[发明专利]基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法

说明书

基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法，属于自由曲面光学元件超精密加工技术领域，本发明为解决现有自由曲面光学元件面形误差检测装置采用离线检测方式导致精度低、效率差的问题。基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置，X轴和Z轴为水平面上的两个轴，Y轴为垂直于水平面的纵向轴，旋转轴安装在Y轴移动台上，旋转轴上安装有真空吸盘，待测自由曲面光学元件安装在真空吸盘上，白光共焦测头通过夹具安装在Z轴移动台上，白光共焦测头的出射光平行于Z轴移动台，且出射光穿过旋转轴的中心线，白光共焦测头的检测数据经由控制器传输至机床工控机。本发明用于对自由曲面光学元件进行检测。

技术领域

本发明涉及一种自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法，属于自由曲面光学元件超精密加工技术领域。

背景技术

自由表面光学元件没有恒定的旋转轴线，形状任意，可以规则或不规则，作为下一代的现代光学元件，它具有光学性能优异、系统集成性好等优点，在航空、深潜、绿色能源和精密照明等光学系统上具有很大的应用潜力。自由曲面光学元件的发展给光学设计提供了更大的设计灵活性及创新范围，但同时对光学制造和检测提出了新的挑战。

尽管通过多轴联动超精密机床可以实现自由曲面光学元件的加工，但很多因素会引起面形误差，例如环境温度变化、振动以及刀具磨损。因此，为了获得高精度的光学表面，检测和补偿加工是必不可少的重要技术。

目前，自由曲面光学元件的检测方式包括离线检测和在机检测。离线检测时，被测自由曲面光学元件从机床到检测仪器的二次安装会带来新的系统误差。而在机检测能够避免重复安装误差，并且可以利用超精密机床各轴的超高运动精度和定位精度，进而扩大测量范围并提高测量效率。现有的商用检测仪器通常都是离线检测。检测误差大，此外，商用仪器的测量范围小、耗时长。

检测手段主要包括探针接触检测和光学非接触检测。探针接触检测是目前超精密加工中的常用方式，但它容易在光学元件表面产生划伤，而且在测量自由曲面时存在滑移误差和侧向力误差。

发明内容

本发明目的是为了解决现有自由曲面光学元件面形误差检测装置采用离线检测方式导致精度低、效率差的问题，以及探针接触检测易损伤光学元件表面的问题，提供了一种基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置及其检测方法。

本发明所述基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测装置，该检测装置包括X轴移动台、Y轴移动台、Z轴移动台、旋转轴、真空吸盘、白光共焦测头、夹具、控制器和机床工控机；

X轴和Z轴为水平面上的两个轴，Y轴为垂直于水平面的纵向轴，旋转轴安装在Y轴移动台上，旋转轴上安装有真空吸盘，待测自由曲面光学元件安装在真空吸盘上，白光共焦测头通过夹具安装在Z轴移动台上，白光共焦测头的出射光平行于Z轴移动台，且出射光穿过旋转轴的中心线，白光共焦测头的检测数据经由控制器传输至机床工控机。

本发明所述基于白光共焦原理的自由曲面光学元件面形误差在机检测方法，该检测方法的具体过程为：

S1、调整X轴移动台和Y轴移动台，使白光共焦测头正对待测自由曲面光学元件的左上角边缘的点，通过Z轴移动台调整白光共焦测头与待测自由曲面光学元件的间距，使白光共焦测头的输出的检测数据为0；

S2、根据自由曲面描述方程，生成X坐标和Y坐标等间距的三维坐标点序列，将生成的三维坐标点序列插入数控程序代码中，通过X轴移动台、Y轴移动台和Z轴移动台的联动，白光共焦测头沿栅格式扫描路径扫描待测自由曲面光学元件，此时白光共焦测头输出的检测数据即为待测自由曲面光学元件在表面不同位置的面形误差值；

S3、在扫描检测过程中，将X轴移动台、Y轴移动台和Z轴移动台的位置坐标以及白光共焦测头的检测数据实时同步保存在机床工控机的电子表格文件中；