专利名称：接触式非球面面形检验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接触式光学非球面面形检验装置。
背景技术：
当前，检验非球面元件的方法有很多种，主要分为接触式测量和非接触式测量。接 触式测量主要借助轮廓仪或者三坐标测量仪通过对光学元件进行多个离散点的测量，然后 经过数据处理，拟合得到面形误差。非接触式测量主要有阴影法、激光扫描法、干涉法等。阴 影法主要分为刀口法和哈特曼法(光阑法)，该方法主要观察阴影分布的图形和阴影图的 明暗对比。这种方法设备简单，对于某些二次曲面测量方便，适于现场检验。但存在主观、 定量困难、灵敏度欠高等缺点。激光扫描法可分平移法、旋转法，以及平移旋转法，这是一种 利用光的直线性进行面形检测的方法，通过用激光束对被测面进行逐点测量可计算出非球 面的面形参数。它通用性强，可以测量各种非球面，而且是对被测面进行绝对测量，精度高， 缺点是相应的数据处理比较复杂。干涉法是一种短时间检测非球面的方法，由于它具有高 分辨、高精度、高灵敏度、重复性好等优点，但是利用该技术测量非球面面形时，要求非球面 表面有很好的光洁度和很高的反射能力。因此，干涉法一般适用于非球面精抛光和最终阶 段的检测。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于非球面加工整个过程的接触式非球 面面形检验装置，该装置能够直接实现对非球面的测量，数据处理和数学运算简单，实验操 作简单易行，测量时间短、测试成本低。为了解决上述技术问题，本发明的接触式非球面面形检验装置包括计算机和激光 跟踪仪；所述计算机包括存储待测非球面CAD模型的装置、坐标变换装置、求解位置坐标的 装置和求解待测非球面面形分布的装置；激光跟踪仪首先测量待测非球面上特征点的位置 坐标并将其传输给坐标变换装置，由坐标变换装置利用测量的待测非球面上特征点的位置 坐标及CAD模型上对应的特征点的位置坐标，通过坐标变换求解得到待测非球面、CAD模型 两个坐标系之间的平移量和旋转量，将待测非球面此时的物理坐标系与CAD模型的坐标系 统一到同一坐标系；激光跟踪仪测量在统一坐标系下待测非球面上多点的位置坐标并将其 传输给求解位置坐标的装置，由求解位置坐标的装置利用测得的统一坐标系下待测非球面 上多点的位置坐标进行插值计算得到待测非球面上各点的位置坐标；求解待测非球面面形 分布的装置分析求解得到统一坐标系下待测非球面上各点的坐标值与CAD数模上对应的 各点坐标值之间的偏差，并对偏差数据进行拟合，得到待测非球面面形分布。所述特征点为在待测非球面上设定的三个点，如侧面或者背部的轻量化圆孔、锥 孔的圆心或者三角形孔的中心等。本发明通过扩充激光跟踪仪的现有功能，利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面 进行多点接触测量，并将测量的结果与数据模型进行分析对比、处理和运算，获得非球面的
4面形分布信息，无需其它辅助光学元件就能够准确的实现对大口径非球面面形的检测。本 发明数据处理和数学运算简单，实验操作简单易行，检测成本很低，测试时间短，适用于非 球面加工整个过程的面形检测。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1是本发明的接触式非球面面形检验装置结构示意图。图2是计算机测量软件功能模块示意图。图3是待测非球面结构示意图。图4是利用本发明对非球面面形进行检验的流程图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的接触式非球面面形检验装置包括计算机1和激光跟踪仪2 ； 所述激光跟踪仪2与计算机1通过数据线进行连接。激光跟踪仪2是一种高精度、大容量的便携式三位坐标测量设备，该激光跟踪仪 使用两个旋转角编码器和一个激光距离测量系统，以跟踪和测量靶标球3的位置。靶标球3 是由空心的直角反射镜组成，此反射镜精确固定在加工球体内。球体外表面到中心的距离 已知(即球体半径)，激光跟踪仪测量软件利用球体半径进行测量偏移或补偿测量。激光跟 踪仪发射并接收从靶标球返回的红色氦氖激光，激光跟踪仪机械轴的方向会根据其内部的 位置感应探测器接收的两个旋转角编码器及距离测量系统反馈的信息不断进行调整。激光 跟踪仪通过测量两个角度和一个距离来确定目标的坐标。这些角度由安装在顶点角轴和方 位角轴上的编码器来测量。径向距离是由条纹计数干涉仪或一种相位偏移绝对距离测量系 统(XtremeADM)来测量。激光跟踪仪一般用来测量物体之间的相对位置关系，并可以直接 检验平面和球面物体的面形，但是对于非球面元件的面形却不能实现直接检验。如图2所示，所述计算机1的测量软件包括存储待测非球面CAD模型的装置11、坐 标变换装置12、求解位置坐标的装置13和求解待测非球面面形分布的装置14。所述坐标变换装置12查找待测非球面的CAD模型，提取与激光跟踪仪2测量的特 征点P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (x2，Y2, Z2)和P3 (x3，Y3, Z3)相对应的CAD模型上的特征点的位置坐标 P^X1, Y1, Z1)，P2 (X2, Y2, Z2)和P3 (X3, Y3，Z3)，如图3所示；通过迭代法求解公式(1)和公式 (5)联立的非线性方程组，得到待测非球面的物理坐标系相对CAD模型的坐标系在χ方向、 y方向、ζ方向上的平移量dx、dy和dz以及待测非球面的物理坐标系相对CAD模型的坐标系 绕χ轴、y轴、ζ轴的转动角度量α、β和γ，进而将两个坐标系统一到同一坐标系；
(X1^1,Z1^ = CX1,Y1,Z1,1)-F<(χ2,γ2,ζ2,1) = (Χ2,Υ2,Ζ2,1)·ν (1)
权利要求
1.一种接触式非球面面形检验装置，其特征在于包括计算机(1)和激光跟踪仪O)；所 述计算机(1)包括存储待测非球面CAD模型的装置(11)、坐标变换装置(12)、求解位置坐 标的装置(13和求解待测非球面面形分布的装置(14;激光跟踪仪( 首先测量待测非球 面上特征点的位置坐标并将其传输给坐标变换装置(12)，由坐标变换装置(12利用测量的 待测非球面上特征点的位置坐标及CAD模型上对应的特征点的位置坐标，通过坐标变换求 解得到待测非球面、CAD模型两个坐标系之间的平移量和旋转量，将待测非球面此时的物理 坐标系与CAD模型的坐标系统一到同一坐标系；激光跟踪仪(2)测量在统一坐标系下待测 非球面上多点的位置坐标并将其传输给求解位置坐标的装置(1 ，由求解位置坐标的装置 (13)利用测得的统一坐标系下待测非球面上多点的位置坐标进行插值计算得到待测非球 面上各点的位置坐标；求解待测非球面面形分布的装置(14)分析求解得到统一坐标系下 待测非球面上各点的坐标值与CAD数模上对应的各点坐标值之间的偏差，并对偏差数据进 行拟合，得到待测非球面面形分布。
2.根据权利要求1所述的接触式非球面面形检验装置，其特征在于所述坐标变换装置 (12)查找待测非球面的CAD模型，提取与激光跟踪仪⑵测量的特征点？10^，71，21)，？20^2， I2, Z2)和P3 (x3，y3，Z3)相对应的CAD模型上的特征点的位置坐标P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (X2, Y2, Z2) ^P P3(X3jY3^Z3)；通过迭代法求解公式⑴和公式(5)联立的非线性方程组，得到待测非球 面的物理坐标系相对CAD模型的坐标系在χ方向、y方向、ζ方向上的平移量dx、dy和dz以 及待测非球面的物理坐标系相对CAD模型的坐标系绕χ轴、y轴、ζ轴的转动角度量α、β 和Y，进而将两个坐标系统一到同一坐标系；
3.根据权利要求1所述的接触式非球面面形检验装置，其特征在于所述求解位置坐标 的装置(1 利用测量得到的非球面上多点的位置坐标，通过三次样条插值或牛顿插值计算求解得到非球面上各点的位置坐标。
全文摘要
本发明涉及一种接触式非球面面形检验装置，该装置包括计算机和激光跟踪仪；计算机利用激光跟踪仪测量的待测非球面上特征点的位置坐标及CAD模型上对应的特征点的位置坐标，通过坐标变换将待测非球面此时的物理坐标系与CAD模型的坐标系统一到同一坐标系；然后利用激光跟踪仪测得的统一坐标系下待测非球面上多点的位置坐标进行插值计算得到待测非球面上各点的位置坐标；最后分析求解得到统一坐标系下待测非球面上各点的坐标值与CAD数模上对应的各点坐标值之间的偏差，并对偏差数据进行拟合，得到待测非球面面形分布。本发明数据处理和数学运算简单，实验操作简单易行，检测成本很低，测试时间短，适用于非球面加工整个过程的面形检测。
文档编号G01B11/24GK102128599SQ20101060734
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者张学军, 王孝坤, 郑立功 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所