本發(fā)明屬于光學檢測技術領域，具體涉及一種精密轉臺跳動檢測裝置及檢測方法。

背景技術：

精密氣浮轉臺在高精度精密儀器設備中有著廣泛的應用。氣浮轉臺旋轉過程中，其軸系徑向、軸向定位精度是衡量轉臺精密程度的主要指標之一。本發(fā)明涉及到的一種精密氣浮轉臺主要應用到微納結構超微分辨計算機三維成像分析儀中。氣浮轉臺的作用是帶動被檢測件的連續(xù)、穩(wěn)定旋轉或多角度精密定位，以滿足射線對被檢測件多角度掃描，為圖像重建提供足夠的投影數(shù)據。轉臺的軸向、徑向跳動誤差對微納結構超微分辨計算機三維成像分析儀的成像質量有著重要影響。掃描過程中氣浮轉臺會發(fā)生徑向跳動、軸向跳動，利用掃描得到的投影數(shù)據重建得到的圖像會與被掃描件內部真實結構存在一定的差異。為獲得高品質的三維重建圖像，需要氣浮轉臺在旋轉過程中其軸向和徑向跳動達到納米級別。轉臺旋轉過程中，徑向、軸向跳動量非常小，常規(guī)接觸檢測方法難以進行高精度測量。為此，提出一種高精度、操作簡單快捷的測量方法。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種精密轉臺跳動檢測裝置及檢測方法，以解決精密氣浮轉臺微小跳動量的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

本發(fā)明一種精密轉臺跳動檢測裝置，包括標準球體和光學儀器組件，所述光學儀器組件由聚焦透鏡、平行光管組成，所述標準球體、聚焦透鏡、平行光管依次間隔設置；所述平行光管用于將入射光線轉換成平行光束照射于聚焦透鏡上；所述聚焦透鏡用于將所述的平行光束聚焦轉換成聚焦光束后其焦點照射于標準球體外表面上；所述標準球體作為測量基準，置于緩慢旋轉的精密轉臺上，用于將所述的聚焦光束反射后轉換成反射光線再經聚焦透鏡照射于平行光管內的探測器上；由反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差來測量精密轉臺的跳動量。

進一步，還包括設于標準球體與聚焦透鏡之間的五棱鏡，所述五棱鏡用于將聚焦透鏡出來的聚焦光束的光路方向改變90度后照射于標準球體外表面上，或用于將標準球體反射出來的反射光線的光路方向改變90度后照射于聚焦透鏡上。

進一步，所述光學儀器組件為兩套，且相對于標準球體在豎向或橫向上互成90度設置，用于同時進行精密轉臺軸向和徑向跳動檢測。

進一步，所述標準球體由高反光性材料制成的高精度的金屬或非金屬球，表面光滑；所述非金屬球為玻璃球，所述金屬球為不銹鋼球。

本發(fā)明還提供一種精密轉臺跳動檢測方法，利用上述的檢測裝置，包括：

S1.軸向跳動檢測：

S1-1.將精密轉臺和光學儀器組件放置在調整臺上，并調整精密轉臺及光學儀器組件的位置，使它們保持水平；再將標準球體固定在精密轉臺上，并將精密轉臺均分為n等份，每等份角度為θ＝360°/n；

S1-2.根據聚焦透鏡的焦距，調整平行光管與精密轉臺的相對位置，使入射光線的中心線通過標準球體中心，并且焦點在標準球體的外表面上；

S1-3.使精密轉臺緩慢旋轉，當精密轉臺每旋轉角度θ時，記錄下反射光線的中心線在平行光管內的探測器上的位置；

S1-4.根據反射光線的中心線與入射光線的中心線間的位置變化差，計算出精密轉臺在不同旋轉角度θ的軸向跳動量；

S2.徑向跳動檢測：

將該光學儀器組件相對于標準球體在豎向或橫向上轉動90度后，重復步驟S1-2和步驟S1-3，再根據反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差，計算出精密轉臺在不同旋轉角度的徑向跳動量。

進一步，上述步驟S2的替代方案為：

S2-1.將該光學儀器組件在調整臺的豎向或橫向上移位一定距離，再將五棱鏡對準經聚焦透鏡發(fā)出的聚焦光束；

S2-2.根據聚焦透鏡的焦距，調整平行光管、五棱鏡與精密轉臺的相對位置，使入射光線的中心線通過標準球體中心，并且焦點在標準球體的外表面上；

S2-3.使精密轉臺緩慢旋轉，當轉臺每旋轉角度θ時，記錄下反射光線的中心線在平行光管內的探測器上的位置；

S2-4.根據反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差，計算出精密轉臺在不同旋轉角度的徑向跳動量。

進一步，上述步驟S2的替代方案為：與該光學儀器組件相對于標準球體在豎向或橫向上互成90度設置另一光學儀器組件，重復步驟S1-2和步驟S1-3，再根據反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差，計算出精密轉臺在不同旋轉角度的徑向跳動量，與軸向跳動檢測同步。

進一步，可連續(xù)采集多周數(shù)據，并對多周數(shù)據取均值或進行中值濾波處理得到跳動量。

進一步，采用經標定的標準球體，并設標準球體半徑為R，聚焦透鏡焦距為D，當精密轉臺旋轉到某一位置，此時其跳動量可以根據如下所述公式得到：

軸向跳動量測量，在探測器上，根據測量到的反射光線的中心線距入射光線的中心線之間的距離H_y，及聚焦透鏡的焦距D，可得到反射光線的中心線與水平線之間的夾角α_y，即為平行光管檢測到的角度偏差，且有如下關系式：

標準球體的中心和其外表面上的反射點之間的連線與水平線之間的夾角為β_y，且與α_y有如下關系：

設精密轉臺軸向跳動量為δ_y，其滿足如下關系式：δ_y＝Rsinβ_y；

徑向跳動量測量，在探測器上，根據測量到的反射光線的中心線距入射光線的中心線之間的距離H_x，及聚焦透鏡的焦距D，可得到反射光線的中心線與水平線之間的夾角α_x，即為平行光管檢測到的角度偏差，且有如下關系式：

標準球體的中心和其外表面上的反射點之間的聯(lián)連線與水平線之間的夾角為β_x，且與α_x有如下關系：

設精密轉臺徑向跳動量為δ_x，其滿足如下關系式：δ_x＝Rsinβ_x。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明檢測方法無接觸、精度高、簡單易行，可實現(xiàn)精密轉臺軸向和徑向兩個方向的跳動量檢測，滿足精密轉臺微小跳動量的檢測需求，同時可用于其他軸類跳動量的檢測。

本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中：

圖1為本發(fā)明檢測裝置級檢測方法的一個實施例用作軸向檢測示意圖；

圖2為本發(fā)明檢測裝置級檢測方法的另一個實施例用作徑向檢測示意圖；

圖3為圖1中軸向跳動量測試示意圖；

圖4為圖2中徑向跳動量測試示意圖；

圖5為圖3或圖4中角度關系圖；

附圖標記：1為精密轉臺，2為標準球體，3為聚焦透鏡，4為平行光管，5為探測器，6五棱鏡。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖下圖所示，本發(fā)明一種精密轉臺跳動檢測裝置，包括標準球體2和光學儀器組件，該光學儀器組件由聚焦透鏡3、平行光管4組成，標準球體2、聚焦透鏡3、平行光管4依次間隔設置；平行光管4用于將入射光線轉換成平行光束照射于聚焦透鏡3上；聚焦透鏡3用于將平行光束聚焦轉換成聚焦光束后其焦點照射于標準球體2外表面上；標準球體2作為測量基準，置于緩慢旋轉的精密轉臺1上，用于將聚焦光束反射后轉換成反射光線再經聚焦透鏡3照射于平行光管4內的探測器5上；由反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差來測量精密轉臺1的跳動量。

具體的，本發(fā)明的工作原理是：從平行光管4發(fā)出的平行光束經聚焦透鏡聚焦3，調整平行光管4、聚焦透鏡3與標準玻球體2之間的距離，使平行光束經過聚焦透鏡3后其焦點打在標準球體2的外表面上，且入射光線的中心線與標準球體2在同一條直線上。若精密轉臺1沒有跳動誤差，則標準球體2的中心始終保持不變，聚焦光束的焦點在標準球體2上時，聚焦光束經過標準球體2反射后，反射光線將沿入射光線與中心線對稱的路徑返回，再經過聚焦透鏡3進行折射后，反射光線將與原平行光束平行且對稱分布在中心線兩側，反射光線的中心與入射光線的中心重合。在精密轉臺1旋轉過程中，若其存在跳動誤差，則標準球體2的中心位置將發(fā)生相對偏移，聚焦光束焦點照射到標準球體2上的位置也將發(fā)生變化；聚焦光束經過標準球體2反射后，反射光線將不再沿入射光線與中心線對稱的路徑返回，而經由聚焦透鏡3折射后，反射光線將與原平行光束平行但發(fā)生一定的偏移，反射光線的中心與入射光線的中心將不再重合。這樣，在探測器5上，就可以根據反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置差來測量精密轉臺的跳動量。

在另一實施例中，還包括設于標準球體2與聚焦透鏡3之間的五棱鏡6，所述五棱鏡6用于將聚焦透鏡3出來的聚焦光束的光路方向改變90度后照射于標準球體2外表面上，或用于將標準球體2反射出來的反射光線的光路方向改變90度后照射于聚焦透鏡3上。

在另一實施例中，所述光學儀器組件為兩套，且相對于標準球體2在豎向或橫向上互成90度設置，用于同時進行精密轉臺1軸向和徑向跳動檢測。

本實施例中，所述標準球體2由高反光性材料制成的高精度的金屬或非金屬球，表面光滑；所述非金屬球為玻璃球，所述金屬球為不銹鋼球。

本發(fā)明精密轉臺跳動量的高精度檢測方法包括以下步驟：

S1.軸向跳動檢測：

S1-1.將精密轉臺1和光學儀器組件放置在調整臺上，并調整精密轉臺1及光學儀器組件的位置，使它們保持水平；再將標準球體2固定在精密轉臺1上，并將精密轉臺1均分為n等份，每等份角度為θ＝360°/n；如附圖1所示；

S1-2.根據聚焦透鏡3的焦距，調整平行光管4與精密轉臺1的相對位置，使入射光線的中心線通過標準球體2中心，并且焦點在標準球體2的外表面上；

S1-3.使精密轉臺1緩慢旋轉，當精密轉臺1每旋轉角度θ時，記錄下反射光線的中心線在平行光管4內的探測器5上的位置；

S1-4.根據反射光線的中心線與入射光線的中心線間的位置變化差，計算出精密轉臺1在不同旋轉角度θ的軸向跳動量；重復進行m次，取平均值，得到精密轉臺1旋轉過程中繞中心的軸向跳動量；

S2.徑向跳動檢測：

如圖2所示，將該光學儀器組件相對于標準球體2在豎向或橫向上轉動90度后，重復步驟S1-2和步驟S1-3，再根據反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差，計算出精密轉臺1在不同旋轉角度的徑向跳動量；重復進行m次，取平均值，得到精密轉臺1旋轉過程中繞中心的徑向跳動量。

在另一方法中，上述步驟S2的替代方案為：

S2-1.將該光學儀器組件在調整臺的豎向或橫向上移位一定距離，再將五棱鏡6對準經聚焦透鏡3發(fā)出的聚焦光束；

S2-2.根據聚焦透鏡3的焦距，調整平行光管4、五棱鏡6與精密轉臺1的相對位置，使入射光線的中心線通過標準球體2中心，并且焦點在標準球體2的外表面上；

S2-3.使精密轉臺1緩慢旋轉，當轉臺每旋轉角度θ時，記錄下反射光線的中心線在平行光管4內的探測器5上的位置；

S2-4.根據反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差，計算出精密轉臺1在不同旋轉角度的徑向跳動量；重復進行m次，取平均值，得到精密轉臺1旋轉過程中繞中心的徑向跳動量。這樣，可提高檢測效率。

在另一方法中，上述步驟S2的替代方案為：與該光學儀器組件相對于標準球體2在豎向或橫向上互成90度設置另一光學儀器組件，重復步驟S1-2和步驟S1-3，再根據反射光線的中心線與入射光線的中心線之間的位置變化差，計算出精密轉臺1在不同旋轉角度的徑向跳動量，可與軸向跳動檢測同步計算，提高檢測速度，避免重復拆裝光學儀器組件。

上述方法中，可對采集的多周數(shù)據進行中值濾波處理，得到更為有效的檢測結果。

上述方法中，采用經標定的標準球體2，設標準球體的半徑為R，聚焦透鏡3的焦距為D，當精密轉臺1旋轉到某一位置，此時其跳動量可以根據如下所述公式得到：

①軸向跳動量測量

如附圖3、圖5所示，在探測器(5)上，根據測量到的反射光線的中心線距入射光線的中心線之間的距離H_y，及聚焦透鏡的焦距D，可得到反射光線的中心線與水平線之間的夾角α_y，即為平行光管檢測到的角度偏差，且有如下關系式：

標準球體的中心和其外表面上的反射點之間的連線與水平線之間的夾角為β_y，且與α_y有如下關系：

設精密轉臺軸向跳動量為δ_y，其滿足如下關系式：δ_y＝Rsinβ_y；

②徑向跳動量測量

如附圖4、圖5所示，在探測器(5)上，根據測量到的反射光線的中心線距入射光線的中心線之間的距離H_x，及聚焦透鏡的焦距D，可得到反射光線的中心線與水平線之間的夾角α_x，即為平行光管檢測到的角度偏差，且有如下關系式：

標準球體的中心和其外表面上的反射點之間的聯(lián)連線與水平線之間的夾角為β_x，且與α_x有如下關系：

設精密轉臺徑向跳動量為δ_x，其滿足如下關系式：δ_x＝Rsinβ_x

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。