基于自動跟蹤的自由曲面光學(xué)元件形貌測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸式光學(xué)三維形貌測量領(lǐng)域，尤其是涉及一種非球面和自由表面的測量。
【背景技術(shù)】
[0002]自由曲面光學(xué)元件由于其較小的畸變和較輕的質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，有很大的市場前景和需求。目前，隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展(包括快刀伺服，慢刀伺服和微銑削等)，自由曲面加工已成為可能，自由曲面的先進(jìn)制造技術(shù)為自由曲面的應(yīng)用創(chuàng)造了前提，使自由曲面光學(xué)元件在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如航空航天。相對于制造加工技術(shù)的發(fā)展，自由曲面的測量方法并沒有很大的進(jìn)展。當(dāng)前的測量方法還是多采用接觸式測量，如Taylor Hobs1nPG1.但接觸式測量有可能對表面造成損傷。
[0003]因此采用光學(xué)非接觸式測量方法成為主流的研究方向。其中高精度，大量程和高軸向分辨率的位移傳感器是非接觸式測量自由曲面技術(shù)的關(guān)鍵。然而通常情況下，高精度的位移傳感器的量程比較短。為了解決高精度位移傳感器量程短的問題，許多研究已經(jīng)在進(jìn)行中。其中有兩種比較典型的方法。一種是采用軌跡規(guī)劃的方法來避免測量范圍超過傳感器的量程，比如RensHenselmans等人發(fā)明的NAN0MEF0S系統(tǒng)，Scott DeFisher等人發(fā)明的UltraSurfd系統(tǒng)以及Taylor Hobbson的LuphoScan系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都有很好的性能。但這些系統(tǒng)所采用的軌跡跟蹤是個(gè)高難度的工作，它需要很復(fù)雜的算法和軟件支持，尤其是是當(dāng)被測表面的設(shè)計(jì)參數(shù)未知時(shí)。除此之外，這些系統(tǒng)價(jià)格昂貴，導(dǎo)致我們很難用得起。為了克服軌跡規(guī)劃的缺點(diǎn)，第二種方法被設(shè)計(jì)用來測量較小斜率的自由曲面，比如AgustiPint0發(fā)明的PLuAPEX系統(tǒng)。取代了軌跡規(guī)劃，這種方法采用伺服單元實(shí)時(shí)的控制探頭的位置來跟蹤測量表面。最后根據(jù)跟蹤軌跡和跟蹤誤差得出被測曲面形狀。然而這種方法由于探頭的質(zhì)量和體積等原因?qū)е聮呙杷俣容^慢，而且伺服單元不能滿足快速和高精度測量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決接觸式測量可能對表面造成的損傷問題，同時(shí)為了提高非接觸式的測量精度，測量范圍與掃描速度，而提出了一種基于自動跟蹤原理的自由曲面光學(xué)元件形貌測量方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于自動跟蹤原理的自由曲面光學(xué)元件形貌測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括運(yùn)動模塊、位置伺服模塊和雙頻激光干涉儀;其中，所述運(yùn)動模塊包括轉(zhuǎn)臺、導(dǎo)軌、音圈電機(jī)、滑塊和機(jī)架;所述位置伺服模塊包括彩色共焦位移傳感器、信號調(diào)理器、自動跟蹤控制器、音圈電機(jī)驅(qū)動器、光柵尺和光柵尺讀數(shù)頭;所述雙頻激光干涉儀包括激光器、平面干涉鏡組和可移動反光鏡;所述音圈電機(jī)包括線圈和磁鋼；
[0006]待測光學(xué)元件放置在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺可沿X，Y方向做高精度運(yùn)動;所述導(dǎo)軌、光柵尺讀數(shù)頭和音圈電機(jī)的磁鋼固定于機(jī)架上;所述彩色共焦位移傳感器、音圈電機(jī)的線圈和可移動反光鏡固定在滑塊上，滑塊放置在導(dǎo)軌上，可沿導(dǎo)軌直線滑動;所述彩色共焦位移傳感器、信號調(diào)理器、自動跟蹤控制器和音圈電機(jī)驅(qū)動器依次相連;所述音圈電機(jī)驅(qū)動器與音圈電機(jī)的線圈連接，驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁場，該磁場與磁鋼產(chǎn)生的恒定磁場相互作用產(chǎn)生推力推動滑塊沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動；
[0007]所述平面干涉鏡組位于可移動反光鏡正上方，所述激光器發(fā)出雙頻激光信號作用于平面干涉鏡組，一束作為測量光，一束作為參考光；當(dāng)滑塊移動時(shí)，可移動反光鏡返回的測量光的頻率發(fā)生變化，參考光頻率不變，從而測得彩色共焦位移傳感器的運(yùn)動跟蹤軌跡信號；
[0008]所述彩色共焦位移傳感器輸出包含其與待測光學(xué)元件表面實(shí)際距離值的光譜信號，經(jīng)信號調(diào)理器處理輸出連續(xù)模擬電信號，將實(shí)際距離值和目標(biāo)距離值之差作為跟蹤誤差輸入到自動跟蹤控制器中進(jìn)行PID控制，輸出音圈電機(jī)驅(qū)動器的控制信號，音圈電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送運(yùn)動指令給音圈電機(jī)，音圈電機(jī)驅(qū)動滑塊沿導(dǎo)軌滑動，從而帶動彩色共焦位移傳感器和可移動反射鏡一起運(yùn)動，同時(shí)光柵尺讀數(shù)頭將測得的實(shí)時(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)再反饋給音圈電機(jī)驅(qū)動器，從而形成閉環(huán)控制。
[0009]進(jìn)一步地，所述光柵尺和光柵尺讀數(shù)頭分辨率為20nm;所述自動跟蹤控制器為積分分離式PID控制器;所述音圈電機(jī)驅(qū)動器為COPLEY電機(jī)驅(qū)動器。
[0010]進(jìn)一步地，所述雙頻激光干涉儀采用ag i I e n t平面干涉儀，其真空波長為632.991354nm，波長精度±0.lppm，波長穩(wěn)定性:±0.002ppm(I小時(shí))。
[0011]進(jìn)一步地，所述彩色共焦位移傳感器采用STIL的彩色共焦位移傳感器，其工作距離為20mm，最大傾斜角度為±21°，測量范圍為4.0mm。
[0012]進(jìn)一步地，所述導(dǎo)軌采用米思米直線導(dǎo)軌，其精度達(dá)到um級，基本額定動負(fù)載1400N，基本額定靜負(fù)載2200N。
[0013]進(jìn)一步地，所述平面干涉鏡組包括偏振分光棱鏡、固定反射鏡、參考鏡和1/4λ玻片;所述激光器發(fā)出的雙頻激光信號，經(jīng)過偏振分光棱鏡分成兩束不同頻率的光，一束作為測量光(頻率Π)，一束作為參考光(頻率f2);測量光經(jīng)過1/4λ玻片后入射到可移動反光鏡再返回經(jīng)過1/4λ玻片和固定反射鏡后又再一次入射在可移動反光鏡上，然后原路返回經(jīng)偏振分光棱鏡后入射到激光器;當(dāng)滑塊移動時(shí)，會導(dǎo)致返回的測量光的頻率發(fā)生變化，即變?yōu)閒!± △ d;同時(shí)參考光經(jīng)偏振分光棱鏡與1/4λ玻片后入射到參考鏡，然后反射光先后經(jīng)偏振分光棱鏡、固定反射鏡和偏振分光棱鏡再次入射到參考鏡，然后經(jīng)反射后被激光器接收；因?yàn)閰⒖肩R固定不動，所以此時(shí)頻率不變，為f2;激光器經(jīng)處理后可得出Ad，從而根據(jù)Ad換算出彩色共焦位移傳感器的運(yùn)動跟蹤軌跡信號。
[0014]—種利用上述系統(tǒng)測量自由曲面光學(xué)元件形貌的方法，該方法包括以下步驟:
[0015](I)將待測光學(xué)元件放置在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺沿X，Y方向做S形掃描運(yùn)動；
[0016](2)在自動跟蹤控制器中設(shè)定彩色共焦位移傳感器與待測光學(xué)元件的目標(biāo)距離；
[0017](3)通過彩色共焦位移傳感器測量其與待測光學(xué)元件的實(shí)際距離值，將實(shí)際距離值和目標(biāo)距離值之差作為跟蹤誤差輸入到自動跟蹤控制器中進(jìn)行PID控制，輸出音圈電機(jī)驅(qū)動器的控制信號；
[0018](4)音圈電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送運(yùn)動指令給音圈電機(jī)，音圈電機(jī)驅(qū)動滑塊沿導(dǎo)軌滑動，從而帶動彩色共焦位移傳感器和可移動反射鏡一起運(yùn)動，此時(shí)通過雙頻激光干涉儀測量彩色共焦位移傳感器的運(yùn)動跟蹤軌跡信號，同時(shí)光柵尺讀數(shù)頭將測得的實(shí)時(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)再反饋給音圈電機(jī)驅(qū)動器，從而形成閉環(huán)控制；
[0019](5)最后把彩色共焦位移傳感器輸出的實(shí)際距離值和雙頻激光干涉儀測得的運(yùn)動跟蹤軌跡疊加后得出待測光學(xué)元件的實(shí)際形狀。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:采用探頭自動跟蹤的測量方法來擬合被測光學(xué)元件的形貌，能有效解決現(xiàn)有測量方法中探頭不動帶來的無法測量PV值較大的問題。同時(shí)采用彩色共焦測量原理，能使測量精度和分辨率都達(dá)到納米級，測量量程達(dá)到1mm，彌補(bǔ)了現(xiàn)有探頭對被測光學(xué)元件有可能造成損傷、精度不高和量程有限的問題。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發(fā)明自由曲面光學(xué)元件形貌測量系統(tǒng)的原理框圖；
[0022]圖2是數(shù)據(jù)采集與處理的原理圖；
[0023]圖3是PID控制算法流程圖；
[0024]圖4是測量凹鏡的效果圖；
[0025]圖中，轉(zhuǎn)臺1、測光學(xué)元件2、機(jī)架3、滑塊4、音圈電機(jī)5、可移動反光鏡6、導(dǎo)軌7、光柵尺8、光柵尺讀數(shù)頭9、彩色共焦位移傳感器10、信號調(diào)理器11、自動跟蹤控制器12、音圈電機(jī)驅(qū)動器13、參考鏡14、固定反射鏡15、偏振分光棱鏡16、激光器17、I/4λ玻片18、環(huán)境補(bǔ)償器19、波長補(bǔ)償器20。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明一種基于自動跟蹤原理的自由曲面光學(xué)元件形貌測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括運(yùn)動模塊、位置伺服模塊和雙頻激光干涉儀;其中，所述運(yùn)動模塊包括轉(zhuǎn)臺1、導(dǎo)軌
7、音圈電機(jī)5、滑塊4和機(jī)架3;所述位置伺服模塊包括彩色共焦位移傳感器10、信號調(diào)理器
11、自動跟蹤控制器12、音圈電機(jī)驅(qū)動器13、光柵尺8和光柵尺讀數(shù)頭9;所述雙頻激光干涉儀包括激光器17、平面干涉鏡組和可移動反光鏡6;所述音圈電機(jī)5包括線圈和磁鋼；
[0028]待測光學(xué)元件2放置在轉(zhuǎn)臺I上，轉(zhuǎn)臺I可沿X，Y方向做高精度運(yùn)動;所述導(dǎo)軌7、光柵尺讀數(shù)頭9和音圈電機(jī)5的磁鋼固定于機(jī)架3上;所述彩色共焦位移傳感器10、音圈電機(jī)5的線圈和可移動反光鏡6固定在滑塊4上，滑塊4放置在導(dǎo)軌7上，可沿導(dǎo)軌7直線滑動;所述彩色共焦位移傳感器10、信號調(diào)理器11、自動跟蹤控制器12和音圈電機(jī)驅(qū)動器13依次相連；所述音圈電機(jī)驅(qū)動器13與音圈電機(jī)5的線圈連接，驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁場，該磁場與磁鋼產(chǎn)生的恒定磁場相互作用產(chǎn)生推力推動滑塊4沿導(dǎo)軌7直線運(yùn)動；
[0029]所述平面干涉鏡組位于可移動反光鏡6正上方，所述激光器17發(fā)出雙頻激光信號作用于平面干涉鏡組，一束作為測量光，一束作為參考光；當(dāng)滑塊4移動時(shí)，可移動反光鏡6返回的測量光的頻率發(fā)生變化，參考光頻率不變，從而測得彩色共焦位移傳感器10的運(yùn)動跟蹤軌跡信號；
[0030]所述彩色共焦位移傳感器10輸出包含其與待測光學(xué)元件2表面實(shí)際距離值的光譜信號，經(jīng)信號調(diào)理器11處理輸出連續(xù)模擬電信號，將實(shí)際距離值和目標(biāo)距離值之差作為跟蹤誤差輸入到自動跟蹤控制器12中進(jìn)行PID控制，輸出音圈電機(jī)驅(qū)動器13的控制信號，音圈電機(jī)驅(qū)動器13發(fā)送運(yùn)動指令給音圈電機(jī)5，音圈電機(jī)5驅(qū)動滑塊4沿導(dǎo)軌7滑動，從而帶動彩色共焦位移傳感器10和可移動反射鏡6—起運(yùn)動，同時(shí)光柵尺讀數(shù)頭9將測得的實(shí)時(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)再反饋給音圈電機(jī)驅(qū)動器13，從而形成閉環(huán)控制。
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