì)焦成功后讀取光柵尺總位移，最后完成整個(gè)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01M11/02GK101074868SQ20071000911
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月18日
發(fā)明者郭隱彪, 魏麗珍, 王丹鳳 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)