基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)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(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)量方法與系統(tǒng)屬于表面形貌測(cè)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(cè)量的超精密、高速干涉測(cè)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(chǎng)，并使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量方法比較多，包括:接觸式掃描法、斐索干涉測(cè)量法、計(jì)算全息法和共焦掃描測(cè)量法等。
[0003]接觸式掃描法是最經(jīng)典的測(cè)量方法，測(cè)量過(guò)程中，機(jī)械測(cè)頭始終與被測(cè)表面保持接觸，表面上的結(jié)構(gòu)及面形變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)械測(cè)頭發(fā)生垂直方向的位移，通過(guò)感知該位移即可以得到被測(cè)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(cè)頭與被測(cè)表面直接接觸，因此存在損壞被測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)表面進(jìn)行比較，通過(guò)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(guò)一次測(cè)量可以獲得被測(cè)表面的三維面形，測(cè)量速度快，空間分辨率高，測(cè)量精度高，非接觸測(cè)量等。但是其主要缺點(diǎn)是需要補(bǔ)償元件，且不同被測(cè)工件需要不同的補(bǔ)償元件，大大增加了測(cè)量成本和復(fù)雜程度，通用性非常差，嚴(yán)重限制了其測(cè)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(guò)密無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。
[0005]共焦掃描測(cè)量法在探測(cè)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(guò)這個(gè)小孔被光電探測(cè)器收集，而焦點(diǎn)以外物體的反射光則會(huì)被屏蔽掉。在掃描過(guò)程中，隨著光學(xué)系統(tǒng)在垂直方向不斷運(yùn)動(dòng)，測(cè)試樣品將以切片的形式被分層成像，這一過(guò)程被稱(chēng)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(duì)比度高，抗散射光能力強(qiáng)，但是對(duì)于高數(shù)值孔徑或曲率變化較大的表面，由于探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法收集到足夠的回光，因此很難實(shí)現(xiàn)其表面的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有非球面測(cè)量方法的不足，本發(fā)明提出了一種基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)量方法與系統(tǒng)，本方法采用激光干涉測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量，并且激光干涉測(cè)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、大曲率非球面元件表面形狀的超精密、快速測(cè)量。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)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)、激光干涉測(cè)頭和回轉(zhuǎn)工件臺(tái)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)，激光干涉測(cè)頭固定在該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，被測(cè)非球面放置在回轉(zhuǎn)工件臺(tái)上；
[0010](2)通過(guò)掃描機(jī)構(gòu)將激光干涉測(cè)頭移動(dòng)到被測(cè)非球面上的待測(cè)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(dòng)過(guò)程中激光干涉儀的測(cè)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(cè)量中的阿貝誤差；然后利用激光干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)非球面進(jìn)行測(cè)量；
[0011](3)激光干涉測(cè)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(guò)一個(gè)光隔離器，以消除回光對(duì)穩(wěn)頻激光器的影響，然后激光束經(jīng)過(guò)二分之一波片后進(jìn)入光纖耦合器，被耦合進(jìn)保偏光纖進(jìn)行傳輸，同時(shí)通過(guò)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(zhǔn)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(guò)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(guò)四分之一波片后被透鏡匯聚到被測(cè)非球面上作為測(cè)量光；
[0013](5)從被測(cè)非球面反射的光一部分被透鏡匯聚到位置傳感器上，將會(huì)聚光束的位置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，并將電信號(hào)送入信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理；當(dāng)測(cè)量光與被測(cè)非球面垂直時(shí)，會(huì)聚光束位于傳感器中心，輸出電信號(hào)為O;當(dāng)測(cè)量光與被測(cè)非球面不垂直時(shí)，會(huì)聚光束就會(huì)偏離傳感器中心，輸出電信號(hào)不為0，將輸出電信號(hào)送入信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，信號(hào)處理系統(tǒng)輸出一個(gè)控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)Z向?qū)к壞┒诵D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，直至使激光干涉測(cè)頭的測(cè)量光與被測(cè)非球面垂直，此時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度記為Θ i，從而保證在測(cè)量過(guò)程中，激光干涉測(cè)頭的測(cè)量光與被測(cè)非球面始終保持垂直，不受被測(cè)非球面曲率的影響；
[0014](6)當(dāng)激光干涉測(cè)頭的測(cè)量光與被測(cè)非球面垂直時(shí)，被測(cè)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(hào)，該干涉信號(hào)由被光電探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并送入信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理得到相應(yīng)的位移信息I1;
[0015](7)信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)分析測(cè)量過(guò)程中記錄的Χι、Ζι、Θ ” I1，可以計(jì)算出被測(cè)非球面上待測(cè)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)將激光干涉測(cè)頭移動(dòng)到被測(cè)非球面的下一個(gè)待測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)待測(cè)點(diǎn)都重復(fù)步驟⑵?(7)的測(cè)量過(guò)程，直至完成整個(gè)掃描軌跡的測(cè)量，通過(guò)綜合掃描軌跡上所有測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值可以獲得被測(cè)非球面的面形信息。
[0017]上述基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)量方法，所述的激光干涉測(cè)頭采用零差激光干涉測(cè)量原理。
[0018]上述基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)量方法，所述的激光干涉測(cè)頭采用外差激光干涉測(cè)量原理。
[0019]一種基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括X向?qū)к?、Z向?qū)к墶⑿D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、激光干涉測(cè)頭、被測(cè)非球面、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、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，激光干涉測(cè)頭通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定在Z向?qū)к壍哪┒?，可以?shí)現(xiàn)激光干涉測(cè)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(cè)量光的軸線(xiàn)方向均通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中心，被測(cè)非球面固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上；所述的激光干涉測(cè)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(zhǔn)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(cè)器、信號(hào)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(guò)單模保偏光纖與準(zhǔn)直鏡組相連，準(zhǔn)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(gè)反射方向依次放置透鏡B和光電探測(cè)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(cè)器和位置傳感器分別與信號(hào)處理卡相連。
[0020]上述基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)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(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)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(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心的位移，且在移動(dòng)過(guò)程中激光干涉儀的測(cè)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(cè)量精度；由于本發(fā)明采用基于激光干涉原理的測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，因此可以獲得非常高的測(cè)量精度并且可直接溯源到激光波長(zhǎng)；激光干涉測(cè)頭的測(cè)量光束經(jīng)透鏡后匯聚到被測(cè)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(cè)量過(guò)程中不要求嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，從而可以提高測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量；由于激光干涉測(cè)頭固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，在測(cè)量過(guò)程中通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使測(cè)量光束始終與被測(cè)表面保持垂直，使探測(cè)系統(tǒng)始終能夠收集到足夠的光信號(hào)強(qiáng)度，不受被測(cè)表面的曲率變化影響；總而言之，本發(fā)明可以實(shí)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(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明中激光干涉測(cè)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(jī)構(gòu)、4激光干涉測(cè)頭、5被測(cè)非球面、6回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、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(zhǔn)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(cè)器、21信號(hào)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(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0027]一種基于激光干涉的法線(xiàn)跟蹤式非球面測(cè)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(jī)構(gòu)3、激光干涉測(cè)頭4、被測(cè)非球面5、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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，激光干涉測(cè)頭4通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3固定在Z向?qū)к?的末端，可以實(shí)現(xiàn)激光干涉測(cè)頭4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(cè)量光的軸線(xiàn)方向均通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3的中心，被測(cè)非球面5固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)6上；所述的激光干涉測(cè)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