一种平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法

1.本发明属于光学对准技术领域，具体涉及平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法。


背景技术：

2.以三坐标测量机、轮廓仪为代表的坐标测量仪器具有精度高、稳定性好以及应用范围广等特点，被广泛应用于光学检测、高端装备制造等领域。其中，测量探针的运动精度是影响坐标测量仪器的测量精度的关键因素。通常，提高测量探针运动精度的措施有两类，一是提高坐标轴系零件制造及装配精度，二是对探针的运动误差进行检测与补偿。面向亚微米级以上的测量精度需求，通过提高机械零件制造及装配精度至亚微米等级的成本很高，故对于误差的检测与补偿是提高其运动精度的主要手段。为实现探针运动误差的检测与补偿，常见的做法是采用激光干涉仪对运动机构运动误差进行实时检测，并在后续数据处理中进行相应补偿。其中，作为激光干涉仪检测参考基准的标准平面反射镜需固定在坐标测量仪器的框架上，其安装定位误差直接影响探针的运动精度，进而影响坐标测量仪器的测量精度。
3.常用的紧固连接方式包括螺纹连接、焊接、铆接、光学胶合等。其中，光学胶合是把多个光学零件，利用光胶、胶结剂等方式，按照一定技术要求连接在一起的工艺方法。除了改善像质、减少光能损失、简化零件加工、保护刻划面等优点以外，相较于螺纹连接等机械紧固方式，光学胶合工艺的主要优势在于通过光学胶合进行连接的工件应力分布更为均匀，因胶合工艺而产生的工件内应力更小，较大程度避免了零件因内应力而产生的变形。然而，光学胶合工艺的问题在于胶合连接为半永久紧固方式，胶合工艺完成后，零件拆卸难度较大；拆卸过程中易损伤胶合零件，拆卸成本较高；胶合过程时间较长，胶合过程难以控制等。在标准反射镜的胶合过程中，若因热效应和收缩应力等因素致使胶合不均匀，将会导致标准平面反射镜胶合后产生较大定位误差，难以满足其作为激光干涉仪参考基准的精度要求。现有的垂直度误差检测手段，如千分表、激光干涉仪等点测量技术存在测量不确定度大、无法实现在线监测或安装调试过于复杂等问题，难以满足平面反射镜胶合过程高精度实时监控的需求。因此，如何实现对于零件胶合过程的定位误差监测与控制是提升平面反射镜胶合质量的关键问题。
4.本发明利用高精度自准直仪和标准立方体棱镜，设计了一种准直光束面测量技术，用于平面反射镜胶合过程的垂直度误差监控方法，可较为便捷地实现平面反射镜胶合过程垂直度误差的高精度实时监测与控制。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种垂直度控制好、胶合质量高的平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法。
6.本发明提供的平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法，采用由两组自准直仪
以及一个标准立方体棱镜所组成的光学系统，实现待胶合反射镜间垂直度误差的监测与控制，其精度主要由自准直仪及标准立方体棱镜的精度决定。设待胶合的平面反射镜为两个平面长条反射镜；其中：
7.所述光学系统主要包括两个自准直仪、机架、标准立方体棱镜、多维调整台、光学平台及数据分析系统；其中：
8.所述机架，为两根相互垂直杆体成l形的刚性框架，水平放置在光学平台上，机架的两直杆内侧表面分别为两个长条平面反射镜的安装平面，且这两个安装平面相互垂直；
9.所述标准立方体棱镜，参见图3所示，其前后左右四个面为工作面，记为a、b、c、d，相互垂直度控制在1”～2
″
，其中，a、b面不镀膜，c、d面镀有可见光增透膜；或者a面和b面镀反射膜；标准立方体棱镜安装至多维调整台上，多维调整台整体放置于光学平台中心部位；
10.所述两个自准直仪放置在光学平台上，分别对准机架的两个平面条形反射镜的安装平面；并且，标准立方体棱镜的a面及c面与第一自准直仪光轴方向垂直，标准立方体棱镜的b面及d面与第二自准直仪光轴方向垂直；而两个自准直仪的光管口径大于标准立方体棱镜；
11.所述数据分析系统，根据两个自准直仪的测量数据，分析立方体棱镜a和c、b和d平行度误差，并用于长条平面反射镜垂直度测量的补偿，分析胶合过程中两个长条平面反射镜之间的垂直度误差实时数据，并及时进行胶合工艺过程的调整。
12.此外，通过对立方体棱镜的a和b面镀反射膜，可使得从立方棱镜周围射向长条镜的光束和射向a和b面的光束一并反射至自准直仪中成像。该方法免除了c和d面反射光的干扰，此时a和b面间垂直度决定了两个长条镜胶合的垂直度，同时要求立方体棱镜通光口径小于自准直仪通光口径。
13.进一步地，本发明中：
14.所述自准直仪的角度测量精度优于2
″
；
15.所述长条平面反射镜，材质为光学玻璃，平面pv值优于λ/8(λ＝632.8nm)，镀铝反射膜；
16.所述标准立方体棱镜，4个工作面相互垂直，垂直角度精度1
″
～2
″
。
17.根据上述光学系统，对垂直度误差进行监控，具体流程如下：
18.(1)胶合前，将标准立方体棱镜安装至多维调整台上；将多维调整台安装在光学平台中心部分；安装两个自准直仪，使其所发出的平行光束射向标准立方体棱镜，观察经标准立方体棱镜表面反射回的光束分划像，调整两个自准直仪的位置，使得两个自准直仪所发出光束分别与标准立方体棱镜表面相互垂直，此时反射回的分划像和像面分划重合，并保持两个自准直仪和立方体棱镜间的相互位置关系。
19.(2)胶合第一长条平面反射镜至机架一侧，调整机架，使得从第一自准直仪射出并经标准立方体棱镜透射出的光束与第一长条平面反射镜镜面垂直；
20.将第二长条平面反射镜放置于机架另一侧，使得第二自准直仪射出的光束经标准立方体棱镜射向第二长条平面反射镜，通过观察自第二长条平面反射镜反射回第二自准直仪的光束分划像和像方基准分划的重合度，调节第二长条平面反射镜相对于机架的位置，直至两分划完全重合，这时第二自准直仪所射出的光束与第二长条平面反射镜垂直，胶合第二长条平面反射镜。
21.(3)在胶合剂固化过程中，数据分析系统根据两个自准直仪测量数据监控两个长条平面反射镜间的垂直度关系，并根据监测数据对胶合工艺进行实时调整；具体地：
22.所述数据分析系统，根据两个自准直仪各自的投射分划和基准分划的重合度测量数据监控两个长条平面反射镜间的垂直度关系，并根据监测数据对胶合固化工艺进行优化调整和长条反射镜的实时微量调整；具体是根据第一自准直仪和第二自准直仪的分划重合度测量数据，分析立方体棱镜a和c、b和d面间的平行度误差，根据a面和c面的反射分划像的重合度以及b面和d面的反射分划像的重合度，判别计算出立方棱镜角度误差，并用于长条平面反射镜垂直度测量的补偿，分析胶合过程中第一长条平面反射镜与第二长条平面反射镜之间的垂直度误差实时数据，并及时进行胶合固化过程的对长条镜姿态的微量调整。
23.本发明的积极进步效果在于：
24.本发明提供的用于平面反射镜胶合过程的垂直度误差监控方法，利用两组自准直仪及一个标准立方体棱镜，与两组待测平面反射镜形成了垂直度误差测量光路。通过分析两组自准直仪的测量数据，可实现两组平面反射镜间垂直度误差的在线监测，以便于胶合过程中及时调整工艺参数，提高胶合质量。
附图说明
25.图1为本发明所述平面反射镜安装示意图。
26.图2为本发明所述垂直度误差控制方法示意图。
27.图3为本发明所述标准立方体棱镜示意图。
28.图4为本发明所述垂直度误差控制方法流程图。
29.图5为本发明所述专利实际应用场景。
30.图中标号：1为第一长条平面反射镜，2为第二长条平面反射镜，3为第一自准直仪，4为第二自准直仪，5为机架，6为标准立方体棱镜，7为多维调整台，8为光学平台。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
32.如附图1所示为本发明所针对应用的场景。为满足坐标测量装置精度要求，需将第一长条平面反射镜1与第二长条平面反射镜2胶合在机架5相互垂直的两个安装平面上，且需保证两个反射镜间的垂直度达到所需精度。
33.如附图2所示为本发明所述方法的示意图。在本发明所述光学系统中，标准立方体棱镜6安装在多维调整台7上，第一自准直仪3与第二自准直仪4平行于光学平台8安装，且第一自准直仪3与第二自准直仪4光轴分别垂直于标准立方体棱镜6的a面及b面；第一长条平面反射镜1镜面与第一自准直仪3光轴垂直，第二长条平面反射镜2镜面与第二自准直仪4光轴垂直；第一自准直仪3与第二自准直仪4所得到的测量数据传输至数据分析系统中进行处理。
34.如附图3所示为本发明所述标准立方体棱镜示意图。该标准立方体棱镜其包含a、
b、c、d四个工作面，相互垂直度精度1”～2
″
，其中a面及c面与第一自准直仪3光轴方向垂直，b面及d面与第二自准直仪4光轴方向垂直。a面和b面不镀膜，c面和d面镀可见光增透膜，也可以a面和b面镀反射膜，且自准直光管口径大于标准立方体棱镜。
35.如附图4所示为本发明所述垂直度误差控制方法流程图。基于上述光路系统，本发明所提供的用于平面反射镜胶合过程的垂直度误差监控方法具体流程如下：
36.(1)标准立方体棱镜安装；将标准立方体棱镜6安装至多维调整台7上，并将多维调整台安装至光学平台8上；
37.(2)第一及第二自准直仪3、4装调；安装第一及第二自准直仪3、4，通过各自的调节支架使其所发出的平行光束射向标准立方体棱镜，观察经标准立方体棱镜表面反射回的光束分划像，调整第一及第二自准直仪3、4位置，使得第一及第二自准直仪3、4所发出光束分别与标准立方体棱镜表面相互垂直，并保持第一及第二自准直仪3、4和立方体棱镜间的相互位置关系；
38.(3)第一长条平面反射镜1胶合；胶合第一长条平面反射镜1至机架一侧，调整机架，使得从第一自准直仪3射出并经标准立方体棱镜透射出的光束与第一长条平面反射镜1镜面垂直；
39.(4)第二长条平面反射镜2胶合；将第二长条平面反射镜2放置于机架另一侧，使得第二自准直仪4射出的光束经标准立方体棱镜射向第二长条平面反射镜2，通过观察自第二长条平面反射镜2反射回第二自准直仪4的光束分划像和像方基准分划的重合度，调节第二长条平面反射镜2相对于机架的位置，直至两分划完全重合，此时第二自准直仪4所射出的光束与第二长条平面反射镜2镜面垂直，胶合第二长条平面反射镜2；
40.(5)胶合过程监控；在胶合固化过程中，数据分析系统根据自准直仪各自的投射分划和基准分划的重合度，分析出立方体棱镜a和c、b和d面间的平行度误差，根据a和c面的反射分划像的重合度以及b和d面的反射分划像的重合度判别计算出立方棱镜角度误差，并用于长条镜垂直度测量的补偿，分析胶合过程中第一长条平面反射镜1与第二长条平面反射镜2之间的垂直度误差实时数据，并及时进行胶合固化过程的对长条镜姿态的微量调整；
41.(6)图5是基于高陡度非球面轮廓检测科研项目需要对本专利内容的实际操作，实现两个450mmx15mm标准长条镜在大理石机架上的胶合满足垂直度2”的要求，通过随动双频激光干涉仪扫描标准长条镜测量及补偿解决了机械运动部件精度难以保证的难题；其中，第一长条平面反射镜1与第二长条平面反射镜2均为玻璃长条镜，其材质为光学玻璃，平面pv值优于λ/8(λ＝632.8nm)，长条镜表面镀铝反射膜；第一自准直仪3与第二自准直仪4精度优于2
″
；标准立方体棱镜6精度优于2
″
；胶合所用光学胶为特制室温长效固化胶；此时，第一长条平面反射镜1与第二长条平面反射镜2间垂直度为2
″
。
42.依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，上述说明内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法，其特征在于，采用由两组自准直仪以及一个标准立方体棱镜所组成的光学系统，实现待胶合反射镜间垂直度误差的监测与控制，设待胶合的平面反射镜为两个平面长条反射镜；其中：所述光学系统主要包括两个自准直仪、机架、标准立方体棱镜、多维调整台、光学平台及数据分析系统；其中：所述机架，为两根相互垂直杆体连接成l形的刚性框架，水平放置在光学平台上，机架的两直杆内侧表面分别为两个长条平面反射镜的安装平面，且这两个安装平面相互垂直；所述标准立方体棱镜，其前后左右四个面为工作面，记为a、b、c、d，相互垂直度优于1
″
～2
″
，其中，a和b面不镀膜，或者a面和b面镀反射膜；c、d面镀可见光增透膜；标准立方体棱镜安装至多维调整台上，多维调整台整体放置于光学平台中心部位；所述两个自准直仪放置在光学平台上，分别对准机架的两个平面条形反射镜的安装平面；并且，标准立方体棱镜的a面和c面与第一自准直仪光轴方向垂直，标准立方体棱镜的b面和d面与第二自准直仪光轴方向垂直；而两个自准直仪的光管口径大于标准立方体棱镜；所述数据分析系统，根据两个自准直仪的测量数据，分析立方体棱镜a和c、b和d平行度误差，并用于长条平面反射镜垂直度测量的补偿，分析胶合过程中两个长条平面反射镜之间的垂直度误差实时数据，并及时进行胶合工艺过程的调整。2.根据权利要求1所述的平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法，其特征在于：所述自准直仪的角度测量精度优于2
″
。所述长条平面反射镜，材质为光学玻璃，平面pv值优于λ/8(λ＝632.8nm)，镀铝反射膜。所述标准立方体棱镜，4个工作面相互垂直，垂直角度精度1
″
～2
″
。3.根据权利要求1或2所述的平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法，其特征在于，对平面反射镜胶合垂直度误差进行监控的具体流程如下：(1)胶合前，将标准立方体棱镜安装至多维调整台上；将多维调整台安装在光学平台中心部分；安装两个自准直仪，使其所发出的平行光束射向标准立方体棱镜，观察经标准立方体棱镜表面反射回的光束分划像，调整两个自准直仪的位置，使得两个自准直仪所发出光束分别与标准立方体棱镜表面相互垂直，此时反射回的分划像和像面分划重合，并保持两个自准直仪和立方体棱镜间的相互位置关系；(2)胶合第一长条平面反射镜至机架一侧，调整机架，使得从第一自准直仪射出并经标准立方体棱镜透射出的光束与第一长条平面反射镜镜面垂直；将第二长条平面反射镜放置于机架另一侧，使得第二自准直仪射出的光束经标准立方体棱镜射向第二长条平面反射镜，通过观察自第二长条平面反射镜反射回第二自准直仪的光束分划像和像方基准分划的重合度，调节第二长条平面反射镜相对于机架的位置，直至两分划完全重合，此时第二自准直仪所射出的光束与第二长条平面反射镜垂直，胶合第二长条平面反射镜；(3)在胶合固化过程中，由于胶合剂的收缩和环境的干扰，两长条镜垂直度会蠕变，两自准直仪和电脑连接的数据分析系统根据两个自准直仪测量数据监控两个长条平面反射镜间的垂直度关系，并根据监测数据对胶合工艺过程进行实时调整。4.根据权利要求3所述的平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法，其特征在于，所述数据分析系统根据两个自准直仪各自的投射分划和基准分划的重合度测量数据监控两
个长条平面反射镜间的垂直度关系，并根据监测数据对胶合固化工艺进行优化调整和长条反射镜的实时微量调整；具体是根据第一自准直仪和第二自准直仪的分划重合度测量数据，分析立方体棱镜a和c、b和d间的平行度误差，根据权利3中所述a面和c面的反射分划像的重合度以及b面和d面的反射分划像的重合度，判别计算出立方体棱镜角度误差，并用于长条平面反射镜垂直度测量的补偿，分析胶合过程中第一长条平面反射镜与第二长条平面反射镜之间的垂直度误差实时数据，并及时进行胶合固化过程的对长条镜姿态的微量调整。

技术总结
本发明属于光学对准技术领域，具体为平面反射镜胶合过程中垂直度误差监控方法。本发明采用由两组自准直仪以及一个标准立方体棱镜所组成的光学系统，实现待胶合反射镜间垂直度误差的监测与控制；光学系统包括两个自准直仪、用于放置两个待胶合平面反射镜的机架、标准立方体棱镜、多维调整台、光学平台及数据分析系统；数据分析系统根据两个自准直仪的测量数据，分析立方体棱镜四个工作面间的平行度误差，用于平面反射镜垂直度测量的补偿，分析胶合过程中两个长条平面反射镜之间的垂直度误差实时数据，并及时进行胶合工艺过程的调整。本发明可实现胶合过程中平面反射镜间垂直度误差的高精度监测，提高平面反射镜胶合质量。提高平面反射镜胶合质量。提高平面反射镜胶合质量。


技术研发人员：徐敏 焦思程 王军华
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/20