[发明专利]基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于自动跟踪原理的自由曲面光学元件形貌测量系统及方法，所述系统包运动模块、位置伺服模块和双频激光干涉仪。本发明采用探头自动跟踪的测量方法来拟合被测光学元件的形貌，能有效解决现有测量方法中探头不动带来的无法测量PV值较大的问题。同时采用彩色共焦测量原理，能使测量精度和分辨率都达到纳米级，测量量程达到10mm，弥补了现有探头对被测光学元件有可能造成损伤、精度不高和量程有限的问题。

技术领域

本发明涉及一种非接触式光学三维形貌测量领域，尤其是涉及一种非球面和自由表面的测量。

背景技术

自由曲面光学元件由于其较小的畸变和较轻的质量等优点，有很大的市场前景和需求。目前，随着超精密加工技术的发展(包括快刀伺服，慢刀伺服和微铣削等)，自由曲面加工已成为可能，自由曲面的先进制造技术为自由曲面的应用创造了前提，使自由曲面光学元件在很多领域得到广泛应用，如航空航天。相对于制造加工技术的发展，自由曲面的测量方法并没有很大的进展。当前的测量方法还是多采用接触式测量，如Taylor HobsionPGI.但接触式测量有可能对表面造成损伤。

因此采用光学非接触式测量方法成为主流的研究方向。其中高精度，大量程和高轴向分辨率的位移传感器是非接触式测量自由曲面技术的关键。然而通常情况下，高精度的位移传感器的量程比较短。为了解决高精度位移传感器量程短的问题，许多研究已经在进行中。其中有两种比较典型的方法。一种是采用轨迹规划的方法来避免测量范围超过传感器的量程，比如RensHenselmans等人发明的NANOMEFOS系统，Scott DeFisher等人发明的UltraSurfd系统以及Taylor Hobbson的LuphoScan系统。这些系统都有很好的性能。但这些系统所采用的轨迹跟踪是个高难度的工作，它需要很复杂的算法和软件支持，尤其是是当被测表面的设计参数未知时。除此之外，这些系统价格昂贵，导致我们很难用得起。为了克服轨迹规划的缺点，第二种方法被设计用来测量较小斜率的自由曲面，比如AgustíPintó发明的PLuAPEX系统。取代了轨迹规划，这种方法采用伺服单元实时的控制探头的位置来跟踪测量表面。最后根据跟踪轨迹和跟踪误差得出被测曲面形状。然而这种方法由于探头的质量和体积等原因导致扫描速度较慢，而且伺服单元不能满足快速和高精度测量的要求。

发明内容

本发明为了解决接触式测量可能对表面造成的损伤问题，同时为了提高非接触式的测量精度，测量范围与扫描速度，而提出了一种基于自动跟踪原理的自由曲面光学元件形貌测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于自动跟踪原理的自由曲面光学元件形貌测量系统，该系统包括运动模块、位置伺服模块和双频激光干涉仪；其中，所述运动模块包括转台、导轨、音圈电机、滑块和机架；所述位置伺服模块包括彩色共焦位移传感器、信号调理器、自动跟踪控制器、音圈电机驱动器、光栅尺和光栅尺读数头；所述双频激光干涉仪包括激光器、平面干涉镜组和可移动反光镜；所述音圈电机包括线圈和磁钢；

待测光学元件放置在转台上，转台可沿X,Y方向做高精度运动；所述导轨、光栅尺读数头和音圈电机的磁钢固定于机架上；所述彩色共焦位移传感器、音圈电机的线圈和可移动反光镜固定在滑块上，滑块放置在导轨上，可沿导轨直线滑动；所述彩色共焦位移传感器、信号调理器、自动跟踪控制器和音圈电机驱动器依次相连；所述音圈电机驱动器与音圈电机的线圈连接，驱动线圈产生磁场，该磁场与磁钢产生的恒定磁场相互作用产生推力推动滑块沿导轨直线运动；

所述平面干涉镜组位于可移动反光镜正上方，所述激光器发出双频激光信号作用于平面干涉镜组，一束作为测量光，一束作为参考光；当滑块移动时，可移动反光镜返回的测量光的频率发生变化，参考光频率不变，从而测得彩色共焦位移传感器的运动跟踪轨迹信号；