[发明专利]基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统

说明书

基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统涉及自由曲面测量系统技术领域，解决了非接触式检测系统对自由曲面的测量误差大的问题，包括：宽光谱光源、耦合透镜组、半反半透分光镜、聚焦镜组、光阑、光谱测量系统和光谱探测器；被测元件和光阑均位于聚焦镜组的焦点上；宽光谱光源的出射光依次经耦合透镜组汇聚、经半反半透分光镜反射、经聚焦镜组透射、经被测元件反射、经聚焦镜组透射、经半反半透分光镜透射、穿过光阑、经光谱测量系统测量光谱后入射到光谱探测器；经半反半透分光镜反射进入到聚焦镜组的光束经聚焦镜组透射得到不同颜色的聚焦点，聚焦点均位于聚焦镜组光轴上。本发明减小了测量过程中的运动累积误差。减提高了测量效率和测量精度。

技术领域

本发明涉及自由曲面测量系统技术领域，具体涉及基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统。

背景技术

光学自由曲面具有优异的特性，例如非对称性、灵活的空间布局，并能给出丰富的设计自由度。它能够满足现代光学系统的高性能光学特征参数，优异的成像质量等要求，其优势体现在以下方面：

设计自由度更多，像差校正更好；

突破传统光学系统的理念，能够实现全新的光学结构；

减少光学元件数量，减轻系统重量，减小系统体积；

提升光学系统性能。

目前，自由曲面表面在基础理论和应用设计等方面已相对成熟，但匹配处理和检测技术远远落后。这是因为自由曲面的变化非常复杂，只能用点阵描述，这使得自由曲面的加工变得难以检测。另一方面，传统的加工检测方法不具有普适性，检测精度低，因此，迫切需要高效检测技术的储备。

自由曲面检测面临的困难较大，常见的非球面测量方法不适用，或者精度无法满足要求，需做重大改进提高测量精度和效率。当前非球面测量中应用广泛的光学干涉检测法仅可以用于较非球面偏离不远的自由曲面，无法用于一般意义的自由曲面，虽然可以进一步利用计算全息技术调整波前形状，但需制备专用元件，搭建测试光路，准备时间长，成本高，无法实现在线检测。

当前已有的检测方法可分为接触式检测方法和非接触式检测方法两种。其中接触式检测方法的代表为三坐标检测法，非接触式检测方法的典型代表为多波长干涉测量法。

三坐标检测法是目前世界公用的接触式测量方法，它具有适用范围大，可在线检测的特点。三坐标测量法的优势很多，但是，它是利用光栅尺的原理进行接触测量，也存在以下缺点：采样点密度少，速度慢；直接接触工件表面，易破坏被测件光洁度；检测头的机构磨损和机械运动机构会影响测量准确性；检测精度较低，常规三坐标检测精度约1μm。

非接触式检测方法的测量速度大幅度提高，采样点密度可以超过高分辨率干涉仪，利用非接触的优点，还可以跟踪反馈运动机构如导轨运动误差并实时矫正测量数据，非常适用于自由曲面在线检测。

目前，国内外研究并应用的非接触式检测方法主要是多波长干涉测量法。

多波长干涉测量的代表是Taylor Hobson的LuphoScan轮廓仪，它是一款基于多波长干涉技术(MWLI)的高精度测量系统。

该系统可以进行非球面、球面、平面和轴对称自由曲面的面形误差检测。非接触式测量特性使其具备包括高速测量、高灵活度能力，能用于带拐点和尖点的轮廓，最大检测口径420mm。可扫描各种表面类型如透明材料、金属部件和粗糙表面。该系统使用多个参考传感器以及特殊的基准框架概念，布置了四个基于非接触测量头，分别用来矫正导轨误差、旋转端跳误差、平移定位误差，还有一个测量头沿镜面法线方向运动并测量高度，精度可在±50nm以上。

但是，该系统只能测量对称光学元件，无法对非对称自由曲面进行高精度非接触式测量。同时，其测量头需要一直沿着镜面法线方向运动，测量效率大大降低，测量累积误差随之增加。

发明内容