法線跟蹤式差動共焦非球面測量方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]法線跟蹤式差動共焦非球面測量方法與系統(tǒng)屬于表面形貌測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于大口徑、高數(shù)值孔徑及大曲率非球面元件表面形狀測量的超精密干涉測量方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于非球面具有更多的設(shè)計(jì)自由度，使得光學(xué)系統(tǒng)具有更大的靈活性，能夠校正像差、改善像質(zhì)、擴(kuò)大視場，并使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、重量減輕，因此在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在天文望遠(yuǎn)鏡、深紫外光刻、激光武器光學(xué)系統(tǒng)、激光核聚變光學(xué)系統(tǒng)以及制導(dǎo)導(dǎo)彈的光學(xué)成像引導(dǎo)系統(tǒng)等高端技術(shù)領(lǐng)域。目前，非球面測量方法比較多，包括:接觸式掃描法、斐索干涉測量法、計(jì)算全息法和共焦掃描測量法等。
[0003]接觸式掃描法是最經(jīng)典的測量方法，測量過程中，機(jī)械測頭始終與被測表面保持接觸，表面上的結(jié)構(gòu)及面形變化會導(dǎo)致機(jī)械測頭發(fā)生垂直方向的位移，通過感知該位移即可以得到被測表面的面形輪廓信息。該方法具有可靠、方便的特性，但是由于測頭與被測表面直接接觸，因此存在損壞被測表面的風(fēng)險(xiǎn)，不適用于軟表面、生物表面以及包含信息的器件表面等。
[0004]斐索干涉測量法與計(jì)算全息法本質(zhì)上相同，一般需引入零位補(bǔ)償技術(shù)，就是通過補(bǔ)償元件(計(jì)算全息板)的使用，把平面波或球面波變成與被測非球面理想面形相一致的波面，以此波面作為標(biāo)準(zhǔn)波面與被測表面進(jìn)行比較，通過幾何光學(xué)方法或干涉法等手段觀察二者之間的差別。該方法不需掃描機(jī)構(gòu)，通過一次測量可以獲得被測表面的三維面形，測量速度快，空間分辨率高，測量精度高，非接觸測量等。但是其主要缺點(diǎn)是需要補(bǔ)償元件，且不同被測工件需要不同的補(bǔ)償元件，大大增加了測量成本和復(fù)雜程度，通用性非常差，嚴(yán)重限制了其測量范圍；另外，當(dāng)非球面曲率比較大時(shí)，將導(dǎo)致干涉條紋過密無法進(jìn)行測量。
[0005]共焦掃描測量法在探測器前有一個(gè)極小的針孔，只有當(dāng)物點(diǎn)位于焦點(diǎn)上時(shí)，反射光才能夠通過這個(gè)小孔被光電探測器收集，而焦點(diǎn)以外物體的反射光則會被屏蔽掉。在掃描過程中，隨著光學(xué)系統(tǒng)在垂直方向不斷運(yùn)動，測試樣品將以切片的形式被分層成像，這一過程被稱作光學(xué)層析。該方法不僅具有良好的垂直分辨率和水平分辨率等特點(diǎn)，而且具有良好的深度響應(yīng)特性，光強(qiáng)對比度高，抗散射光能力強(qiáng)；對于高數(shù)值孔徑或曲率變化較大的表面，由于探測系統(tǒng)無法收集到足夠的回光，因此很難實(shí)現(xiàn)其表面的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有非球面測量方法的不足，本發(fā)明提出了一種法線跟蹤式差動共焦非球面測量方法與系統(tǒng)，本方法采用法線跟蹤式差動共焦技術(shù)進(jìn)行測量，并且差動共焦測頭具有旋轉(zhuǎn)功能，因此可以實(shí)現(xiàn)大口徑、高數(shù)值孔徑及大曲率非球面元件表面形狀的超精密測量。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種法線跟蹤式差動共焦非球面測量方法，其特征在于該方法步驟如下:
[0009](I)該方法主要包括掃描機(jī)構(gòu)、差動共焦測頭和回轉(zhuǎn)工件臺三部分；掃描機(jī)構(gòu)采用X向?qū)к壟cZ向?qū)к墝?shí)現(xiàn)XZ平面內(nèi)掃描，Z向?qū)к壞┒藥в行D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，差動共焦測頭固定在該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，被測非球面放置在回轉(zhuǎn)工件臺上；
[0010](2)通過掃描機(jī)構(gòu)將差動共焦測頭移動到被測非球面上的待測點(diǎn)，采用激光干涉儀記錄下此時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心的X向和Z向位置坐標(biāo)，分別記為Xl、Z1，在移動過程中激光干涉儀的測量光與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心始終符合阿貝原則，從而消除測量中的阿貝誤差；然后利用差動共焦測頭對被測非球面進(jìn)行測量；
[0011](3)差動共焦測頭采用激光器作為光源，激光器的輸出光為線偏振光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后變?yōu)槠叫泄馐叫泄馐来瓮高^偏振分光鏡與四分之一波片，然后被物鏡匯聚到被測非球面上，被測非球面的反射光經(jīng)四分之一波片后被偏振分光鏡反射；
[0012](4)反射光的一部分被透鏡匯聚到位置傳感器上，將會聚光斑的位置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并將電信號送入信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理；當(dāng)測量光與被測非球面垂直時(shí)，會聚光斑位于傳感器中心，輸出電信號為O ;當(dāng)測量光與被測非球面不垂直時(shí)，會聚光斑則偏離傳感器中心，輸出電信號不為0，將輸出電信號送入信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，信號處理系統(tǒng)輸出一個(gè)控制信號來調(diào)節(jié)Z向?qū)к壞┒诵D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，直至使差動共焦測頭的測量光與被測非球面垂直，此時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度記為Θi，從而在測量過程中，保證差動共焦測頭的測量光與被測非球面始終保持垂直，不受被測非球面曲率的影響；
[0013](5)當(dāng)差動共焦測頭的測量光與被測非球面垂直時(shí)，反射光的另一部分被平均分為兩份，并分別經(jīng)過透鏡、針孔后被光電探測器接收，一個(gè)針孔位于透鏡焦點(diǎn)前，另一個(gè)針孔位于透鏡焦點(diǎn)后，兩個(gè)針孔關(guān)于透鏡焦點(diǎn)對稱分布，兩光電探測器分別輸出光強(qiáng)信號Ip
工2;
[0014](6)當(dāng)兩光強(qiáng)信號Ip I2相等時(shí)，表明物鏡的焦點(diǎn)正好落在被測非球面上，當(dāng)兩光強(qiáng)信號I1、12不相等時(shí)，表明物鏡的焦點(diǎn)偏離了被測非球面，然后根據(jù)兩光強(qiáng)信號的差值，通過改變壓電陶瓷的驅(qū)動電壓V沿軸向調(diào)節(jié)差動共焦測頭與被測非球面之間的距離，直至兩光強(qiáng)?目號I1' I2相等；
[0015](7)最終信號處理系統(tǒng)通過分析測量過程中記錄的Xl、Z1, Θ ” V、IjP I 2，可以計(jì)算出被測非球面上待測點(diǎn)的坐標(biāo)值；
[0016](8)按照預(yù)先設(shè)定的掃描軌跡，掃描機(jī)構(gòu)將差動共焦測頭移動到被測非球面的下一個(gè)待測點(diǎn)，在每個(gè)待測點(diǎn)都重復(fù)步驟⑵?(7)的測量過程，直至完成整個(gè)掃描軌跡的測量，通過綜合掃描軌跡上所有測量點(diǎn)的坐標(biāo)值可以獲得被測非球面的面形信息。
[0017]一種法線跟蹤式差動共焦非球面測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括X向?qū)к墶向?qū)к墶⑿D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、差動共焦測頭、被測非球面、回轉(zhuǎn)工作臺、Z向激光干涉儀、X向激光干涉儀；其中，X向?qū)к壟cZ向?qū)к壪嗷ゴ怪卑惭b，可以實(shí)現(xiàn)XZ平面內(nèi)的掃描，差動共焦測頭通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定在Z向?qū)к壍哪┒?，可以?shí)現(xiàn)差動共焦測頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，Z向激光干涉儀與X向激光干涉儀固定在Z向?qū)к壣希襔向激光干涉儀與X向激光干涉儀測量光的軸線方向均通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中心，被測非球面固定在回轉(zhuǎn)工作臺上；所述的差動共焦測頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包括激光器、準(zhǔn)直鏡組、偏振分光鏡、四分之一波片、物鏡、壓電陶瓷、分光鏡A、透鏡A、位置傳感器、光電探測器A、針孔A、透鏡B、分光鏡B、透鏡C、針孔B、光電探測器B、信號處理卡；其中，激光器、準(zhǔn)直鏡組、偏振分光鏡、四分之一波片和物鏡依次同軸放置，物鏡固定在壓電陶瓷上，在偏振分光鏡的反射方向依次放置分光鏡A、透鏡A和位置傳感器，在分光鏡A的反射方向依次放置分光鏡B、透鏡B、針孔A和光電探測器A，在分光鏡B的反射方向依次放置透鏡C、針孔B和光電探測器B，壓電陶瓷、位置傳感器、光電探測器A、光電探測器B均與信號處理卡相連。
[0018]本發(fā)明的有益效果是，一方面，由于本發(fā)明采用激光干涉儀測量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心的位移，且在移動過程中激光干涉儀的測量光與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心始終符合阿貝原則，從而消除阿貝誤差，提高測量精度；另一方面，本發(fā)明采用法線跟蹤式差動共焦技術(shù)進(jìn)行測量，差動共焦測頭固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，在測量過程中通過控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使測量光束始終與被測表面保持垂直，使探測系統(tǒng)始終能夠收集到足夠的光信號強(qiáng)度，不受被測表面的曲率變化影響，解決了高數(shù)值孔徑、大曲率非球面表面檢測的難題，適用于大口徑、高數(shù)值孔徑及大曲率非球面元件表面形狀的超精密測量。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明法線跟蹤式差動共焦非球面測量系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明中差動共焦測頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中，I X向?qū)к墶? Z向?qū)к墶?旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、4差動共焦測頭、5被測非球面、6回轉(zhuǎn)工作臺、7 Z向激光干涉儀、8 X向激光干涉儀、9激光器、10準(zhǔn)直鏡組、11偏振分光鏡、12四分之一波片、13物鏡、14壓電陶瓷、15分光鏡A、16透鏡A、17位置傳感器、18光電探測器A、19針孔A、20透鏡B、21分光鏡B、22透鏡C、23針孔B、24光電探測器B、25信號處理卡。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0023]一種法線跟蹤式差動共焦非球面測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括X向?qū)к?、Z向?qū)к?、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3、差動共焦測頭4、被測非球面5、回轉(zhuǎn)工作臺6、Z向激光干涉儀7、X向激光干涉儀8 ;其中，X向?qū)к塈與Z向?qū)к?相互垂直安裝，可以實(shí)現(xiàn)XZ平面內(nèi)的掃描，差動共焦測頭4通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3固定在Z向?qū)к?的末端，可以實(shí)現(xiàn)差動共焦測頭4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，Z向激光干涉儀7與X向激光干涉儀8固定在Z向?qū)к?上，且Z向激光干涉儀7與X向激光干涉儀8測量光的軸線方向均通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3的中心，被測非球面5固定在回轉(zhuǎn)工作臺6上；所述的差動共焦測頭4結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包括激光器9、準(zhǔn)直鏡組10、偏振分光鏡11、四分之一波片12、物鏡13、