自由曲面形貌三维测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明属于自由曲面形貌测量技术，具体涉及一种自由曲面形貌测量方法及装置。本发明自由曲面形貌三维测量装置包括：激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、波片及频谱选择器、单色变倍率镜头、两个全反射镜、待测自由曲面、高速高清摄像机、两组精密丝杠和精密导轨组、机床平台主轴、龙门悬臂梁。本发明利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至待测自由曲面表面，进行三维形貌测量的方法和装置；便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量；便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段，所有工艺过程的动态在线检测，不需要二次装夹。
【专利说明】自由曲面形貌三维测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于自由曲面形貌测量技术，具体涉及一种自由曲面形貌测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的测量方法,一般是用三维轮廓仪测量；光学表面在铣磨、细磨和粗抛阶段的检测，是影响非球面面形收敛精度与速度的关键阶段。此时面形误差尚未达到光波长量级，且表面粗糙度不佳，通常的干涉检测方法存在一定的困难，因此，也采用接触式三维轮廓仪。但是，在精抛阶段，一般用干涉仪。某些情况，尚需依赖专用设备加工包括CGH补偿板、Offner补偿镜、Dall补偿镜等特殊的辅助检测元件，成本高、周期长。特别是检测过程，需要二次装夹，容易产生定位误差、工艺复杂，不适合在线检测。
[0003]现有技术进行自由曲面测量时，也利用信息光学的傅立叶变换进行测试，但是还存在以下四个缺陷:第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误差，实现的二级光谱输出，不具有可控性；第二，占有输入能量70%以上的零级频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦靶标图像的对比度；第三，傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一波长光的针对性设计，输出的正弦靶标图像像场像差较大，是测量精度提高的一大障碍；第四，平行光输出，限制了测量的视场范围，不利于大面积测量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:针对现有技术中控制矩形光栅的制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限的问题，提供一种在线式非接触的自由曲面形貌测量装置。
[0005]另外，本发明还提供一种自由曲面形貌测量方法。
[0006]本发明的技术方案是:一种自由曲面形貌三维测量装置，其包括信号发生器14、待测自由曲面10、转轴13、信号接收器11以及计算机12，其中，信号发生器输出对准待测自由曲面，而待测自由曲面设置在转轴上，同时其反射输出对准信号接收器，计算机连接信号接收器用于计算处理，其中，所述信号发生器14由发生系统和扫描系统组成，所述发生系统包括精密丝杠一 81和精密导轨一 82以及设置在精密导轨上且沿光的传播方向依次设置的激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7，所述扫描系统输入与发生系统的单色变倍率镜头7输出对应，所述矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上。
[0007]所述扫描系统包括精密丝杠、精密导轨以及设置在精密导轨内部的全反射镜一 91和全反射镜二 92，其中，所述全反射镜一 91和全反射镜二 92通过精密丝杠的调节实现在精密导轨上的移动。
[0008]所述信号发生器14和信号接收器11设置在不同龙门悬臂梁上的万向支架上，且二者之间相对倾斜。
[0009]当信号发生器14单色变倍率镜头7出射的光为非平行光时，则在计算处理时，需对该出射的非平性光进行标定处理。
[0010]所述激光器I选择圆光斑输出的单模激光器，且与单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7进行单色匹配。
[0011]所述光束整形系统2采用激光扩束器设计方式，且激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度。
[0012]所述矩形光栅3占空比不等于1:1，且矩形光栅为正弦光栅时，舍去频谱选择器5。
[0013]所述波片6配合激光器I的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片。
[0014]一种自由曲面形貌三维测量方法，若采用平行光输出，则后续光路设置两块全反射镜，全反射镜一 91位于单色变倍率镜头7后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二92位于全反射镜一 91后面；全反射镜一 91和全反射镜二 92，均位于精密丝杠二 83和精密导轨二 84上；小视场直接测量，由全反射镜二 92直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二 92在精密丝杠二 83和精密导轨二 84上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
[0015]一种自由曲面形貌三维测量方法，若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
[0016]本发明的技术效果是:本发明针对【背景技术】中矩形光栅的精确制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限等问题。本发明使用占空比精确制造的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可。便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量；便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段，所有工艺过程的动态在线检测，不需要补偿板，不需要干涉仪，不需要二次装夹。本发明主要应用于航天、航空、军事、生物医学及民用等领域的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量。
【专利附图】
【附图说明】
:
[0017]图1是本发明正弦光强靶标输出装置示意图；
[0018]图2是本发明测量过程结构装置示意图，
[0019]其中，激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一 81、精密导轨一 82、全反射镜一 91、全反射镜二92、精密丝杠二 83、精密导轨二 84、待测自由曲面10、高速高清摄像机11、计算机及软件处理系统12、机床平台主轴13、龙门悬臂梁14。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明做进一步说明:
[0021]请同时参阅图1和图2，本发明自由曲面形貌三维测量装置包括激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一 81、精密导轨一 82、全反射镜一 91、全反射镜二 92、精密丝杠二 83、精密导轨二84、待测自由曲面10、高速高清摄像机11、计算机及软件处理系统12、机床平台主轴13、龙门悬臂梁14。
[0022]其中，光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上。上述元器件全部位于第一组精密丝杠和精密导轨上。
[0023]若采用平行光输出，则后续光路设置2块全反射镜，全反射镜一 91位于单色变倍率镜头后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二 92位于全反射镜一 91后面。全反射镜一 91和全反射镜二 92，均位于第二组精密丝杠和精密导轨上。小视场直接测量，由全反射镜二 92直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二 92在第二组精密丝杠和精密导轨上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
[0024]若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
[0025]正弦光强靶标图像经由全反射镜二 92进入待测自由曲面反射后，进入高速高清摄像机；待测自由曲面置于机床平台主轴上；高速高清摄像机置于龙门悬臂梁上，根据反射光束出射方向，调整并设置高速高清摄像机方向。
[0026]当采用本发明对自由曲面进行三维形貌测量时:
[0027]a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件置于精密丝杠一 81和精密导轨一 82上；全反射镜一 91、全反射镜二 92置于精密丝杠二 83和精密导轨二 84上，前述设备和高速高清摄像机11均置于龙门悬臂梁14上；待测自由曲面10置于机床平台主轴13上；整个光路系统均按照同轴等高原则，如图1、图2位置配置，安装调试计算机及软件处理系统12 ；
[0028]b.激光器I选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7 ；
[0029]c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器I的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0030]d.矩形光栅3，要求占空比不等于1:1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅。此时，去掉频谱选择器5即可；
[0031]e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器I的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0032]f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器(SLM)、数字式微反射镜器件(DMD)、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；
[0033]g.波片6，配合激光器I的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱,对应选择1/4波片或1/2波片,将零级频谱稱合进I级、2级或3级频谱,提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0034]h.精密丝杠一81、精密导轨一82，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅
3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件；
[0035]1.全反射镜一 91、全反射镜二 92，折转光路，通过移动全反射镜二 92，实现大视场扫描;
[0036]j.精密丝杠二83、精密导轨二84，调整及固定全反射镜一91、全反射镜二92，便于实现稳定的大视场扫描；
[0037]k.调整及固定待测自由曲面10于机床平台主轴13上，调整及固定高速高清摄像机11于龙门悬臂梁14上；
[0038]1.高速高清摄像机11采集经定待测自由曲面10输出的图形靶标，并传输至计算机及软件处理系统12 ；
[0039]m.计算机及软件处理系统12，接收高速高清摄像机11采集输出的图形靶标，并进行相应的图像计算处理，输出计算结果，完成自由曲面形貌测量。
[0040]另外，本发明使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可。
[0041]综上所述本发明利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至待测自由曲面表面，进行三维形貌测量的方法和装置；便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量；便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段，所有工艺过程的动态在线检测，不需要补偿板，不需要干涉仪，不需要二次装夹，具有较大实际应用价值。
【权利要求】
1.一种自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，包括信号发生器(14)、待测自由曲面(10)、转轴(13)、信号接收器(11)以及计算机(12)，其中，信号发生器输出对准待测自由曲面，而待测自由曲面设置在转轴上，同时其反射输出对准信号接收器，计算机连接信号接收器用于计算处理，其中，所述信号发生器(14)由发生系统和扫描系统组成，所述发生系统包括精密丝杠一(81)和精密导轨一(82)以及设置在精密导轨上且沿光的传播方向依次设置的激光器(I)、光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)，所述扫描系统输入与发生系统的单色变倍率镜头(7)输出对应，所述矩形光栅(3)位于光束整形系统(2)的后面，并使矩形光栅(3)定位在单色傅立叶变换透镜(4)的前焦平面上；波片(6)及频谱选择器(5)位于单色傅立叶变换透镜(4)的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头(7)的前焦平面上。
2.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述扫描系统包括精密丝杠、精密导轨以及设置在精密导轨内部的全反射镜一(91)和全反射镜二(92)，其中，所述全反射镜一(91)和全反射镜二(92)通过精密丝杠的调节实现在精密导轨上的移动。
3.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述信号发生器(14)和信号接收器(11)设置在不同龙门悬臂梁上的万向支架上，且二者之间相对倾斜。
4.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，当信号发生器(14)单色变倍率镜头(7)出射的光为非平行光时，则在计算处理时，需对该出射的非平性光进行标定处理。
5.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述激光器(I)选择圆光斑输出的单模激光器，且与单色傅立叶变换透镜(4)、波片￠)、单色变倍率镜头(7)进行单色匹配。
6.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述光束整形系统(2)采用激光扩束器设计方式，且激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度。
7.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述矩形光栅(3)占空比不等于1:1，且矩形光栅为正弦光栅时，舍去频谱选择器(5)。
8.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置，其特征在于，所述波片(6)配合激光器(I)的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片。
9.一种自由曲面形貌三维测量方法，其特征在于，若采用平行光输出，则后续光路设置两块全反射镜，全反射镜一(91)位于单色变倍率镜头(7)后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二(92)位于全反射镜一(91)后面；全反射镜一(91)和全反射镜二(92)，均位于精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上；小视场直接测量，由全反射镜二(92)直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二(92)在精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
10.一种自由曲面形貌三维测量方法，其特征在于，若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
【文档编号】G01B11/24GK104374334SQ201410654150
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】任旭升, 李县洛, 腾霖, 陈勇 申请人:中国航空工业第六一八研究所