[发明专利]法线跟踪式差动共焦非球面测量方法与系统

摘要

法线跟踪式差动共焦非球面测量方法与系统属于表面形貌测量技术领域；本发明包括扫描机构、差动共焦测头和回转工件台三部分，被测非球面放置在回转工件台上，扫描机构采用X向导轨与Z向导轨实现XZ平面内扫描，差动共焦测头通过旋转机构固定在Z向导轨末端，该测头采用跟踪式差动共焦技术进行测量，利用位置传感器来测量被测非球面表面的斜率变化并实时调节旋转机构，使测头与被测非球面表面始终保持垂直，从而保证测头接收到足够的光信号；因此，本发明可以实现大口径、高数值孔径及大曲率非球面元件表面形状的超精密测量。

主权项

一种法线跟踪式差动共焦非球面测量方法，其特征在于该方法步骤如下：(1)该方法利用扫描机构、差动共焦测头和回转工件台来实现；扫描机构采用X向导轨与Z向导轨实现XZ平面内扫描，Z向导轨末端带有旋转机构，差动共焦测头固定在该旋转机构上，可以进行回转运动，被测非球面放置在回转工件台上；(2)通过扫描机构将差动共焦测头移动到被测非球面上的待测点，采用激光干涉仪记录下此时旋转机构中心的X向和Z向位置坐标，分别记为x1、z1，在移动过程中激光干涉仪的测量光与旋转机构中心始终符合阿贝原则，从而消除测量中的阿贝误差；然后利用差动共焦测头对被测非球面进行测量；(3)差动共焦测头采用激光器作为光源，激光器的输出光为线偏振光，经准直扩束后变为平行光束，平行光束依次透过偏振分光镜与四分之一波片，然后被物镜会聚到被测非球面上，被测非球面的反射光经四分之一波片后被偏振分光镜反射；(4)反射光的一部分被透镜会聚到位置传感器上，将会聚光斑的位置转换成相应的电信号，并将电信号送入信号处理系统进行处理；当测量光与被测非球面垂直时，会聚光斑位于传感器中心，输出电信号为0；当测量光与被测非球面不垂直时，会聚光斑则偏离传感器中心，输出电信号不为0，将输出电信号送入信号处理系统进行处理，信号处理系统输出一个控制信号来调节Z向导轨末端旋转机构的旋转角度，直至使差动共焦测头的测量光与被测非球面垂直，此时旋转机构的角度记为θ1，从而在测量过程中，保证差动共焦测头的测量光与被测非球面始终保持垂直，不受被测非球面曲率的影响；(5)当差动共焦测头的测量光与被测非球面垂直时，反射光的另一部分被平均分为两份，并分别经过透镜、针孔后被光电探测器接收，一个针孔位于透镜焦点前，另一个针孔位于透镜焦点后，两个针孔关于透镜焦点对称分布，两光电探测器分别输出光强信号I1、I2；(6)当两光强信号I1、I2相等时，表明物镜的焦点正好落在被测非球面上，当两光强信号I1、I2不相等时，表明物镜的焦点偏离了被测非球面，然后根据两光强信号的差值，通过改变压电陶瓷的驱动电压V沿轴向调节差动共焦测头与被测非球面之间的距离，直至两光强信号I1、I2相等；(7)最终信号处理系统通过分析测量过程中记录的x1、z1、θ1、V、I1和I2，可以计算出被测非球面上待测点的坐标值；(8)按照预先设定的扫描轨迹，扫描机构将差动共焦测头移动到被测非球面的下一个待测点，在每个待测点都重复步骤(2)～(7)的测量过程，直至完成整个扫描轨迹的测量，通过综合扫描轨迹上所有测量点的坐标值可以获得被测非球面的面形信息。