一種用于非球面光學模具在機檢測的新裝置制造方法
【專利摘要】一種用于非球面光學模具在機檢測的新裝置，其包括：一個激光器、兩個擴束系統(tǒng)、一個縮束系統(tǒng)、一塊分光鏡、一個轉(zhuǎn)換透鏡、兩塊光學平板、四個楔角很小的圓形光楔、一個高帶寬聲光偏轉(zhuǎn)器、兩個空間濾波器、兩塊反射鏡、一個射頻功率放大器、一個直接數(shù)字頻率合成器（DDS）、一個CCD和一臺計算機。在該裝置中，DDS和CCD均與計算機連接，并由計算機控制。本發(fā)明通過計算機程序調(diào)節(jié)DDS頻率控制字使干涉條紋高速變頻，并采用多頻時間序列相位解包裹方法進行條紋圖處理；其條紋變頻的速度達到幾十納秒/幀，因此可實現(xiàn)非球面光學模具的面形在機檢測。
【專利說明】一種用于非球面光學模具在機檢測的新裝置
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明是一種基于光學干涉技術的三維測量裝置，特別是涉及一種用于非球面光學模具在機檢測的新裝置。 【【背景技術】】
[0002]目前各類鏡頭已朝短、小、輕、薄和高像質(zhì)方向發(fā)展，而非球面透鏡的使用成為推動這一趨勢發(fā)展的主導力量。塑膠非球面透鏡(口徑在IOOmm以下)的批量制造主要采用精密注塑成型技術，而玻璃非球面透鏡(口徑在50_以下)的批量制造主要采用熱模壓成型技術，這兩類非球面透鏡的制造都依賴超精密模具的加工，而模具的加工精度和效率便是制約非球面鏡片生產(chǎn)的一個技術瓶頸。如何提高模具的加工精度和效率，其中一個重要的前提就是擁有高效率、高精度的在機面形檢測手段。透鏡模具一般要求面形加工精度在亞微米量級，甚至納米量級，這就要求面形的測量精度更高；同時由于在現(xiàn)場制造中經(jīng)常加工大量尺寸和形狀不同的非球面模具，這就需要一種靈活快速的測量系統(tǒng)以實現(xiàn)多種類型模具面形的測量，其測量的靈活性和測量速度應能滿足在機測量的要求；由于是高精度測量，必然會受到振動噪聲的影響，實際測量中低頻振動的影響遠遠大于高頻振動，在機測量要求測量系統(tǒng)對一般的低頻振動不敏感。在透鏡模具的超精密加工過程中，要達到熱模壓或注塑成型所要求的面形精度，需要進行多次補償加工，而補償量的獲取需要通過滿足上述條件的在機測量裝置來實現(xiàn)，因此，優(yōu)秀的在機面形測量方法將是完成超精密模具加工和透鏡成型的關鍵所在。接觸式二維在機測量方法越來越滯后于模具加工的需求，研究高效率、高精度的三維在機測量方法已是業(yè)內(nèi)急需。
[0003]在先技術之一(參見論文“On-Machine Measurement of Aspherical SurfaceProfile非球面表面輪廓在機測量”，作者:Arai Yoshikazu, Gao Wei, ShimizuHiroki, Kiyono Satoshi and Kuriyagawa Tsunemoto,雜志名:Nanotechnology andPrecision Engineering, 2(3)，210-216頁，2004年)采用接觸式探針測量出非球面模具表面各點的三維坐標值，這種測量方法雖然原理簡單，但測量效率低，在進行測量前期，需預先尋找中心頂點，以頂點為參考點進行測量，測量的速度和精度與確認頂點的誤差有很大關系，而且探針在使用一段時間后，測頭的磨損導致測量誤差偏大，需更換測頭；這種方法只能測量模具的二維截面輪廓，無法得到三維信息，很難用于非回轉(zhuǎn)對稱非球面模具的在機測量；同時，接觸法在測量不同材質(zhì)的模具方面，測頭容易劃傷模具表面或被模具表面劃傷。這些缺點都嚴重制約著接觸式方法在模具在機測量方面的進一步應用。
[0004]在先技術之二(參見書籍“自由曲面光學設計與先進制造技術”，作者:李榮彬，杜雪，張志輝，香港理工大學工業(yè)及系統(tǒng)工程學系先進光學制造中心出版，2005年)利用原子間相互排斥力原理開發(fā)出原子力測量技術，并用于非球面透鏡模具的面形測量。這種方法在本質(zhì)上也屬于接觸式測量，只是測頭接觸力非常小，可在模具表面進行往復式移動獲取三維信息，不過在測量較大模具三維面形時效率依然很低；其缺點類似掃描探針法，如測頭引起的誤差，測量前需尋找中心頂點，等等；再者，其價格非常昂貴。目前此測量系統(tǒng)僅限于尚機測量。
[0005]在先技術之三(參見論文uThe3Dmeasurement and analysis of asphericsurfaces非球面的三維測量與分析”，作者:McBride，J.W.，NPL EngineeringMeasurement Awareness Network Meeting:High Accuracy Freeform Measurementof Optical and Orthopaedic Surfaces, Loughborough,UKj pp.39,2009;論文:“Testing Aspheric Surfaces:Simple Method With a Circular Stop 非球面測試:簡單圓形光闌法”，作者:Andrianto Handojo and Hans J.Frankenaj 期刊:Applied Optics，37(25)，5969-5973， 1998 年；論文“Null Hartmann test for thefabrication process of large aspheric surfaces大型非球面制造中的零哈特曼檢測法”，作者:Ho-Soon Yang, Yun-Woo Lee, Jae-Bong Song, and In-Won Leej 期刊:0pt.Express, 13 (6)，1839-1847，2005年)主要釆用非干涉方法對大型非球面鏡進行離機測量，測量精度不高，不適合非球面光學鏡片模具的在機測量。 [0006]在先技術之四(參見論文:“ComputerGenerated Hologram:Null Lens Test ofAspheric Wavefronts計算全息:非球面波面的零透鏡測試”，作者:J C Wyant and P KO，Neillj 期刊:Appl.0ptj 13 (12)，2762-2765，1974 年;及論文 “Dynamic null lens foraspheric testingusing a membrane mirror米用薄膜鏡制作動態(tài)零透鏡實現(xiàn)非球面檢測”，作者:C.Pruss，H.J.Tiziani，期刊:0ptics Communications，233 (1-3)，15 - 19，2004年；及論文“利用曲面計算全息圖進行非球面檢測”，作者:盧振武，劉華，李鳳有，期刊:光學精密工程，12 (6)，555-559，2004年)釆用零補償透鏡和計算全息干涉法實現(xiàn)非球面的測量，盡管補償干涉法測量精度很高，能滿足模具加工的面形檢測要求，但補償干涉法都需要根據(jù)所測量的非球面特點制作相應的零透鏡、薄膜鏡片或計算全息圖，這大大降低了測量的靈活性，而且極小口徑或高精度的計算全息圖制作非常困難，代價很高。在加工不同類型非球面的透鏡模具時，補償干涉法的測量方案需變更、重新設計和制作，這樣效率太低，無法用于在機測量。
[0007]在先技術之五(參見論文:“AutomatedInterferometric System for AsphericSurface Testing 非球面測試的自動干涉系統(tǒng)”，作者:T.Kanouj Proc.SPIEj 680，p.71，1986 ； 及論 文“Lateral-shearing interferometer using square prisms foroptical testing of aspheric lenses釆用四方棱鏡剪切干涉儀進行非球面透鏡測量”，作者:Seung-Woo Kimj Woo-Jong Cho and Byoung-Chang Kimj 期刊:Meas.Sc1.Technol.，9，1129-1136，1998 年;及論文,System optimizationof radial shearinginterferometer for aspheric testing徑向剪切干涉儀進行非球面測試的系統(tǒng)優(yōu)化”，作者:Dong Liuj Yongying Yang and Yibing Shen，Junmiao Wengj Yongmo Zhuoj Proc.SPIE，6834，68340U，2008 年；及論文 “Aspheric surface testing by aphase-shiftingshearing interferometer相移剪切干涉儀進行非球面測試”，作者:Gao Hong, XinQimingj Huang Kaixiang and Parks Robert E.,期干丨J !Advanced Optical Manufacturingand Testing IV of SPIE, 145-149, 1994年)介紹了剪切干涉技術用于實現(xiàn)非球面的測量。剪切干涉技術不需標準參考面，可通過調(diào)節(jié)剪切量在一定程度上滿足不同類型非球面的面形測量，靈活性很強，已成為非球面測量領域的研究熱點。但目前的研究局限于利用剪切干涉儀進行非球面的離機測量，將其用于非球面模具的在機測量還存在如下問題:1、測量精度偏低，將其用于在機測量時還需考慮更多的誤差因素，如機床本身的振動、氣壓不穩(wěn)和機床油路引起的振動、地基振動等等，其測量精度無法滿足模具加工的要求；2、目前的剪切干涉技術測量效率低，即無法在機實現(xiàn)不同口徑、不同面形、不同非球面度的非球面模具檢測；3、目前剪切干涉以橫向剪切為主，但橫向剪切所獲得的干涉圖并不能反映被測模具的全部面形，要恢復全部面形還需要先后采集相互正交的兩組干涉圖，這會大大影響在機測量的效率。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008]為克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明提出一種用于非球面光學模具面形在機測量的新裝置。
[0009]本發(fā)明解決技術問題的技術方案是:提供一種用于非球面光學模具在機檢測的新裝置，其包括一激光器，其特征在于:沿激光器產(chǎn)生激光的水平前進方向依序設置光學擴束系統(tǒng)、分光鏡、聚焦轉(zhuǎn)換透鏡、被測非球面模具；所述激光再次經(jīng)過分光鏡反射后形成第一垂直光路，在該垂直光路放置第一光學平板，激光通過第一光學平板后形成兩條水平光路，在下面光路a中沿激光前進方向依序設置第一光楔、第二光楔；在上面光路b中沿激光前進方向先后放置第三光楔、第四光楔；在光楔和光楔后放置一高帶寬聲光偏轉(zhuǎn)器，光路a與光路b均通過聲光偏轉(zhuǎn)器，聲光偏轉(zhuǎn)器與射頻功率放大器連接，射頻功率放大器與直接數(shù)字頻率合成器DDS相連，而DDS與計算機相連，并由計算機控制；分別在光路a和b中，位于聲光偏轉(zhuǎn)器之后，根據(jù)光線出射角度放置空間濾波器和反射鏡，在反射鏡之后a光路中放置擴束系統(tǒng)，在b光路中放置縮束系統(tǒng)，在擴束系統(tǒng)與縮束系統(tǒng)后再放置第二光學平板；光路a與b通過第二光學平板后形成第二垂直光路，在該垂直光路沿激光前進方向放置(XD，CXD與計算機相連。
[0010]優(yōu)選地，該擴束系統(tǒng)和縮束系統(tǒng)由完全相同的透鏡組成，保證由此引起的光路a與光路b的光程差相同，其光束口徑可微調(diào)。
[0011]優(yōu)選地,該第一光學平板和第二光學平板為大小相等的長方體，前后面拋光，材料均為K9玻璃，兩平板中心距離為平板厚度的6-8倍。
[0012]優(yōu)選地,該第一光楔、第二光楔，第三光楔和第四光楔為尺寸和材料完全相同的圓形光楔，第一光楔光楔、第二光楔同軸放置在a光路中，無楔角面相對放置并留有極小縫隙，采用電動裝置使它們同步同向/反向繞軸轉(zhuǎn)動；以同樣方式把第三光楔、第四光楔放置在b光路中，操作時繞軸轉(zhuǎn)動；第一光楔與第二光楔形成一個光楔對，同樣，第三光楔與第四光楔也形成一個光楔對，作用是精密調(diào)節(jié)光束到聲光偏轉(zhuǎn)器的布拉格衍射角位置。
[0013]優(yōu)選地，該聲光偏轉(zhuǎn)器可調(diào)制多種波長的激光，其帶寬至少為40MHz，衍射效率大于 60% ；
[0014]優(yōu)選 地，該直接數(shù)字頻率合成器的頻率調(diào)節(jié)范圍大于40MHz。
[0015]本發(fā)明用于非球面光學模具面形在機測量的新裝置通過計算機程序調(diào)節(jié)DDS頻率控制字使干涉條紋高速變頻，并采用多頻時間序列相位解包裹方法進行條紋圖處理；其條紋變頻的速度達到幾十納秒/幀，因此可實現(xiàn)非球面光學模具的面形在機檢測。本發(fā)明將徑向剪切干涉與條紋變頻技術相結(jié)合，可在機快速測量多種口徑的非球面光學模具，并對平面和球面同樣適用，抗機床振動能力較強，可實現(xiàn)加工過程中的在機測量，且其時間序列的條紋變頻功能對測量含有加工缺陷的模具表面非常有效。故本發(fā)明用于非球面光學模具面形在機測量的新裝置可安裝在機床上進行非球面模具加工的在機檢測，利用在時間序列上高速變頻條紋提取相位進而實現(xiàn)模具面形三維測量，其對具有加工缺陷等不連續(xù)區(qū)域的非球面模具測量十分有效。該裝置采用等光程結(jié)構(gòu)，抗振動、噪聲能力強，適合不同口徑的各種面形(包括非球面、球面和平面等)的測量。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0016]圖1為本發(fā)明用于非球面光學模具面形在機測量的新裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【【具體實施方式】】
[0017]請參見圖1，本發(fā)明用于非球面光學模具面形在機測量的新裝置100包括激光器1，沿激光器I產(chǎn)生激光的水平前進方向依序設置光學擴束系統(tǒng)2、分光鏡3、聚焦轉(zhuǎn)換透鏡
4、被測非球面模具5 ;所述激光再次經(jīng)過分光鏡3反射后形成第一垂直光路，在該垂直光路放置第一光學平板6，激光通過第一光學平板6后形成兩條水平光路，在下面光路a中沿激光前進方向依序設置第一光楔7、第二光楔8 ;在上面光路b中沿激光前進方向先后放置第三光楔9、第四光楔10 ;在光楔8和光楔10后放置一高帶寬聲光偏轉(zhuǎn)器11，光路a與光路b均通過聲光偏轉(zhuǎn)器11，聲光偏轉(zhuǎn)器11與射頻功率放大器12連接，射頻功率放大器12與直接數(shù)字頻率合成器DDS13相連，而DDS13與計算機20相連，并由計算機20控制；分別在光路a和b中,位于聲光偏轉(zhuǎn)器11之后，根據(jù)光線出射角度放置空間濾波器14和反射鏡15,在反射鏡15之后a光路中放置擴束系統(tǒng)16，在b光路中放置縮束系統(tǒng)17，在16與17后再放置第二光學平板18 ;光路a與b通過第二光學平板18后形成第二垂直光路,在該垂直光路沿激光前進方向放置(XD19，(XD19與計算機20相連。
[0018]該激光器I主要為半導體激光器，可采用幾種不同的波長，以514nm波長為主。
[0019]該轉(zhuǎn)換透鏡4為聚焦透鏡，它可以是透鏡組合，其放置位置為焦點與被測非球面頂點曲面的焦點重合。該轉(zhuǎn)換透鏡4可針對不同口徑的被測非球面模具而進行更換。
[0020]該擴束系統(tǒng)16和縮束系統(tǒng)17由完全相同的透鏡組成，保證由此引起的光路a與光路b的光程差相同，其光束口徑可微調(diào)。
[0021]該第一光學平板6和第二光學平板18為大小相等的長方體，前后面拋光，材料均為K9玻璃，兩平板中心距離可具體調(diào)整，一般為平板厚度的6-8倍。兩光學平板形成的光路a與b之間的中心距離Λ S與第一光學平板6的厚度Cltl和入射光線與第一光學平板6前表面法線夾角Θ有關，即
[0022]
【權利要求】
1.一種用于非球面光學模具在機檢測的新裝置，其包括一激光器，其特征在于:沿激光器產(chǎn)生激光的水平前進方向依序設置光學擴束系統(tǒng)、分光鏡、聚焦轉(zhuǎn)換透鏡、被測非球面模具；所述激光再次經(jīng)過分光鏡反射后形成第一垂直光路，在該垂直光路放置第一光學平板，激光通過第一光學平板后形成兩條水平光路，在下面光路a中沿激光前進方向依序設置第一光楔、第二光楔；在上面光路b中沿激光前進方向先后放置第三光楔、第四光楔；在光楔和光楔后放置一高帶寬聲光偏轉(zhuǎn)器，光路a與光路b均通過聲光偏轉(zhuǎn)器,聲光偏轉(zhuǎn)器與射頻功率放大器連接，射頻功率放大器與直接數(shù)字頻率合成器DDS相連，而DDS與計算機相連，并由計算機控制；分別在光路a和b中，位于聲光偏轉(zhuǎn)器之后，根據(jù)光線出射角度放置空間濾波器和反射鏡，在反射鏡之后a光路中放置擴束系統(tǒng)，在b光路中放置縮束系統(tǒng)，在擴束系統(tǒng)與縮束系統(tǒng)后再放置第二光學平板；光路a與b通過第二光學平板后形成第二垂直光路，在該垂直光路沿激光前進方向放置CCD，CCD與計算機相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于非球面光學模具在機檢測的新裝置，其特征在于:該擴束系統(tǒng)和縮束系統(tǒng)由完全相同的透鏡組成，保證由此引起的光路a與光路b的光程差相同，其光束口徑可微調(diào)。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于非球面光學模具在機檢測的新裝置，其特征在于:該第一光學平板和第二光學平板為大小相等的長方體，前后面拋光，材料均為K9玻璃，兩平板中心距離為平板厚度的6-8倍。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于非球面光學模具在機檢測的新裝置，其特征在于:該第一光楔、第二光楔，第三光楔和第四光楔為尺寸和材料完全相同的圓形光楔，第一光楔光楔、第二光楔同軸放置在a光路中，無楔角面相對放置并留有極小縫隙，采用電動裝置使它們同步同向/反向繞軸轉(zhuǎn)動；以同樣方式把第三光楔、第四光楔放置在b光路中，操作時繞軸轉(zhuǎn)動；第一光楔與第二光楔形成一個光楔對，同樣，第三光楔與第四光楔也形成一個光楔對，作用是精密調(diào)節(jié)光束到聲光偏轉(zhuǎn)器的布拉格衍射角位置。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于非球面光學模具在機檢測的新裝置，其特征在于:該聲光偏轉(zhuǎn)器可調(diào)制多種波長的激光，其帶寬至少為40MHz，衍射效率大于60% ；
6.根據(jù)權利要求1所述的用于非球面光學模具在機檢測的新裝置置，其特征在于:該直接數(shù)字頻率合成器的頻率調(diào)節(jié)范圍大于40MHz。
【文檔編號】G01B11/24GK103968776SQ201410009017
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權日:2013年1月8日
【發(fā)明者】朱勇建, 潘衛(wèi)清 申請人:浙江科技學院