[发明专利]非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法及测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学面形检测技术领域，具体涉及一种非接触式的复杂光学面形高精度三维测量装置及测量方法。

背景技术

在迫切需求和技术进步的推动下，光学系统中越来越多地使用具有复杂面形的光学元件。复杂面形光学元件的具有更多自由度，可以有效地校正各类高级像差，简化光学系统结构，提高光学系统性能。复杂面形光学元件对现代光学系统发展意义重大，广泛应用于各种类型光学成像、光学探测、光电对抗系统中。

光学面形测量方法分为干涉测量法和轮廓扫描测量法。干涉测量法测量复杂光学面形一般采用补偿镜和计算全息图的方法；采用补偿镜干涉法需要针对被测的具体面形设计和加工特定的补偿镜，测量成本极高；采用计算全息法时被测面形的测量范围及精度受全息片的制作精度和尺寸限制，且尺寸越大，精度越低。轮廓扫描测量法分为接触式与非接触式；接触式面形扫描测量装置主要包括三坐标测量机和探针式轮廓仪，通过探头依次扫描待测面形得到测量数据，测量过程可能会破坏光学表面光洁度和膜层，不适合光学表面的测量；非接触式轮廓扫描测量法主要有长程轮廓仪，它是一个f-θ透镜系统，通过光学探头测量测量光束与标准光束的偏离来测量光学表面的斜度，从而测量其表面轮廓，但是只能获得一维扫描面形，不能得到三维面形。

发明内容

本发明为解决现有对光学元件面形的测量方法存在测量成本高、精度低且无法对光学元件面形实现三维测量等问题，提供一种非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法及测量装置。

非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、使用自准直仪调整光谱共焦传感器、微型三光束干涉仪以及标准平面反射镜指向，使所述光谱共焦传感器、微型三光束干涉仪和标准平面反射镜同轴；

步骤二、将待测光学元件安装在测量平台上，确定待测光学元件面形的扫描点数量和扫描间距；对所述待测光学元件面形的扫描点依次进行扫描，测量并记录每个扫描点的三维轮廓信息；对所有扫描点的三维轮廓信息进行多项式拟合，获得待测光学元件面形的三维面形图；

具体测量过程为：

首先，在X-Y方向移动三维平移台至待测光学元件面形的起始扫描点，在Z方向移动三维平移台，使光谱共焦传感器定焦于所述起始扫描点，所述光谱共焦传感器与起始扫描点的距离为d，微型三光束干涉仪测量至标准平面反射镜的距离，获得待测光学元件上起始扫描点的三维轮廓信息；

然后，在X-Y方向上将三维平移台移至待测光学元件面形的下一个扫描点，在Z方向移动三维平移台，使光谱共焦传感器定焦于对应的扫描点，保持光谱共焦传感器与该对应扫描点的距离为d；微型三光束干涉仪实时测量所述微型三光束干涉仪至标准平面反射镜的距离，获得该扫描点的三维轮廓信息，直到完成所有扫描点三维轮廓信息的测量；

最后，对所有扫描点的三维轮廓信息进行多项式拟合，获得待测光学元件面形的三维面形图。

非接触式复杂光学面形高精度三维测量，该装置包括测量平台、光谱共焦传感器、三维平移台、微型三光束干涉仪和标准平面反射镜；所述光谱共焦传感器和微型三光束干涉仪固定于三维平移台上；所述三维平移台和标准平面反射镜固定在测量平台上。

本发明的有益效果：本发明所述的装置基于非接触的三维坐标位置扫描获取光学表面高度信息的二维分布(高度h随x、y的分布)，从而测得其面形或轮廓信息。通过三维平移台在x-y方向的平移对光学表面进行逐点扫描，测量每点上光学表面轮廓高度h的变化(Z向)；扫描过程中，随着光学表面高度的变化，在Z方向移动三维平移台，使得光谱共焦传感器始终定焦于待测光学元件表面，即光谱共焦传感器与各测量点间的距离保持不变，起到“零位监视器”作用；

所述微型三光束干涉仪对准标准平面反射镜，实时测量两者距离的变化，该变化量就是光学表面不同扫描点的相对高度变化h；记录不同扫描点的(x，y，h)信息，即可得到该光学表面的面形信息；采用多次多项式拟合得到最佳近似曲面，可以用于描述该光学表面面形。测量平台采用不锈钢气浮平台，能够消除外界振动影响；

本发明所述的非接触式面形扫描测量装置，在不损坏光学表面的前提下高精度测量复杂光学表面的3D面形，具有低成本、容易操作等优点。

附图说明

图1为本发明所述的非接触式复杂光学面形高精度三维测量装置的结构示意图。

图中：1、测试平台，2、三维平移台，3、光谱共焦传感器，4、微型三光束干涉仪，5、标准平面反射镜，6、待测光学元件。

具体实施方式