[发明专利]可测量分布在内腔的多自由曲面反射镜面形和位置的方法

说明书

本发明涉及一种可测量分布在内腔的多自由曲面反射镜面形和位置的方法，被测工件包括内腔以及分别在内腔里的至少一面多自由曲面反射镜，所采用的测量系统包括运动装置，点测量测头，数据采集处理系统，标准内圆柱面和标准平面，其中，运动装置具有X轴运动导轨、Y轴运动导轨、Z轴运动导轨以及旋转主轴；点测量测头位于内腔里，可在一定夹角范围内瞄准被测表面，获得点测量测头端点至被测表面上所瞄准点的距离；数据采集处理系统与点测量测头连接，能够采集和处理测量数据；通过点测量测头对分布在内腔的多自由曲面反射镜进行测量，获得多自由曲面反射镜的三维点云数据，评价多自由曲面反射镜的面形精度和位置精度。

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，涉及利用运动装置与点测量测头，进而对分布在内腔的多个反射镜面形和位置进行高精度测量，特别是对于分布在内腔的多自由曲面反射镜而言，可测量多自由曲面反射镜的三维数据，并评价其面形精度和位置精度。

背景技术

自由曲面光学系统是将多自由曲面集成安装到一起实现特定光学性能的系统，可提升光学系统的成像质量。在航空航天、国防安全、科学探索、信息交互和时空感知等领域具有重要的应用价值，其中，分布在内腔的多自由曲面反射镜是一类典型的自由曲面光学系统结构。由于自由曲面光学系统是多镜片协调配合的光学系统，其最终性能的好坏不仅仅取决于单自由曲面的面形精度，还极大程度受限于多自由曲面的位置精度。

目前，非接触式光学测量方法具有高精度快速无损等优点，是主要的测量方法。目前受到广泛关注的光学自由曲面的非接触式检测形式主要包括点、线和面测量。不同测量原理及方法各有优劣，分别适用于不同加工阶段或不同成形工艺中。

而目前的研究与发明主要针对于单个自由曲面反射镜的测量，以及针对单个自由曲面反射镜测量数据的评价，测量的几何量主要用于评价自由曲面的面形精度。针对多自由曲面目前光学元件还是多以平面基底为主，如针对在同一基底上的两个自由曲面反射镜(Zhu J,Hou W,Zhang X,et al.Design ofa low F-number freeform off-axis three-mirror system with rectangular field-of-view[J].Journal of optics,2015,17(1):015605.)中，基本采用目前商用的测量设备可以完成测量。另一方面，多自由曲面测量除了常规面形测量评价外，还需要对每个自由曲面的位置进行高精度测量。多面位置测量通常需要额外增设基准平面，计算测量出的三维数据与基准平面的空间位置偏差量来获得多自由曲面的加工位置质量。然而，上述测量方法对于面形测量结构简单，大都是在平面基底上通过坐标点扫描测量，然后进行加工面形评价，对于位置的评价比较依赖于额外的参考曲面(如平面，球面)基准(专利CN201710254739.9)。而鲜有内腔的多自由曲面反射镜的测量研究，传统平面基底的多自由曲面反射镜测量方法由于内腔本身的空间约束，因而并不适用。

综合以上分析，目前的现有公开的技术存在以下缺陷：首先，对于自由曲面反射镜面形测量基本都是在平面基底上通过点测量进行评价，缺乏对具有内腔的空间约束条件下的自由曲面反射镜进行测量的技术手段；其次，对于多自由曲面反射镜的位置测量与评价依赖于额外基准，其测量结构复杂，容易产生测量误差。因此亟需一种高精度完整可靠的面形和位置测量及评价方法，对分布在内腔的多自由曲面反射镜的三维信息进行测量，在克服内腔空间约束限制的基础上进行面形测量，获得多自由曲面反射镜的三维分布信息，研究无额外基准参考的条件下，多自由曲面反射镜的面形精度和位置精度的评价方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足提供一种可测量分布在内腔的多自由曲面反射镜面形和位置的方法。本发明根据运动装置分布的特点，在内腔空间分布约束的条件下，构建点测量测头可旋转平移的运动装置，对分布在内腔的多自由曲面反射镜进行三维点测量，并在无需基准参考的条件下评价多自由曲面反射镜的面形精度和位置精度。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：