本發(fā)明涉及光學測量領域，具體涉及一種旋轉軸對稱曲面面形誤差測量裝置及測量方法。

背景技術：

在光學系統(tǒng)中的透鏡及反射鏡，曲面形式多數(shù)為平面和球面，原因是這些簡單形式的曲面加工、檢測容易，能夠做到批量化生產(chǎn)，也容易達到高精度的面形要求，尤其是各種高精度面形檢測干涉儀的出現(xiàn)大大降低了高精度平面和球面面形檢測的難度。與此同時，非球面獨特的光學特性引起人們的重視，并逐漸取代球面和平面的地位，在光學系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色。

其中，圓柱面是一種特殊的非球面，其子午面和弧矢面的光焦度不同，在科研領域中被廣泛應用在強激光系統(tǒng)和同步輻射光束線中，尤其在大功率激光諧振腔的腔片、長距離線干涉儀等高精度測試儀器和裝置中，圓柱面精度要求越來越高，對于高精度光學元件，其表面的實際面形質量和理想面形質量的偏差應小于若干分之一的波長。在日常生活領域中，圓柱面也被應用在需要進行長狹縫聚光的儀器中，如線聚焦系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)；在校正人眼散光時，也會用到圓柱面和圓柱面反射鏡。還有，近幾十年來，被廣泛應用于科學、工程和工農(nóng)業(yè)等領域的同步輻射光，需要設計不同線束設備，其中一部分線束設備即為圓柱面。

高精度檢測是光學元件高精度加工的依據(jù)和保證，是高精度加工的必要條件。要制作符合要求的高精度圓柱面，必須解決圓柱面的高精度檢測的問題，但是由于圓柱面的特殊光學特性，采用一般的檢測記住無法對其面形質量進行高精度檢測。到目前為止，檢測圓柱面的方法有很多，包括樣板法、輪廓儀法、輔助平面法、光纖法和標準柱面法等。這些方法都存在各自的不足之處，制約著圓柱面的高精度檢測。樣板法和輪廓儀檢測法均屬于接觸式檢測，容易劃傷待測圓柱面，且測量精度低，目前僅為微米量級；輔助平面法不能檢測圓柱面面形中的非對稱偏差；光纖法裝調困難，實用性差，影響圓柱面檢測精度；標準柱面法需要標準柱面，其價格相當昂貴且很難加工。

因此，如何研發(fā)一種非接觸的高精度圓柱面測量裝置，實現(xiàn)無損傷檢測，成為人們亟待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述技術問題，為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出了一種高精度圓柱面面形誤差測量裝置及測量方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種旋轉軸對稱曲面面形誤差的測量裝置，該測量裝置包括基座；轉臺，設置在基座上，用于帶動被測物體繞轉軸旋轉；激光測量系統(tǒng)，用于在所述被測物體旋轉的過程中，對所述被測物體的被測面進行掃描采樣，得到若干個采樣點數(shù)據(jù)；以及計算裝置，基于所述被測面的幾何參數(shù)及所述若干個采樣點數(shù)據(jù)，計算面形誤差。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種旋轉軸對稱曲面面形誤差的測量方法，采用上述的測量裝置，包括：步驟A：計算裝置基于被測面幾何參數(shù)獲取理想面形；步驟B：控制裝置控制測量裝置中轉臺旋轉，并控制激光測量系統(tǒng)對被測面進行掃描采樣，獲得各采樣點的測量數(shù)據(jù)；步驟C：計算裝置基于所述采樣點的測量數(shù)據(jù)獲得實測面形；步驟D：計算裝置基于所述理想面形和所述實測面形獲得面形誤差。

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

采用本發(fā)明形誤差測量裝置，利用激光測量系統(tǒng)等實現(xiàn)對圓柱面等特殊曲面進行無損高精度檢測；

多波長激光測量系統(tǒng)包括X向參考位移測量干涉計和Z向參考位移測量干涉計，精確計算目標測頭在X向和Z向上的位移；

目標測量模塊可以在水平面內旋轉，方便進行小口徑內面和大口徑外面測量切換，而無需設計很長的Z向反射鏡；

基座包括隔板、隔振臺及隔振腿，避免外界對測量過程的影響；

采用調平調心工作臺結合轉臺及激光測量系統(tǒng)等使得被測圓柱面等的中心軸線與轉臺轉軸重合；

激光測量系統(tǒng)采用多波長激光進行測量，提高測量精度。

采用小尺寸的干涉計及目標測頭，實現(xiàn)裝置的小型化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中面形誤差測量裝置的示意圖；

圖2為圖1中主要結構的側視圖；

圖3為圖1中面形誤差測量裝置的測量光路示意圖；

圖4為圖1中目標測量干涉計具體結構及光路圖；

圖5為雙波長干涉儀原理示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例測量方法的流程圖。

【主要元件】

1-基座； 2-框架； 3-轉臺；4-調平調心工作臺；

5-二維運動臺； 6-懸臂； 7-加長桿；8-激光測量系統(tǒng)；

9-被測物體； 11-控制箱； 12-計算機； 101-側板； 102-隔振臺；

103-隔振腿； 201-橫梁； 202-支架； 601-懸臂第一端；

602-懸臂第二端； 701-加長桿第一端； 702-加長桿第二端；

800-激光器； 801-第一分光鏡； 802-第二分光鏡；

803-第一反射鏡； 804-Z向位移干涉計； 805-X向位移干涉計；

806-第二反射鏡； 807-目標測量干涉計； 808-目標測頭；

809-Z向參考測頭； 810-X向參考測頭； 811-Z向反射鏡；

812-X向反射鏡。

具體實施方式

本發(fā)明某些實施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實施例將被示出。實際上，本發(fā)明的各種實施例可以許多不同形式實現(xiàn)，而不應被解釋為限于此數(shù)所闡述的實施例；相對地，提供這些實施例使得本發(fā)明滿足適用的法律要求。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

為了更好的表述本發(fā)明各組件之間的空間關系，將水平左右方向定義為X軸，水平前后方向定義為Y軸，豎直上下方向定義為Z軸。

本發(fā)明提供了一種面形誤差測量裝置，可以用于測量圓柱面，圓錐面等旋轉軸對稱曲面，本發(fā)明實施例以測量圓柱面為例進行介紹，如圖1所示，該裝置主要包括基座1、支架2、轉臺3、調平調心工作臺4、二維運動臺5、激光測量系統(tǒng)8、控制箱11及計算機12。

基座1在整個測量裝置中起到支撐作用，其包括隔振臺102及支撐隔振臺102的隔振腿103，隔振臺102用于支撐其他測量組件，一端側設置有側板101，其與隔振臺102相垂直設置，用于固定后述的二維運動臺5。其中隔振臺102與側板101可以選用大理石、不銹鋼等材料制成，優(yōu)選為大理石材料，隔振腿103優(yōu)選采用氣浮方式的隔振腿，有效降低了周圍環(huán)境振動對測量的影響。

框架2架設在基座1的上方，其包括橫梁201及支撐橫梁的兩支架202，兩支架202均設置在隔振臺102上，支撐橫梁201的兩端部，框架2優(yōu)選采用銦鋼材料制作。

轉臺3安裝在基座1的隔振臺102上，位于框架2下方，轉臺3優(yōu)先采用氣浮轉臺，可以繞其軸線轉動，其徑向端跳及軸向端跳均小于0.05μm。

調平調心工作臺4設置在轉臺3上，用于對被測物體進行調整，減小傾斜和偏心，其可在轉臺3的帶動下可以進行旋轉。

框架2、轉臺3及調平調心工作臺4共軸，均垂直于隔振臺102，轉臺3的轉軸恰好與測量坐標系的Z軸重合，氣浮轉臺3的上表面設為測量坐標系的XOY平面。

二維運動臺5安裝在側板101上，與轉臺3上表面垂直，其可以沿X軸和Z軸移動。二維運動臺5上固定安裝有與轉臺3上表面平行設置的懸臂6，懸臂6第一端601固接于二維運動臺5上，第二端602位于轉臺3上方，加長桿7平行于Z軸方向設置，其第一端701固定于懸臂6第二端602，其第二端702懸設于轉臺3上表面上方并指向轉臺3上表面，懸臂6及加長桿7可以在二維運動臺5帶動下一起沿X軸和Z軸移動。

激光測量系統(tǒng)8依附二維運動臺5、懸臂6、加長桿7及框架2設置，如圖2、3所示，其包括激光器800、第一分光鏡801、第二分光鏡802、第一反射鏡803、Z向位移干涉計804、Z向參考測頭809、X向位移干涉計805、X向參考測頭810、第二反射鏡806、目標測量干涉計807、目標測頭808、Z向反射鏡811，X向反射鏡812。

激光器800用于發(fā)射探測的激光，其固設于控制箱11內，出射激光利用光纖引導進入測量系統(tǒng)，光纖出射端固定在懸臂6上，且出射光沿懸臂6長度方向即Y軸方向發(fā)射激光。激光器800為多波長激光器，便于絕對距離的測量。

第一反射鏡803、第二分光鏡802、第一分光鏡801固定設置在懸臂6上，且三者由上至下依次排列在一條與Z軸平行的直線上，Z向位移干涉計804、Z向參考測頭809、X向位移干涉計805、第二反射鏡806固定在加長桿7的第一端701，三者由上至下依次排列在一條與Z軸平行的直線上，且分別與第一反射鏡803、第二分光鏡802、第一分光鏡801位于一水平線上，本實施中，如圖2所示，第一反射鏡803與Z向位移干涉計804、第二分光鏡802與X向位移干涉計805、第一分光鏡801與第二反射鏡806分別位于與Y軸平行的水平線上。

目標測量干涉計807、目標測頭808固定在加長桿7的第二端702，其中目標測量干涉計807與Z向位移干涉計804、X向位移干涉計805、第二反射鏡806位于一條與Z軸平行的直線上，目標測頭808與目標測量干涉計807設置在一水平線上，本實施中位于與X軸平行的水平線上，優(yōu)選的目標測頭808與目標測量干涉計807設計為一整體，可以在水平面內旋轉。

Z向反射鏡811設置于框架2橫梁21的底部，與Z向參考測頭809相對設置，用于反射Z向參考測頭809的光。X向反射鏡812設置于框架2一側支架202上，與X向參考測頭810相對設置，用于反射X向參考測頭810的光，本實施例中X向反射鏡812設置于框架2的左側支架202上。

控制箱11與轉臺3、二維運動臺5及激光測量系統(tǒng)8相連接，控制轉臺3的轉動、二維運動臺5的位移及激光測量系統(tǒng)8的測量，獲取激光測量系統(tǒng)8的測量數(shù)據(jù)，再將測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸給計算機12。

計算機12對接收到的進行分析、計算，最后給出被測面的誤差結果，其具體包括數(shù)據(jù)處理模塊和比較模塊，數(shù)據(jù)處理模塊用于基于輸入的被測面幾何參數(shù)計算形成理想面形，基于測量數(shù)據(jù)計算實測面形，比較模塊將實測面形與理想面形進行比較計算，確定面形誤差并輸出。

采用本發(fā)明實施例的面形誤差測量裝置進行測量時，將被測物體9放置在調平調心工作臺4上，本實施例中，被測物體9為一橫截面為圓環(huán)形的圓柱體，具有一內圓柱面，利用面形誤差測量裝置對被測物體9的內圓柱面進行測量。測量原理如下：

如圖2、3所示，激光器800發(fā)射的激光L進入第一分光鏡801分兩束激光，其中第一束激光L1經(jīng)第二反射鏡806反射，經(jīng)目標測量干涉計807、目標測頭808，用于測量與被測物體9的內圓柱面的絕對距離D；另一束激光經(jīng)第二分光鏡802分束為第二束激光L2和第三束激光L3，第二束激光L2經(jīng)X向位移干涉計805及X向反射鏡812，用于確定目標測頭808的X向位移量Dx，第三束激光L3經(jīng)第一反射鏡803反射至Z向位移干涉計804，經(jīng)Z向位移干涉計804及Z向反射鏡811，用于確定目標測頭808的Z向位移量Dz。固定于調平調心工作4上的被測物體9在氣浮轉臺3的帶動下繞轉軸勻速轉動，再加上目標測頭808的移動，實現(xiàn)整個被測物體的內圓柱面的面形掃描測量，得到多個采樣點的測量數(shù)據(jù)，將這些多個采樣點的測量數(shù)據(jù)由計算12進行數(shù)據(jù)處理，并與理想圓柱面進行比較，即確定出被測物體9內圓柱面的面形誤差。

目標測量干涉計807、X向位移干涉計805、Z向位移干涉計806是測量與被測物體9的內圓柱面的絕對距離D、目標測頭808的X向位移量Dx、目標測頭808的Z向位移量Dz的核心器件，以目標測量干涉計807為例，其具體結構如圖4所示，入射光進入干涉計807后被干涉計內的分光鏡反射和透射后分成兩部分，被反射的部分進入目標測頭808成為測量光，經(jīng)目標測頭內的匯聚透鏡后匯聚成一點照射在被測物9的表面上，然后被被測表面9反射回來經(jīng)過目標測頭后再進入干涉計807的分光鏡；透射部分的入射光鏡匯聚透鏡匯聚后照射在參考平面并被反回來作為參考光，在進入干涉計807的分光鏡。參考光和測量光在干涉計807的分光鏡中發(fā)生干涉形成干涉光，干涉光被光電轉換器接收并形成干涉信號。通過數(shù)干涉信號脈沖數(shù)的變化即可獲得目標測頭808到被測物9的表面距離變化，具體的工作原理為多波長干涉原理。

多波長干涉原理是將多個不同波長合成來組成一個合成波長，這個合成波長比任何一個組成其的波長值都大，利用這個更大的合成波長作為測量標尺就可以大幅度增加絕對距離測量的范圍。如圖5所示，以雙波長為例，激光器發(fā)出的雙波長分別為λ₁與λ₂同時入射干涉計，兩波長都經(jīng)過干涉計的兩個光臂，再被輸出端的光電探測器接收。

設兩光波波長為λ₁和λ₂(λ₁＞λ₂)，被測距離(干涉計兩臂程差)為L，在n＝1時，兩波長分別測量后，有如下公式成立：

φ₁，φ₂為分別在波長λ₁和λ₂下測得的相位差，兩式做差可得：

由上式可以看出，Δφ為λ_s的函數(shù)，而λ_s可表示為λ_s＝λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)，λ_s為等效合成波長。可以看出，多波長干涉法與單波長干涉法最大的不同之處在于，被測距離的相位改變是由多個波長同時決定的，因此產(chǎn)生了一個由它們的合成波長λ_s決定的相位差Δφ，整個測量過程就等效于是由這個更大的測量波長λ_s完成。

若要計算被測距離L與探測器兩波長相位測量的關系，可用如下方法，沒分別用單波長測量時得到：

L＝(λ₁/2)(m₁+ε₁) (4)

L＝(λ₂/2)(m₂+ε₂) (5)

上式中m₁、m₂為對應于波長λ₁與λ₂下干涉級數(shù)的整數(shù)部分，ε₁和ε₂對應小數(shù)部分。令m_s＝m₂-m₁，ε_s＝ε₂-ε₁，則有：

L＝(λ_s/2)(m_s+ε_s) (6)

上式中λ_s＝λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)，m_s和ε_s分別為λ_s干涉級次的整數(shù)部分和小數(shù)部分。設被測距離的粗測值為L_c，不確定度為ΔL_p，若選定合適的激光波長，使得粗測不確定度滿足條件ΔL_c＜(λ_s/4-ΔL_p)，則僅通過計算就可以得到干涉級整數(shù)部分m_s：

兩波長的小數(shù)相位ε₁和ε₂通過信號解調電路計算得到，從而得到ε_s的值，再結合(6)式就可以精確計算出距離L。

本實施例中Z向位移測量干涉計(804)和X向位移測量干涉計(805)的結構與目標測量干涉計(807)的結構一致，不同的地方是參考測頭的焦距不一樣，從而使測頭的工作距離不同，測量范圍不一樣。

本實施例的測量裝置中，三束激光L1、L2、L3的強度可以相同，也可以不同，優(yōu)選為三束激光強度相同。此時，第一分光鏡801優(yōu)選為33/67分光鏡，第二分光鏡為50/50分光鏡。

為了使測量的圓柱面內徑盡可能小，第一分光鏡801、第二分光鏡802、第一反射鏡803、Z向位移干涉計804、Z向參考測頭809、X向位移干涉計805、X向參考測頭810、第二反射鏡806、目標測量干涉計807、目標測頭808均選用小型化設計，尺寸均小于10mm×10mm×10mm，其中目標測頭808優(yōu)選為匯聚透鏡，光軸與X軸方向平行，最大直徑小于10mm，焦距小于500μm，焦點小于6μm，NA大于0.5。

目標測頭808與目標測量干涉計807為一整體，可以在水平面內旋轉，優(yōu)選可旋轉180°，這種可旋轉設計方便進行小口徑內圓柱面和大口徑外圓柱面測量切換，而無需設計很長的Z向位移測量參考反射鏡6。通過合理控制二維運動臺5的X向平移運動，可保持匯聚透鏡808到被測面的距離基本恒定，這是高精度圓柱面面形測量的基本保障。

本發(fā)明實施例還提供一種面形誤差測量方式，采用前述的測量裝置，包括以下步驟，如圖6所示：

步驟A：將被測物體9放置于調平調心工作臺4上調平調心，使得被測物體9的被測圓柱面的軸線與轉臺3的轉軸重合；

具體的，首先，給測量裝置上電，啟動控制箱11，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將待測圓柱面9置于調平調心工作臺4上。

利用杠桿表對被測物體9進行調平，將杠桿表表針與被測物體9頂部相接觸，轉動氣浮轉臺3，利用調平調心工件臺4調節(jié)圓柱面的傾斜，最后使圓柱面旋轉一周，杠桿表的讀數(shù)在微米量級變化。

利用激光測量系統(tǒng)8對被測物體9進行調心，通過控制二維運動臺5的X向平移運動和Z方向的運動，將目標測頭808置于待測圓柱面9內任意高度處，且目標測頭8距待測圓柱面表面預定距離，優(yōu)選為約0.6mm處，再次轉動氣浮轉臺3，利用調平調心工件臺4調整待測圓柱面的偏心，使待測圓柱面旋轉一周，目標測頭808到被測圓柱面距離的變化量在微米量級。

綜合考慮杠桿表及激光測量系統(tǒng)8的測量結果，反復調整圓柱面的傾斜及偏心，最后使圓柱面旋轉一周，杠桿表及激光測量系統(tǒng)8的測量結果的變化均小于一閾值，一般為1μm。此時可以認為圓柱面軸線與轉軸重合。

步驟B：獲取理想面形；

將被測面幾何參數(shù)逐一輸入到計算機12中，以圓柱形為例，幾何參數(shù)包括圓柱面最頂部高度Z0，圓柱面曲率半徑R0，圓柱面的母線長度l等，計算機12的數(shù)據(jù)處理裝置基于該些幾何參數(shù)計算出理想面形。

步驟C：利用激光測量系統(tǒng)8對被測物體9的被測面進行掃描采樣；

控制箱11發(fā)出指令使激光測量系統(tǒng)8的目標測頭808垂直圓柱面表面，并從圓柱面的頂部開始掃描，沿著圓柱面的母線方向勻速下降直至目標測頭運動至圓柱面的底部，同時勻速轉動氣浮轉臺3，對圓柱面進行旋轉掃描，直至掃描完整個圓柱面，得到多個采樣點的測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)包括轉臺運動時間、被測面與目標測頭808之間的絕對距離、目標測頭808在測量該采樣點時的X向位移量和Z向位移量。掃描過程中，計算機12基于被測面預先輸入?yún)?shù)確定被測面的大致形狀，并控制目標測頭808與被測面相隔預定距離，目標測頭808到被測面的距離需要大于目標測頭808的焦距，由于在目標測頭808的焦點處容易受灰塵顆粒及表面瑕疵的干擾，通過大于焦距的設計能夠提高目標測頭808抗環(huán)境干擾的能力，本實施中上述預定距離優(yōu)選為約0.6mm。掃描過程中轉臺3始終以一恒定速率轉動，該速率由采樣間隔決定。

步驟D：獲取實測面形；

計算機12的數(shù)據(jù)處理裝置基于激光測量系統(tǒng)8獲得的多個采樣點的測量數(shù)據(jù)計算出實測圓柱面的數(shù)據(jù)。

步驟E：獲得被測面的面形誤差；

計算機12的比較模塊對理想面形和實測面形進行比較計算，獲得被測面面形誤差。

本發(fā)明中為了實現(xiàn)高精度測量，還可以進行二維運動臺5中X向、Z向運動機構直線度誤差標定，Z向參考測頭與轉軸夾角的標定，X向參考測頭與轉軸垂直度的標定，目標測頭光軸相對轉軸的偏心量及垂直度標定等工作，考慮測量中的誤差。

本發(fā)明中，光學測量傳感器容易受環(huán)境的溫度、濕度、壓強以及氣流擾動的影響，溫度、濕度、壓強的變化使空氣折射率發(fā)生變化，氣流擾動引起空氣折射率的分布不均勻。因此，除了對測量環(huán)境的溫度、濕度、壓強進行嚴格控制外，還可以增加溫度、濕度和氣壓測量傳感器，便于對環(huán)境參量進行實時補償，而且還在測量系統(tǒng)外圍面增加了防護罩降低氣流擾動的影響。

應注意，附圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實大小和比例，而僅示意本發(fā)明實施例的內容。

實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。并且上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，

例如：

(1)調平調心工作臺4并非是必需的，可知直接將被測物9放置在轉臺3上進行調節(jié)，避免傾斜和偏心；

(2)激光器800不必須設置在控制箱11內，其可以設置其他位置，例如側板101上，此時采用光纖或光波導來將激光器800發(fā)射的激光傳輸至第一分光鏡801即可；

(3)采用一體成型的L型固定桿來代替懸臂6和加長桿7，減少組件。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。