基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有檢測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，包括激光測距儀、二維平移臺和垂直升降臺；所述二維平移臺包括X軸移動裝置和Y軸移動裝置，所述垂直升降臺安裝在Y軸移動裝置上，所述二維平移臺與平移臺控制器電連接，垂直升降臺與升降臺控制器電連接；所述平移臺控制器、升降臺控制器經(jīng)調(diào)度控制器，與上位機電連接。檢測光學(xué)鏡面的方法是將被測鏡面固定安裝上述裝置上，經(jīng)網(wǎng)格掃描后得到三維坐標(biāo)值，代入曲面方程中擬合得到被測鏡面的三維坐標(biāo)方程。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。
【專利說明】
基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光學(xué)鏡面的檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對光學(xué)元件的需求也日益增多。光學(xué)元件加工通 常采用傳統(tǒng)的研磨和拋光方法，這就需要檢測光學(xué)元件的面形是否符合加工要求。光學(xué)面 形檢測方法主要分為接觸式檢測和非接觸式檢測兩大類。接觸式檢測最常見的是三坐標(biāo)測 量法，代表性的產(chǎn)品有英國Form Talysurf PGL1240型非球面表面輪廓儀，其最突出的缺點 是可能會損毀被測表面且運算過程較為復(fù)雜。目前工廠中一般使用接觸式球徑儀對光學(xué)鏡 面進行粗磨檢測，這種測量方法雖然原理簡單，但是由于測量點有限，網(wǎng)格較粗，效率低下， 而且因為是接觸式測量，所以不適合檢測晶體等表面較軟的鏡片，同時對于表面光潔度要 求較高的鏡面也存在檢測困難。由于上述原因，使得接觸式檢測這類儀器很難在光學(xué)元件 表面形狀的測量中發(fā)揮作用，這就促使國內(nèi)外學(xué)者較多的致力于研究和開發(fā)非接觸式測量 方法。
[0003] 非接觸式檢測大致可以歸納為幾何光線法和干涉法。其中，幾何光線法定量測量 主要作為光學(xué)零件研磨后期及粗拋光階段的面形檢測方法，干涉法檢測則是目前精密拋光 后高精度面形檢測的主要方法。現(xiàn)已研究出的非接觸式球徑儀雖然測量精度高，但市場價 格十分昂貴，在光學(xué)元件粗磨階段性價比較低。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 為解決現(xiàn)有非接觸式光學(xué)面形檢測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高的問題，本實用新 型提供一種基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)，其技術(shù)方案如下：
[0005] 包括激光測距儀、二維平移臺和垂直升降臺；
[0006] 所述激光測距儀包括激光掃描控制器，激光掃描控制器與激光感測頭電連接，激 光掃描控制器與監(jiān)視器電連接；
[0007] 所述二維平移臺包括X軸移動裝置和Y軸移動裝置，Y軸移動裝置安裝在X軸移動裝 置上;X軸移動裝置包括X軸導(dǎo)軌，X軸導(dǎo)軌頂部滑動安裝有X軸滑塊，X軸滑塊中部的內(nèi)螺紋 中安裝有X軸滾珠絲杠，X軸滾珠絲杠與X軸步進電機聯(lián)接，X軸步進電機固定安裝在X軸導(dǎo)軌 上;Y軸移動裝置包括安裝在X軸滑塊頂部的Y軸導(dǎo)軌，Y軸導(dǎo)軌頂部滑動安裝有Y軸滑塊，Y軸 滑塊中部的內(nèi)螺紋中安裝有Y軸滾珠絲杠，Y軸滾珠絲杠與Y軸步進電機聯(lián)接，Y軸步進電機 固定安裝在Y軸導(dǎo)軌上；
[0008] 所述垂直升降臺安裝在Y軸滑塊上，垂直升降臺包括臺面和Z軸導(dǎo)軌，Z軸導(dǎo)軌固定 安裝在Y軸滑塊上，Z軸導(dǎo)軌上滑動安裝有Z軸滑塊，臺面安裝在Z軸滑塊上，Z軸滑塊中部的 內(nèi)螺紋中安裝有Z軸滾珠絲杠，Z軸滾珠絲杠與Z軸步進電機聯(lián)接，Z軸步進電機固定安裝在Z 軸導(dǎo)軌上，激光感測頭位于臺面上方；
[0009] 所述X軸步進電機與平移臺控制器電連接，Y軸步進電機與平移臺控制器電連接，Z 軸步進電機與升降臺控制器電連接；
[0010] 所述平移臺控制器與調(diào)度控制器電連接，升降臺控制器與調(diào)度控制器電連接，激 光掃描控制器與調(diào)度控制器電連接，調(diào)度控制器與上位機電連接。
[0011] 上述結(jié)構(gòu)中的X軸導(dǎo)軌沿水平面內(nèi)的X軸方向延伸，Y軸導(dǎo)軌沿水平面內(nèi)的Y軸方向 延伸，Z軸導(dǎo)軌位于豎直面內(nèi)，Z軸導(dǎo)軌垂直于X軸導(dǎo)軌，Z軸導(dǎo)軌垂直于Y軸導(dǎo)軌。
[0012] 優(yōu)選地，所述激光測距儀采用基恩士公司生產(chǎn)的LT-9031高精度激光測量儀；
[0013] 所述調(diào)度控制器采用的核心控制芯片為STM32F107VCT6芯片；
[0014]所述平移臺控制器采用美國丹納赫集團生產(chǎn)的ULTI-MAC-G型運動控制器；
[0015]所述二維平移臺采用美國丹納赫集團生產(chǎn)的XYR-8080型二維移動平臺；
[0016] 所述垂直升降臺采用卓立漢光公司生產(chǎn)的KSAV2030-ZF高精密電控升降臺，升降 臺控制器采用卓立漢光公司生產(chǎn)的SC300-1B控制器。
[0017]采用上述基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)來檢測光學(xué)鏡面的方法，包 括以下順序步驟：
[0018]步驟1:將被測鏡面固定安裝在垂直升降臺的臺面上，使被測鏡面位于激光感測頭 下方，調(diào)節(jié)被測鏡面與激光感測頭之間的初始距離，使初始距離大于被測鏡面的弧高，則位 于激光感測頭豎直下方的被測鏡面的投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點；
[0019] 將當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值設(shè)定為〇，Y坐標(biāo)值設(shè)定為〇;
[0020] 按以下方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值:通過上位機、調(diào)度控制器、激光掃描控制 器檢測基準(zhǔn)點與當(dāng)前被測點之間的距離，如果該距離高于激光測距儀的測量范圍上限，則 通過上位機、調(diào)度控制器、升降臺控制器使Z軸步進電機旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使垂直升降臺的臺面 上的被測鏡面沿Z軸導(dǎo)軌下降到激光測距儀的測量范圍內(nèi)，然后通過激光掃描控制器讀取 檢測基準(zhǔn)點與當(dāng)前被測點之間的距離，將此距離與垂直升降臺的臺面下降的距離之和，作 為當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值;通過上位機、調(diào)度控制器、激光掃描控制器檢測基準(zhǔn)點與當(dāng)前被 測點之間的距離，如果該距離低于激光測距儀的測量范圍下限，則通過上位機、調(diào)度控制 器、升降臺控制器使Z軸步進電機反向旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使垂直升降臺的臺面上的被測鏡面沿Z 軸導(dǎo)軌上升到激光測距儀的測量范圍內(nèi)，然后通過激光掃描控制器讀取檢測基準(zhǔn)點與當(dāng)前 被測點之間的距離，將此距離與垂直升降臺的臺面上升的距離之差，作為當(dāng)前被測點的Z坐 標(biāo)值；
[0021 ]步驟2:按以下順序步驟獲取其余被測點的三維坐標(biāo)值：
[0022] 步驟2.1:通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使Y軸步進電機旋轉(zhuǎn)，從 而驅(qū)使被測鏡面沿Y軸導(dǎo)軌移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭豎直下方的被測鏡面的投影 區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點，當(dāng)前被測點的Y坐標(biāo)值為上一個被測點的Y坐標(biāo)值加上被測鏡面沿Y 軸導(dǎo)軌移動一個步數(shù)的距離之和，當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值與上一個被測點的X坐標(biāo)值相同， 然后通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0023] 步驟2.2:重復(fù)M次步驟2.1，得至IjM個被測點的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值和Z坐標(biāo)值，其中M 為大于1的正整數(shù)；
[0024] 步驟2.3:然后通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使X軸步進電機旋 轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使被測鏡面沿X軸導(dǎo)軌移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭豎直下方的被測鏡面的 投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點，當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值為上一個被測點的X坐標(biāo)值加上被測鏡面 沿X軸導(dǎo)軌移動一個步數(shù)的距離之和，當(dāng)前被測點的Y坐標(biāo)值與上一個被測點的Y坐標(biāo)值相 同，通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0025] 步驟2.4:然后通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使Y軸步進電機反 向旋轉(zhuǎn)，即與步驟2.1中的Y軸步進電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，從而驅(qū)使被測鏡面沿Y軸導(dǎo)軌反向 移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭豎直下方的被測鏡面的投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點，當(dāng)前 被測點的Y坐標(biāo)值為上一個被測點的Y坐標(biāo)值減去被測鏡面沿Y軸導(dǎo)軌移動一個步數(shù)的距離 之差，通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0026] 步驟2.5:重復(fù)M次步驟2.4，得到M個被測點的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值和Z坐標(biāo)值，其中M 為大于1的正整數(shù)；
[0027] 步驟2.6:然后通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使X軸步進電機旋 轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使被測鏡面沿X軸導(dǎo)軌移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭豎直下方的被測鏡面的 投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點，當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值為上一個被測點的X坐標(biāo)值加上被測鏡面 沿X軸導(dǎo)軌移動一個步數(shù)的距離之和，當(dāng)前被測點的Y坐標(biāo)值與上一個被測點的Y坐標(biāo)值相 同，通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0028] 步驟3:重復(fù)若干次步驟2過程，得到網(wǎng)格掃描后的被測鏡面的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值和 Z坐標(biāo)值；
[0029] 步驟4:將步驟1、步驟2和步驟3中得到的被測鏡面的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值和Z坐標(biāo)值 代入以下公式中：
[0030] Z = ai+a2Xi+a3Y2+a4X2+a5XY+a6Y2+a7X 3+a8X2Y+a9XY2+aioY3
[0031 ] 然后用最小二乘法從上式中解算出參數(shù)ai、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、aioj]flJ^J^ 得到被測鏡面的三維坐標(biāo)方程。
[0032] 本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、擴展性強、靈活度高，可以對光學(xué)鏡面進行自 動化、非接觸式檢測，可以實現(xiàn)對中、小口徑光學(xué)鏡面的粗磨檢測。
[0033] 本實用新型將被測物體置于所在平臺運動，而激光測量頭不動，與傳統(tǒng)通過移動 激光束進行掃描不同，這種設(shè)計可以避免感測頭內(nèi)部音叉即擺動元件由于受到外界震動而 發(fā)生故障，造成測量錯誤，提高測量值的精度和穩(wěn)定性。
[0034] 本實用新型克服接觸式測量的不足，采用成熟的部件搭建，提供一種基于激光掃 描法的非接觸式面形自動檢測儀器系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)了一鍵式面形數(shù)據(jù)測量。解決了中、小 口徑光學(xué)元件在粗磨階段的面形檢測問題，具有分辨率高、可靠性強、穩(wěn)定性好等特點，可 用于對球面鏡的測量，且精度高于一般工廠中使用的接觸式球徑儀。同時，對雙曲面、拋物 面等非球面光學(xué)元件也具有檢測功能，甚至在一定程度上可以檢測高次非球面面形?？梢?滿足中小民營企業(yè)的需求，為其提供相對低成本的粗磨檢測設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0035]圖1為本實用新型的電路結(jié)構(gòu)不意圖；
[0036] 圖2為本實用新型中的激光感測頭的工作示意圖；
[0037] 圖3為本實用新型中的調(diào)度控制器程序流程圖；
[0038]圖4為本實用新型中的調(diào)度控制器的電路原理圖；
[0039]圖5為采用本實用新型系統(tǒng)時的軟件控制界面；
[0040]圖6為被采集點的頂視圖；
[0041 ]圖7為采用本實用新型所擬合的光學(xué)曲面三維圖；
[0042]圖8為采用本實用新型所擬合的完整球面效果圖；
[0043]圖9為本實用新型的主視圖。
【具體實施方式】
[0044] 如圖1和圖9所示的基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)，包括激光測距 儀、二維平移臺和垂直升降臺；
[0045] 所述激光測距儀包括激光掃描控制器，激光掃描控制器與激光感測頭10電連接， 激光掃描控制器與監(jiān)視器電連接；
[0046] 所述二維平移臺包括X軸移動裝置和Y軸移動裝置，Y軸移動裝置安裝在X軸移動裝 置上;X軸移動裝置包括X軸導(dǎo)軌1，X軸導(dǎo)軌1頂部滑動安裝有X軸滑塊3，X軸滑塊3中部的內(nèi) 螺紋中安裝有X軸滾珠絲杠，X軸滾珠絲杠與X軸步進電機2聯(lián)接，X軸步進電機2固定安裝在X 軸導(dǎo)軌1上;Y軸移動裝置包括安裝在X軸滑塊3頂部的Y軸導(dǎo)軌5, Y軸導(dǎo)軌5頂部滑動安裝有Y 軸滑塊6，Y軸滑塊6中部的內(nèi)螺紋中安裝有Y軸滾珠絲杠，Y軸滾珠絲杠與Y軸步進電機4聯(lián) 接，Y軸步進電機4固定安裝在Y軸導(dǎo)軌5上；
[0047]所述垂直升降臺安裝在Y軸滑塊6上，垂直升降臺包括臺面12和Z軸導(dǎo)軌8，Z軸導(dǎo)軌 8固定安裝在Y軸滑塊6上，Z軸導(dǎo)軌8上滑動安裝有Z軸滑塊9,臺面12安裝在Z軸滑塊9上，Z軸 滑塊9中部的內(nèi)螺紋中安裝有Z軸滾珠絲杠，Z軸滾珠絲杠與Z軸步進電機7聯(lián)接，Z軸步進電 機7固定安裝在Z軸導(dǎo)軌8上，激光感測頭10位于臺面12上方；
[0048] 所述X軸步進電機2與平移臺控制器電連接，Y軸步進電機4與平移臺控制器電連 接，Z軸步進電機7與升降臺控制器電連接；
[0049] 所述平移臺控制器與調(diào)度控制器電連接，升降臺控制器與調(diào)度控制器電連接，激 光掃描控制器與調(diào)度控制器電連接，調(diào)度控制器與上位機電連接。
[0050] 所述激光測距儀采用基恩士公司生產(chǎn)的LT-9031高精度激光測量儀；
[0051 ] 所述調(diào)度控制器采用的核心控制芯片為STM32F107VCT6芯片；
[0052]所述平移臺控制器采用美國丹納赫集團生產(chǎn)的ULTI-MAC-G型運動控制器；
[0053]所述二維平移臺采用美國丹納赫集團生產(chǎn)的XYR-8080型二維移動平臺；使用時， 由于XYR-8080型二維移動平臺有兩個電機，可以將其中一個電機視為X軸步進電機，其所驅(qū) 動的滑塊即為X軸滑塊，另一個電機即為Y軸步進電機，其所驅(qū)動的滑塊即為Y軸滑塊；
[0054] 所述垂直升降臺采用卓立漢光公司生產(chǎn)的KSAV2030-ZF高精密電控升降臺，升降 臺控制器采用卓立漢光公司生產(chǎn)的SC300-1B控制器，安裝時，使KSAV2030-ZF高精密電控升 降臺的驅(qū)動電機的軸線垂直于XYR-8080型二維移動平臺的驅(qū)動電機的軸線，則KSAV2030-ZF高精密電控升降臺的驅(qū)動電機構(gòu)成Z軸步進電機，其所驅(qū)動的滑塊即為Z軸滑塊。
[0055] 采用上述基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)來檢測光學(xué)鏡面的方法，包 括以下順序步驟：
[0056] 步驟1:將被測鏡面11固定安裝在垂直升降臺的臺面12上，使被測鏡面11位于激光 感測頭10下方，調(diào)節(jié)被測鏡面11與感測頭之間的初始距離，使初始距離大于被測鏡面11的 弧高，則位于激光感測頭10豎直下方的被測鏡面11的投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點；
[0057]將當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值設(shè)定為0，Y坐標(biāo)值設(shè)定為0;
[0058]按以下方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值:通過上位機、調(diào)度控制器、激光掃描控制 器檢測基準(zhǔn)點與當(dāng)前被測點之間的距離，如果該距離高于激光測距儀的測量范圍上限，則 通過上位機、調(diào)度控制器、升降臺控制器使Z軸步進電機7旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使垂直升降臺的臺面 12上的被測鏡面11沿Z軸導(dǎo)軌8下降到激光測距儀的測量范圍內(nèi)，然后通過激光掃描控制器 讀取檢測基準(zhǔn)點與當(dāng)前被測點之間的距離，將此距離與垂直升降臺的臺面12下降的距離之 和，作為當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值;通過上位機、調(diào)度控制器、激光掃描控制器檢測基準(zhǔn)點與當(dāng) 前被測點之間的距離，如果該距離低于激光測距儀的測量范圍下限，則通過上位機、調(diào)度控 制器、升降臺控制器使Z軸步進電機7反向旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使垂直升降臺的臺面12上的被測鏡 面11沿Z軸導(dǎo)軌8上升到激光測距儀的測量范圍內(nèi)，然后通過激光掃描控制器讀取檢測基準(zhǔn) 點與當(dāng)前被測點之間的距離，將此距離與垂直升降臺的臺面12上升的距離之差，作為當(dāng)前 被測點的Z坐標(biāo)值；
[0059]步驟2:按以下順序步驟獲取其余被測點的三維坐標(biāo)值：
[0060] 步驟2.1:通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使Y軸步進電機4旋轉(zhuǎn)， 從而驅(qū)使被測鏡面11沿Y軸導(dǎo)軌5移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭10豎直下方的被測鏡面 11的投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點，當(dāng)前被測點的Y坐標(biāo)值為上一個被測點的Y坐標(biāo)值加上被測 鏡面11沿Y軸導(dǎo)軌5移動一個步數(shù)的距離之和，當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值與上一個被測點的X坐 標(biāo)值相同，然后通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0061 ] 步驟2.2:重復(fù)M次步驟2.1，得到M個被測點的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值和Z坐標(biāo)值，其中M 為大于1的正整數(shù)；
[0062] 步驟2.3:然后通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使X軸步進電機2旋 轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使被測鏡面11沿X軸導(dǎo)軌1移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭10豎直下方的被測 鏡面11的投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點，當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值為上一個被測點的X坐標(biāo)值加上 被測鏡面11沿X軸導(dǎo)軌1移動一個步數(shù)的距離之和，當(dāng)前被測點的Y坐標(biāo)值與上一個被測點 的Y坐標(biāo)值相同，通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0063] 步驟2.4:然后通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使Y軸步進電機4反 向旋轉(zhuǎn)，即與步驟2.1中的Y軸步進電機4的旋轉(zhuǎn)方向相反，從而驅(qū)使被測鏡面11沿Y軸導(dǎo)軌5 反向移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭1 〇豎直下方的被測鏡面11的投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測 點，當(dāng)前被測點的Y坐標(biāo)值為上一個被測點的Y坐標(biāo)值減去被測鏡面11沿Y軸導(dǎo)軌5移動一個 步數(shù)的距離之差，通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0064] 步驟2.5:重復(fù)M次步驟2.4，得到M個被測點的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值和Z坐標(biāo)值，其中M 為大于1的正整數(shù)；
[0065] 步驟2.6:然后通過上位機和調(diào)度控制器控制平移臺控制器，驅(qū)使X軸步進電機2旋 轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使被測鏡面11沿X軸導(dǎo)軌1移動一個步數(shù)，則位于激光感測頭10豎直下方的被測 鏡面11的投影區(qū)域構(gòu)成當(dāng)前被測點，當(dāng)前被測點的X坐標(biāo)值為上一個被測點的X坐標(biāo)值加上 被測鏡面11沿X軸導(dǎo)軌1移動一個步數(shù)的距離之和，當(dāng)前被測點的Y坐標(biāo)值與上一個被測點 的Y坐標(biāo)值相同，通過步驟1中的方法檢定當(dāng)前被測點的Z坐標(biāo)值；
[0066] 步驟3:重復(fù)若干次步驟2過程，得到網(wǎng)格掃描后的被測鏡面11的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值 和Z坐標(biāo)值；
[0067] 步驟4:將步驟I、步驟2和步驟3中得到的被測鏡面11的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值和Z坐標(biāo) 值代入以下公式中：
[0068] Z = ai+a2Xi+a3Y2+a4X2+a5XY+a6Y2+a7X 3+a8X2Y+a9XY2+aioY3
[0069] 然后用最小二乘法從上式中解算出參數(shù)ai、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、aioj]flJ^J^ 得到被測鏡面11的三維坐標(biāo)方程。
[0070] 本實用新型采用的是幾何光線法中的激光掃描法，利用X軸/y軸二維平移臺的運 動實現(xiàn)網(wǎng)格掃描，并附加有z軸升降臺調(diào)整測量范圍，感測頭基于共焦顯微鏡原理，探測器 接收由被測面反射的光線，根據(jù)光斑的不同位置擬合各點數(shù)據(jù)得到表面面形，最后繪制出 直觀的曲面三維圖，并計算出相關(guān)光學(xué)參數(shù)。
[0071] 具體原理如下：
[0072] 本實用新型設(shè)計的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由激光掃描控制器、激光感測 頭、監(jiān)視器、平移臺控制器、二維平移臺、升降臺控制器、垂直升降臺、調(diào)度控制器和PC上位 機組成。按照功能劃分，可以分為激光測量儀系統(tǒng)、平臺運動控制系統(tǒng)、PC上位機、調(diào)度控制 器四部分。
[0073] 本實用新型系統(tǒng)各部分設(shè)備的具體說明如下：
[0074]激光測量儀系統(tǒng)：
[0075]該系統(tǒng)的測量部件為基恩士公司生產(chǎn)的LT-9031高精度激光測量儀。該測量儀的 分辨率為〇.3um，光點直徑大約7um，基準(zhǔn)距離為30mm，測量精度為6um。測量范圍上下限為土 1_，采集數(shù)據(jù)時，可自行判斷被測點是否在量程范圍內(nèi)，若被測點超出測量上下限，激光測 量系統(tǒng)通過串口有相應(yīng)反饋，據(jù)此，可以移動Z軸平臺使待測點回到量程內(nèi)。工作時，感測頭 內(nèi)部的半導(dǎo)體鐳射產(chǎn)生激光，音叉開始擺動，透鏡組使激光在被測面上聚焦的同時在受光 原件上也聚焦，受光元件一旦感受到較大的光強的同時，感測器立即記錄音叉的相位，計算 出被測面與基準(zhǔn)點之間的距離并傳回，工作示意圖如圖2;
[0076]平臺運動控制系統(tǒng)：
[0077]平臺運動控制系統(tǒng)由二維平移臺和垂直升降臺兩部分構(gòu)成。二維平移臺運動范圍 為150mm(x軸)*150mm(y軸），這兩個值決定了系統(tǒng)能測量的最大鏡面直徑，對中、小口徑的 光學(xué)元件來說已經(jīng)足夠，雙向重復(fù)定位精度為6um。由于激光頭動態(tài)范圍有限，本實用新型 增加了垂直升降臺來擴大最大弧高的測量范圍，其運動范圍為30mm，雙向重復(fù)定位精度為 5um。各軸的運動控制系統(tǒng)均使用步進電機，在經(jīng)過調(diào)整、測試后不存在丟步的情況，無需使 用編碼器；
[0078]調(diào)度控制器：
[0079] 本實用新型設(shè)計碼率較低，激光測量儀系統(tǒng)、平臺運動控制系統(tǒng)與上位機之間的 通信均通過RS 232串口進行，并作了一體化集成?？紤]到現(xiàn)在的計算機一般都只有一個串 口，無法同時控制三臺設(shè)備，設(shè)計制作調(diào)度控制器完成一對三的指令分配和調(diào)度，調(diào)度控制 器程序流程圖如圖3所示；
[0080] 調(diào)度控制器采用的核心控制芯片為STM32F107系列。該芯片內(nèi)核為ARM32位 Cortex-M3CPU，最高工作頻率可達72MHz，片上集成256KB的Flash存儲器和64KB的SRAM存儲 器，具有休眠、停止、待機三種低功耗模式，其內(nèi)部自帶4個串口，其中串口 1與PC上位機相 連、串口 2與激光測量儀相連、串口 3與平移臺控制器相連、串口 4與垂直升降臺控制器相連， 2個USB接口可通過USB接口輸出信號，調(diào)度控制器的電路原理圖如圖4所示；
[0081] PC上位機：
[0082] 上位機控制程序采用visual studio2015編寫，基于C#.NET框架進行開發(fā)。上位機 系統(tǒng)分為通信、參數(shù)設(shè)置、實時采樣、計算結(jié)果四個模塊，并遵循用戶為本的設(shè)計原則開發(fā) 了人機交互界面，如圖5所示。上位機實現(xiàn)根據(jù)用戶要求向各控制器發(fā)送控制指令，采集的 數(shù)據(jù)并依照自定義.dat的格式作為原始數(shù)據(jù)存儲到計算機中，并可通過數(shù)據(jù)處理模塊處 理，完成曲面擬合并給出三維曲面面形圖。
[0083]本實用新型系統(tǒng)采用的激光測量儀測量范圍在基準(zhǔn)距點± Imm以內(nèi)，對于鏡面厚 度差超過2_的光學(xué)元件，需要通過控制升降臺運動，調(diào)整被測點至激光測量儀測量范圍以 內(nèi)，進行數(shù)據(jù)采集。自動測量的具體步驟如下：
[0084] (1)固定好激光感測頭、二維平移臺、垂直升降臺，調(diào)節(jié)被測鏡面與感測頭之間的 基準(zhǔn)距離，大約30mm，確定好基準(zhǔn)坐標(biāo)；
[0085] (2)在檢測系統(tǒng)的人機交互界面打開可用的串口號，輸入帶測鏡面的大概直徑和 測量點之間的間隔數(shù)值，以此確定采集點個數(shù)；
[0086] (3)按下"開始"鍵對光學(xué)元件表面進行網(wǎng)格式掃描。首先，程序控制激光測量儀自 動檢測被測點與基準(zhǔn)點之間的距離dh，若反饋指令為HI，則控制平臺在Z軸方向下降I dz I， 由于激光測量儀測量范圍為2_，為了有效擴展其測量范圍，dz的值應(yīng)為1.8mm的整數(shù)倍，若 反饋指令為L0,則控制平臺在Z軸方向上升I dz I，當(dāng)被測點落入有效測量范圍內(nèi)時，測量儀 立即對被測點進行多次測量并計算出平均值dh，根據(jù)公式Z = dh-dz，得到被采集點相對基 準(zhǔn)點的Z軸坐標(biāo)，然后將該點的三維坐標(biāo)以.dat的格式記錄到計算機中。重復(fù)上述過程完成 網(wǎng)格式掃描；
[0087] (4)程序根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)進行三維曲面擬合。對于任意三次曲面都可以用冪 基函數(shù)表示為：
[0088]
[0089] 令z = f(x，y)，k= (Xi，yi)，ki表示曲面的坐標(biāo)(Xi，yi)，i = l，2,…，N，其對應(yīng)基函數(shù) 為Eb1GO，b2(k)，…，bn(k)]，對于Iu有線性關(guān)系
[0090] j
⑵
[0093] 式中:E(f)為誤差的平方和，要使得E(f)最小，則：
[0091] 其甲，b'k)=x丫，U^；s+t<n，s彡0，t彡0, j = l，2,…，ruai#，···，an為待定的系 數(shù)矢量。利用最小二乘法進行擬合，使得測量的曲面數(shù)據(jù)和真實曲面數(shù)據(jù)之差的平方和最 小，即：
[0092] (3)
[0094]
⑷：
[0095] 由式(2)-(4)得：
[0096；
[0097；
[0098；
[0099；
[0100] 得到一個一艤線?生萬桎紐，桎序利用此萬桎紐，铦甘所米果的數(shù)聒果算出極測囬 形的曲率半徑以及誤差范圍。
[0101] 技術(shù)效果：
[0102] 系統(tǒng)初步搭建完畢后，首先對已知曲率半徑為145.379mm的球面鏡進行面形檢測， 參照所設(shè)定原點采集到的絕對坐標(biāo)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。
[0103] 表1實驗采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)
[

L0106」經(jīng)程序米集計算后得出被測光學(xué)兀仵曲率半社為146.330mm，與買際參數(shù)偏差 0.951mm，誤差較大，考慮到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和平臺運動所產(chǎn)生的起伏，應(yīng)對系統(tǒng)進行校正以減小 系統(tǒng)誤差。因此可使平臺空載運動，測量此時與被測鏡面采集點相對應(yīng)的平面上點的坐標(biāo) 數(shù)據(jù)，再與測量值進行運算達到減小系統(tǒng)誤差的目的。表2為多次測量取平均后所得的平臺 校準(zhǔn)部分?jǐn)?shù)據(jù)坐標(biāo)。
[0107]表2平臺校準(zhǔn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

[0110] 圖6為被測鏡面的數(shù)據(jù)采集區(qū)域頂視圖，圖中由內(nèi)向外的鏡面高度逐漸下降。經(jīng)過 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)減小系統(tǒng)誤差后，可得被測光學(xué)元件的曲率半徑為145.164_，擬合后的三維效果 如圖7所示，通過圖8可以看出該被測鏡面為完整球面上的一部分，與實際參數(shù)相差 0.215mm，誤差在±0.148% 以內(nèi)。
[0111] 實驗證明，本文所研究的面形檢測系統(tǒng)的誤差在±0.2%以內(nèi)，經(jīng)過硬件升級和算 法改進后，精度還有提升空間，符合設(shè)計需求。
[0112] 本實用新型的技術(shù)效果在于：
[0113]基于激光掃描法、利用共焦顯微鏡原理采集數(shù)據(jù)的非接觸式面形檢測方法無需再 直接接觸待測元件表面，避免了對元件的損壞，同時填補了接觸式測量的空缺，對晶體等表 面較軟的光學(xué)元件也具備檢測能力；
[0114] 本實用新型所設(shè)計的自動測量儀器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、成本適當(dāng)，較好的 達到了測量精度的要求，并且可實現(xiàn)一鍵式面形數(shù)據(jù)測量；
[0115] 在實際運用中，本實用新型系統(tǒng)除了可以檢測得到球面鏡面形數(shù)據(jù)，同時對雙曲 面、拋物面等非球面光學(xué)元件也具有檢測功能，甚至在一定程度上可以檢測高次非球面面 形。
[0116] 綜上所述，本實用新型設(shè)計的基于激光掃描法的非接觸式面形檢測系統(tǒng)具有分辨 率高、穩(wěn)定性好、擴展性強等特點，且成本較低、精度高于一般工廠中使用的接觸式球徑儀， 對多種材質(zhì)和面形的光學(xué)元件均具有檢測能力，可實現(xiàn)自動化測量、一鍵式得到面形數(shù)據(jù)。 本實用新型的研制成功將為科研機構(gòu)和中小民營企業(yè)提供一套相對低成本的粗磨檢測設(shè) 備和方法，具有顯著的現(xiàn)實意義和良好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項】
1. 基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)，其特征在于： 包括激光測距儀、二維平移臺和垂直升降臺； 所述激光測距儀包括激光掃描控制器，激光掃描控制器與激光感測頭（10)電連接，激 光掃描控制器與監(jiān)視器電連接； 所述二維平移臺包括X軸移動裝置和Y軸移動裝置，Y軸移動裝置安裝在X軸移動裝置 上;X軸移動裝置包括X軸導(dǎo)軌（l)，x軸導(dǎo)軌（1)頂部滑動安裝有X軸滑塊(3)，X軸滑塊(3)中 部的內(nèi)螺紋中安裝有X軸滾珠絲杠，X軸滾珠絲杠與X軸步進電機(2)聯(lián)接，X軸步進電機(2) 固定安裝在X軸導(dǎo)軌（1)上;Y軸移動裝置包括安裝在X軸滑塊(3)頂部的Y軸導(dǎo)軌(5)，Y軸導(dǎo) 軌(5 )頂部滑動安裝有Υ軸滑塊(6 )，Υ軸滑塊(6 )中部的內(nèi)螺紋中安裝有Υ軸滾珠絲杠，Υ軸滾 珠絲杠與Υ軸步進電機(4)聯(lián)接，Υ軸步進電機(4)固定安裝在Υ軸導(dǎo)軌(5)上； 所述垂直升降臺安裝在Υ軸滑塊(6)上，垂直升降臺包括臺面（12)和Ζ軸導(dǎo)軌(8)，Ζ軸導(dǎo) 軌(8)固定安裝在Υ軸滑塊(6)上，Ζ軸導(dǎo)軌(8)上滑動安裝有Ζ軸滑塊(9)，臺面（12)安裝在Ζ 軸滑塊(9)上，Ζ軸滑塊(9)中部的內(nèi)螺紋中安裝有Ζ軸滾珠絲杠，Ζ軸滾珠絲杠與Ζ軸步進電 機(7)聯(lián)接，Ζ軸步進電機(7)固定安裝在Ζ軸導(dǎo)軌（8)上，激光感測頭（10)位于臺面（12)上 方； 所述X軸步進電機（2)與平移臺控制器電連接，Υ軸步進電機(4)與平移臺控制器電連 接，Ζ軸步進電機(7)與升降臺控制器電連接； 所述平移臺控制器與調(diào)度控制器電連接，升降臺控制器與調(diào)度控制器電連接，激光掃 描控制器與調(diào)度控制器電連接，調(diào)度控制器與上位機電連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描法的非接觸光學(xué)鏡面檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述激光測距儀采用基恩士公司生產(chǎn)的LT-9031高精度激光測量儀； 所述調(diào)度控制器采用的核心控制芯片為STM32F107VCT6芯片； 所述平移臺控制器采用美國丹納赫集團生產(chǎn)的ULTI-MAC-G型運動控制器； 所述二維平移臺采用美國丹納赫集團生產(chǎn)的XYR-8080型二維移動平臺； 所述垂直升降臺采用卓立漢光公司生產(chǎn)的KSAV2030-ZF高精密電控升降臺，升降臺控 制器采用卓立漢光公司生產(chǎn)的SC300-1B控制器。
【文檔編號】G01B11/24GK205580399SQ201620370856
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】覃瑛, 許駿
【申請人】中國科學(xué)院云南天文臺