基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于激光干涉的法線跟蹤式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)值孔徑及大曲率的非球面元件表面形狀測量的超精密、高速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，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算全息法本質(zhì)上相同，一般需引入零位補償技術(shù)，就是通過補償元件(計算全息板)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，以此波面作為標準波面與被測表面進行比較，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。但是其主要缺點是需要補償元件，且不同被測工件需要不同的補償元件，大大增加了測量成本和復(fù)雜程度，通用性非常差，嚴重限制了其測量范圍；另外，當非球面曲率比較大時，將導(dǎo)致干涉條紋過密無法進行測量。
[0005]共焦掃描測量法在探測器前有一個極小的針孔，只有當物點位于焦點上時，反射光才能夠通過這個小孔被光電探測器收集，而焦點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，而且具有良好的深度響應(yīng)特性，光強對比度高，抗散射光能力強，但是對于高數(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)明提出了一種基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法與系統(tǒng)，本方法采用激光干涉測量原理進行測量，并且激光干涉測頭具有旋轉(zhuǎn)功能，因此可以實現(xiàn)大口徑、高數(shù)值孔徑、大曲率非球面元件表面形狀的超精密、快速測量。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]一種基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法，其特征在于該方法步驟如下:
[0009](I)該方法主要包括掃描機構(gòu)、激光干涉測頭和回轉(zhuǎn)工件臺三部分；掃描機構(gòu)采用X向?qū)к壟cZ向?qū)к墝崿F(xiàn)XZ平面內(nèi)掃描，Z向?qū)к壞┒藥в行D(zhuǎn)機構(gòu)，激光干涉測頭固定在該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，可以進行回轉(zhuǎn)運動，被測非球面放置在回轉(zhuǎn)工件臺上；
[0010](2)通過掃描機構(gòu)將激光干涉測頭移動到被測非球面上的待測點，采用激光干涉儀記錄下此時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中心的X向和Z向位置坐標，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；然后利用激光干涉測頭對被測非球面進行測量；
[0011](3)激光干涉測頭采用穩(wěn)頻激光器作為光源，該穩(wěn)頻激光器的輸出光首先經(jīng)過一個光隔離器，以消除回光對穩(wěn)頻激光器的影響，然后激光束經(jīng)過二分之一波片后進入光纖耦合器，被耦合進保偏光纖進行傳輸，同時通過調(diào)節(jié)二分之一波片的快軸方向，使激光束的偏振方向與保偏光纖匹配；
[0012](4)激光束經(jīng)保偏光纖傳輸后，被準直鏡組轉(zhuǎn)換成平行光束，平行光束被偏振分光鏡分為兩束，其中一束透過四分之一波片后被透鏡匯聚到參考鏡上作為參考光，另外一束經(jīng)過四分之一波片后被透鏡匯聚到被測非球面上作為測量光；
[0013](5)從被測非球面反射的光一部分被透鏡匯聚到位置傳感器上，將會聚光束的位置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并將電信號送入信號處理系統(tǒng)進行處理；當測量光與被測非球面垂直時，會聚光束位于傳感器中心，輸出電信號為O;當測量光與被測非球面不垂直時，會聚光束就會偏離傳感器中心，輸出電信號不為0，將輸出電信號送入信號處理系統(tǒng)進行處理，信號處理系統(tǒng)輸出一個控制信號來調(diào)節(jié)Z向?qū)к壞┒诵D(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，直至使激光干涉測頭的測量光與被測非球面垂直，此時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的角度記為Θ i，從而保證在測量過程中，激光干涉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；
[0014](6)當激光干涉測頭的測量光與被測非球面垂直時，被測非球面反射光的另一部分與參考鏡反射光重新在偏振分光鏡處疊加形成干涉信號，該干涉信號由被光電探測器接收轉(zhuǎn)換成電信號，并送入信號處理系統(tǒng)進行處理得到相應(yīng)的位移信息I1;
[0015](7)信號處理系統(tǒng)通過分析測量過程中記錄的Χι、Ζι、Θ ” I1，可以計算出被測非球面上待測點的坐標值；
[0016](8)按照預(yù)先設(shè)定的掃描軌跡，掃描機構(gòu)將激光干涉測頭移動到被測非球面的下一個待測點，在每個待測點都重復(fù)步驟⑵?(7)的測量過程，直至完成整個掃描軌跡的測量，通過綜合掃描軌跡上所有測量點的坐標值可以獲得被測非球面的面形信息。
[0017]上述基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法，所述的激光干涉測頭采用零差激光干涉測量原理。
[0018]上述基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法，所述的激光干涉測頭采用外差激光干涉測量原理。
[0019]一種基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括X向?qū)к?、Z向?qū)к?、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、激光干涉測頭、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，可以實現(xiàn)XZ平面內(nèi)的掃描，激光干涉測頭通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)固定在Z向?qū)к壍哪┒?，可以實現(xiàn)激光干涉測頭的旋轉(zhuǎn)運動，Z向激光干涉儀與X向激光干涉儀固定在Z向?qū)к壣?，且Z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)機構(gòu)的中心，被測非球面固定在回轉(zhuǎn)工作臺上；所述的激光干涉測頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括穩(wěn)頻激光器、光隔離器、二分之一波片、光纖耦合器、單模保偏光纖、準直鏡組、偏振分光鏡、四分之一波片A、透鏡A、參考反射鏡、透鏡B、光電探測器、信號處理卡、位置傳感器、透鏡C、分光鏡、透鏡D、四分之一波片B ;其中，穩(wěn)頻激光器、光隔離器、二分之一波片和光纖耦合器依次同軸放置，光纖耦合器通過單模保偏光纖與準直鏡組相連，準直鏡組、偏振分光鏡、四分之一波片B、分光鏡和透鏡D依次同軸放置，在偏振分光鏡的反射方向依次放置四分之一波片A、透鏡A和參考反射鏡，在偏振分光鏡的另一個反射方向依次放置透鏡B和光電探測器，在分光鏡反射方向依次放置透鏡C和位置傳感器，光電探測器和位置傳感器分別與信號處理卡相連。
[0020]上述基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量系統(tǒng)，所述的穩(wěn)頻激光器輸出一束單頻激光。
[0021]上述基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量系統(tǒng)，所述的穩(wěn)頻激光器輸出一束雙頻激光。
[0022]本發(fā)明的有益效果是，由于本發(fā)明采用激光干涉儀測量旋轉(zhuǎn)機構(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；由于本發(fā)明采用基于激光干涉原理的測頭進行測量，因此可以獲得非常高的測量精度并且可直接溯源到激光波長；激光干涉測頭的測量光束經(jīng)透鏡后匯聚到被測非球面，由于透鏡具有一定的焦深范圍，激光束的聚焦位置測量過程中不要求嚴格對準，從而可以提高測量效率，實現(xiàn)快速測量；由于激光干涉測頭固定在一個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，在測量過程中通過控制旋轉(zhuǎn)機構(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度，不受被測表面的曲率變化影響；總而言之，本發(fā)明可以實現(xiàn)大口徑、高數(shù)值孔徑、大曲率非球面元件表面形狀的超精密、快速測量。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量系統(tǒng)的機構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明中激光干涉測頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中，IX向?qū)к墶?Z向?qū)к墶?旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、4激光干涉測頭、5被測非球面、6回轉(zhuǎn)工作臺、7Z向激光干涉儀、8X向激光干涉儀、9穩(wěn)頻激光器、10光隔離器、11 二分之一波片、12光纖親合器、13單模保偏光纖、14準直鏡組、15偏振分光鏡、16四分之一波片A、17透鏡A、18參考反射鏡、19透鏡B、20光電探測器、21信號處理卡、22位置傳感器、23透鏡C、24分光鏡、25透鏡D、26四分之一波片B。
【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實例進行詳細的描述。
[0027]一種基于激光干涉的法線跟蹤式非球面測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特征在于，該系統(tǒng)包括X向?qū)к?、Z向?qū)к?、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3、激光干涉測頭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，可以實現(xiàn)XZ平面內(nèi)的掃描，激光干涉測頭4通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3固定在Z向?qū)к?的末端，可以實現(xiàn)激光干涉測頭4的旋轉(zhuǎn)運動，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；所述的激光干涉測頭4結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖2所示，包括穩(wěn)頻激光器9、光隔離器10、二分之一波片