[发明专利]一种基于多传感器扫描的超精密测量方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到测量应用技术领域，特指一种基于多传感器扫描的超精密测量方法，主要适用于精密、超精密工件表面的直线度、平面度、超精密光学表面、甚至光学自由曲面面形的测量。

背景技术

光学表面面形误差会导致光束偏移，从而使成像模糊、焦点扩大、波前精度降低，影响光学系统性能。为了更高精度地加工光学表面面形，进行精确地测量对于光学系统的开发是非常重要的，特别对于纳米级精度要求的诸多高技术领域，光学表面的超精密测量至关重要。比如：同步（加速）辐射光学、极紫外光刻、相机、望远镜、X射线自由电子激光、激光点火装置、自由曲面光学等等。

光学表面误差一般可分为低频误差（即面形误差）、中频误差（即波纹度）和高频误差（即表面粗糙度）。低频误差定义为空间周期5-10mm直到全尺寸，中频表面误差的空间周期约在0.1到5-10mm之间。低频误差和中频误差均对光学系统质量有较大影响，有时候中频误差的影响甚至更为严重，而测量中频误差则需要高的横向检测分辨率。

在超精密加工中，为了测量导轨的直线度运动误差、被加工件表面的直线度轮廓、平面度和面形精度等，常常采用多测头扫描法，这种方法是将位移测头（常用非接触传感器如电涡流或电容等）或角度检测仪（如自准直仪等）安装在移动平台上，沿被测表面作直线运动，或者将传感器固定，被测件随平台一起运动。当被测表面轮廓误差与平台的直线运动误差处于同一档次时，需要采用误差分离的方法以重构被测表面的直线度轮廓，进而可以测量整个被测表面的平面度和面形误差等。

超精密直线度扫描测量时，一般采用电容等非接触式传感器测量位移，此时由于传感器物理尺寸的限制，传感器间距不可能太小。为了高分辨率重构被测表面的直线度轮廓，一般要求直线度的重构间隔小于传感器间隔，此时扫描采样间隔一般等于重构间隔；即相对来说要小于传感器间隔，为了在各采样点上精确重构被测表面直线度轮廓，以前已经开发两种精确重构算法，即双剪切精确重构频域法（利用频域法进行差分测量的精确重构方法，国家发明专利，专利号：ZL03124600.1）和双剪切精确重构时域法（利用时域法进行差分测量的精确重构方法，国家发明专利，专利号：ZL03124599.4），这两种方法都是基于非等间隔多传感器的等步长扫描测量方法。

当采用某种测量仪器，其传感器数量众多而间隔又可以很小的情况下，比如紧凑干涉仪(TRIOPTICSμphase1000等)或2D激光轮廓扫描仪等时，可将各像素点当作位移传感器，相当于多位移传感器进行扫描测量，此时各像素点间隔相当小（可以到微米级），也即传感器间隔相当小，若此时扫描步长等于传感器间隔（此时可采用逐次两点法重构）则要采集的点相当多（数据文件相当多，一个位置对应一个数据文件），并且由于间隔小，信噪比较低，影响最终的测量结果。因此需要在充分利用众多传感器信息的情况下，尽可能采用大的传感器间距和大的扫描步长进行测量，以提高测量精度、减少测量时间。

现有多传感器扫描测量误差分离算法是解决大传感器间距情况下，进行小间隔（高横向分辨率）扫描测量时直线度精确重构问题，此时横向分辨率等于扫描测量间隔。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种测量精度高、测量速度快、可消除传感器系统误差和扫描平台直线度误差的基于多传感器扫描的超精密测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于多传感器扫描的超精密测量方法，为：构造两组不同间距的传感器，均利用逐次两点法精确重构出一组直线度轮廓，并确定这两组直线度轮廓间隔的大小，使之能够在前一组曲线和后一组曲线中找到相同的采样点；如果一组曲线中的某条曲线和另一组曲线中的某条曲线至少有两个相同采样点，据此计算出这两条曲线之间的相对平移量和倾斜量，确定这两条曲线之间的位置关系；在第一组曲线中分别确定其与第二组曲线中某一条曲线的相互位置关系，则确定了第一组曲线的相互位置关系，从而在所有采样点上精确重构出被测表面直线度轮廓。

作为本发明的进一步改进：

所述被测表面直线度轮廓的具体流程为：