[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于自动跟踪原理的自由曲面光学元件形貌测量系统，其特征在于，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(1)、导轨(7)、音圈电机(5)、滑块(4)和机架(3)；所述位置伺服模块包括彩色共焦位移传感器(10)、信号调理器(11)、自动跟踪控制器(12)、音圈电机驱动器(13)、光栅尺(8)和光栅尺读数头(9)；所述双频激光干涉仪包括激光器(17)、平面干涉镜组和可移动反光镜(6)；所述音圈电机(5)包括线圈和磁钢；待测光学元件(2)放置在转台(1)上，转台(1)可沿X,Y方向做高精度运动；所述导轨(7)、光栅尺读数头(9)和音圈电机(5)的磁钢固定于机架(3)上；所述彩色共焦位移传感器(10)、音圈电机(5)的线圈和可移动反光镜(6)固定在滑块(4)上，滑块(4)放置在导轨(7)上，可沿导轨(7)直线滑动；所述彩色共焦位移传感器(10)、信号调理器(11)、自动跟踪控制器(12)和音圈电机驱动器(13)依次相连；所述音圈电机驱动器(13)与音圈电机(5)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(4)沿导轨(7)直线运动；所述平面干涉镜组位于可移动反光镜(6)正上方，所述激光器(17)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(4)移动时，可移动反光镜(6)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(10)的运动跟踪轨迹信号；所述彩色共焦位移传感器(10)输出包含其与待测光学元件(2)表面实际距离值的光谱信号，经信号调理器(11)处理输出连续模拟电信号，将实际距离值和目标距离值之差作为跟踪误差输入到自动跟踪控制器(12)中进行PID控制，输出音圈电机驱动器(13)的控制信号，音圈电机驱动器(13)发送运动指令给音圈电机(5)，音圈电机(5)驱动滑块(4)沿导轨(7)滑动，从而带动彩色共焦位移传感器(10)和可移动反射镜(6)一起运动，同时光栅尺读数头(9)将测得的实时运动数据再反馈给音圈电机驱动器(13)，从而形成闭环控制。