CN104913733B - 基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
基于多波长激光干涉的法线跟踪式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、多波长激光干涉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，多波长激光干涉测头通过旋转机构固定在Z向导轨末端，该测头采用多波长干涉技术，可以进行绝对距离测量，实现对台阶形状的直接测量同时保留干涉测量高精度、可溯源的特点；该测头采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、大曲率及具有台阶特征的非球面元件表面形状的超精密、快速测量。
Description
技术领域
基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统属于表面形貌测量技术领域， 特别涉及一种用于高数值孔径、大曲率及具有台阶特征的非球面元件表面形状测量的超精密、 高速干涉测量方法与系统。
背景技术
由于非球面具有更多的设计自由度，使得光学系统具有更大的灵活性，能够校正像差、 改善像质、扩大视场，并使光学系统结构简化、重量减轻，因此在现代光学系统中得到了广 泛应用，特别是在天文望远镜、深紫外光刻、激光武器光学系统、激光核聚变光学系统以及 制导导弹的光学成像引导系统等高端技术领域。目前，非球面测量方法比较多，包括：接触 式扫描法、斐索干涉测量法、计算全息法和共焦扫描测量法等。
接触式扫描法是最经典的测量方法，测量过程中，机械测头始终与被测表面保持接触， 表面上的结构及面形变化会导致机械测头发生垂直方向的位移，通过感知该位移即可以得到 被测表面的面形轮廓信息。该方法具有可靠、方便的特性，但是由于测头与被测表面直接接 触，因此存在损坏被测表面的风险，不适用于软表面、生物表面以及包含信息的器件表面等。
斐索干涉测量法与计算全息法本质上相同，一般需引入零位补偿技术，就是通过补偿元 件(计算全息板)的使用，把平面波或球面波变成与被测非球面理想面形相一致的波面，以 此波面作为标准波面与被测表面进行比较，通过几何光学方法或干涉法等手段观察二者之间 的差别。该方法不需扫描机构，通过一次测量可以获得被测表面的三维面形，测量速度快， 空间分辨率高，测量精度高，非接触测量等。但是其主要缺点是需要补偿元件，且不同被测 工件需要不同的补偿元件，大大增加了测量成本和复杂程度，通用性非常差，严重限制了其 测量范围；另外，当非球面曲率比较大时，将导致干涉条纹过密无法进行测量。
共焦扫描测量法在探测器前有一个极小的针孔，只有当物点位于焦点上时，反射光才能 够通过这个小孔被光电探测器收集，而焦点以外物体的反射光则会被屏蔽掉。在扫描过程中， 随着光学系统在垂直方向不断运动，测试样品将以切片的形式被分层成像，这一过程被称作 光学层析。该方法不仅具有良好的垂直分辨率和水平分辨率等特点，而且具有良好的深度响 应特性，光强对比度高，抗散射光能力强；但是对于高数值孔径或曲率变化较大的表面，由 于探测系统无法收集到足够的回光，因此很难实现其表面的测量。
发明内容
针对上述现有非球面测量方法的不足，本发明提出了一种基于多波长激光干涉的法线跟 踪式非球面测量方法与系统，本方法采用多波长激光干涉测量原理进行测量，并且激光干涉 测头具有旋转功能，因此可以实现大口径、高数值孔径、大曲率及具有台阶特征的非球面元 件表面形状的超精密、快速测量。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法，其特征在于该方法步骤如下：
(1)该方法利用扫描机构、多波长干涉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，多波长干涉测头固定在该 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)通过扫描机构将多波长干涉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；然后利用多波长 干涉测头对被测非球面进行测量；
(3)多波长干涉测头采用三个稳频激光器作为光源，波长分别为λ1、λ2和λ3，三台稳频 激光器的输出光首先分别经过一个光隔离器，以消除回光对稳频激光器的影响，然后被声光 移频器调制，调制频率分别为f1、f2和f3；三束输出光分别被耦合进同一个保偏光纤进行合光 与传输，通过调节三束输出光的偏振方向使其与保偏光纤的快轴方向相匹配；
(4)三束激光经保偏光纤合光传输后被准直成同轴平行光束，平行光束被分光镜分为两 部分，其中一部分被透镜会聚到参考镜上作为参考光，另一部分被透镜会聚到被测非球面上 作为测量光；
(5)被测非球面的反射光一部分被透镜汇聚到位置传感器上，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，直至使多波长干涉测头的测 量光与被测非球面垂直，此时旋转机构的角度记为θ1，从而保证在测量过程中，多波长干涉 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；
(6)当多波长干涉测头的测量光与被测非球面垂直时，被测非球面的另一部分反射光与 参考镜的反射光重新在分光镜处叠加形成干涉信号，该干涉信号由波长为λ1、λ2和λ3的三个 干涉分量组成，该干涉信号被光电探测器接收转换成电信号；由于三个干涉分量具有不同的 调制频率，其大小分别为f1、f2和f3，利用锁相放大技术将三个干涉分量分离，获得波长为λ1、 λ2和λ3的三个独立干涉信号I1、I2和I3，并送入信号处理系统进行处理；
(7)通过对三个激光波长λ1、λ2和λ3进行组合可以构成两个合成波长Λ1和Λ2，其大小 分别为：Λ1＝λ1λ2/(λ1-λ2)，Λ2＝λ1λ3/(λ1-λ3)，合成波长Λ1、Λ2与任意一个激光波长可以构成一 个三级波长链，实现绝对距离测量，扩大多波长干涉测头的测量范围，并对台阶形状可直接 进行测量，台阶高度要小于最大合成波长的一半；
(8)最终信号处理系统通过分析测量过程中记录的x1、z1、θ1、I1、I2和I3，可以计算出 被测非球面上待测点的坐标值；
(9)按照预先设定的扫描轨迹，扫描机构将多波长干涉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)～(8)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。
一种基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量系统，其特征在于，该系统包括X向 导轨、Z向导轨、旋转机构、多波长干涉测头、被测非球面、回转工作台、Z向激光干涉仪、 X向激光干涉仪；其中，X向导轨与Z向导轨相互垂直安装，可以实现XZ平面内的扫描，多波长干涉测头通过旋转机构固定在Z向导轨的末端，可以实现多波长干涉测头的旋转运动， Z向激光干涉仪与X向激光干涉仪固定在Z向导轨上，且Z向激光干涉仪与X向激光干涉仪 测量光的轴线方向均通过旋转机构的中心，被测非球面固定在回转工作台上；所述的多波长 干涉测头结构较复杂，包括稳频激光器A、稳频激光器B、光隔离器A、光隔离器B、声光移频器A、声光移频器B、二分之一波片A、二分之一波片B、光纤耦合器A、光纤耦合器B、 稳频激光器C、光隔离器C、声光移频器C、二分之一波片C、光纤耦合器C、单模保偏光纤、 准直镜组、分光镜A、透镜A、参考反射镜、分光镜B、透镜B、透镜C、位置传感器、透 镜D、光电探测器、锁相放大单元A、锁相放大单元B、锁相放大单元C、信号处理卡；其 中，稳频激光器A、光隔离器A、声光移频器A、二分之一波片A和光纤耦合器A依次同轴 放置，稳频激光器B、光隔离器B、声光移频器B、二分之一波片B和光纤耦合器B依次同 轴放置，稳频激光器C、光隔离器C、声光移频器C、二分之一波片C和光纤耦合器C依次 同轴放置；单模保偏光纤具有三个输入端与一个输出端，三个输入端分别与光纤耦合器A、 光纤耦合器B、光纤耦合器C相连，输出端与准直镜组相连；准直镜组、分光镜A、分光镜 B和透镜B依次同轴放置，在分光镜B的反射方向依次放置透镜C和位置传感器，位置传感 器与信号处理卡相连，在分光镜A的反射方向依次放置透镜A和参考反射镜，在分光镜A 的另一个反射方向依次放置透镜D和光电探测器，锁相放大单元A、锁相放大单元B、锁相 放大单元C均与光电探测器和信号处理卡相连。
本发明的有益效果是，由于本发明采用激光干涉仪测量旋转机构中心的位移，且在移动 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，从而消除阿贝误差，提高测 量精度；由于本发明采用基于多波长激光干涉原理的测头进行测量，因此该测头能够进行绝 对距离测量，可以直接测量台阶结构，并且在测量过程中测量光被阻断后可以继续正常进行 测量；同时该测头还保留了干涉测量高精度、可溯源的特点；激光干涉测头的测量光束经透 镜后会聚到被测非球面，由于透镜具有一定的焦深，激光束的聚焦位置测量过程中不要求严 格对准，从而可以提高测量效率，实现快速测量；另外，由于激光干涉测头固定在一个旋转 机构上，在测量过程中通过控制旋转机构，使测量光束始终与被测表面保持垂直，使探测系 统始终能够收集到足够的光信号强度，不受被测表面的曲率变化影响；总而言之，本发明可 以实现大口径、高数值孔径、大曲率及具有台阶特征的非球面元件表面形状的超精密、快速 测量。
附图说明
图1为本发明基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量系统的机构示意图；
图2为本发明中多波长激光干涉测头的结构示意图。
图中，1X向导轨、2Z向导轨、3旋转机构、4多波长干涉测头、5被测非球面、6回转 工作台、7Z向激光干涉仪、8X向激光干涉仪、9稳频激光器A、10稳频激光器B、11光隔 离器A、12光隔离器B、13声光移频器A、14声光移频器B、15二分之一波片A、16二分 之一波片B、17光纤耦合器A、18光纤耦合器B、19稳频激光器C、20光隔离器C、21声 光移频器C、22二分之一波片C、23光纤耦合器C、24单模保偏光纤、25准直镜组、26分 光镜A、27透镜A、28参考反射镜、29分光镜B、30透镜B、31透镜C、32位置传感器、 33透镜D、34光电探测器、35锁相放大单元A、36锁相放大单元B、37锁相放大单元C、 38信号处理卡。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实例进行详细的描述。
一种基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量系统，其结构如图1所示，其特征在 于，该系统包括X向导轨1、Z向导轨2、旋转机构3、多波长干涉测头4、被测非球面5、 回转工作台6、Z向激光干涉仪7、X向激光干涉仪8；其中，X向导轨1与Z向导轨2相互 垂直安装，可以实现XZ平面内的扫描，多波长干涉测头4通过旋转机构3固定在Z向导轨 2的末端，可以实现多波长干涉测头4的旋转运动，Z向激光干涉仪7与X向激光干涉仪8 固定在Z向导轨2上，且Z向激光干涉仪7与X向激光干涉仪8测量光的轴线方向均通过旋 转机构3的中心，被测非球面5固定在回转工作台6上；所述的多波长干涉测头4结构较复 杂，如图2所示，包括稳频激光器A 9、稳频激光器B 10、光隔离器A 11、光隔离器B 12、 声光移频器A 13、声光移频器B 14、二分之一波片A 15、二分之一波片B 16、光纤耦合器A 17、光纤耦合器B 18、稳频激光器C 19、光隔离器C 20、声光移频器C 21、二分之一波片C 22、光纤耦合器C 23、单模保偏光纤24、准直镜组25、分光镜A 26、透镜A 27、参考反射 镜28、分光镜B 29、透镜B 30、透镜C 31、位置传感器32、透镜D 33、光电探测器34、锁 相放大单元A 35、锁相放大单元B 36、锁相放大单元C 37、信号处理卡38；其中，稳频激 光器A 9、光隔离器A 11、声光移频器A13、二分之一波片A 15和光纤耦合器A 17依次同 轴放置，稳频激光器B 10、光隔离器B 12、声光移频器B 14、二分之一波片B 16和光纤耦 合器B 18依次同轴放置，稳频激光器C 19、光隔离器C 20、声光移频器C 21、二分之一波 片C 22和光纤耦合器C 23依次同轴放置；单模保偏光纤24具有三个输入端与一个输出端， 三个输入端分别与光纤耦合器A 17、光纤耦合器B 18、光纤耦合器C 23相连，输出端与准 直镜组25相连；准直镜组25、分光镜A 26、分光镜B 29和透镜B 30依次同轴放置，在分 光镜B 29的反射方向依次放置透镜C 31和位置传感器32，位置传感器32与信号处理卡38 相连，在分光镜A 26的反射方向依次放置透镜A27和参考反射镜28，在分光镜A 26的另一 个反射方向依次放置透镜D 33和光电探测器34，锁相放大单元A 35、锁相放大单元B 36、锁相放大单元C 37均与光电探测器34和信号处理卡38相连。
一种基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法，其特征在于该方法步骤如下：
(1)该方法利用扫描机构、多波长干涉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，多波长干涉测头固定在该 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)通过扫描机构将多波长干涉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；然后利用多波长 干涉测头对被测非球面进行测量；
(3)多波长干涉测头采用三个稳频激光器作为光源，波长分别为λ1、λ2和λ3，三台稳频 激光器的输出光首先分别经过一个光隔离器，以消除回光对稳频激光器的影响，然后被声光 移频器调制，调制频率分别为f1、f2和f3；三束输出光分别被耦合进同一个保偏光纤进行合光 与传输，通过调节三束输出光的偏振方向使其与保偏光纤的快轴方向相匹配；
(4)三束激光经保偏光纤合光传输后被准直成同轴平行光束，平行光束被分光镜分为两 部分，其中一部分被透镜会聚到参考镜上作为参考光，另一部分被透镜会聚到被测非球面上 作为测量光；
(5)被测非球面的反射光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，直至使多波长干涉测头的测 量光与被测非球面垂直，此时旋转机构的角度记为θ1，从而保证在测量过程中，多波长干涉 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；
(6)当多波长干涉测头的测量光与被测非球面垂直时，被测非球面的另一部分反射光与参考镜的反射光重新在分光镜处叠加形成干涉信号，该干涉信号由波长为λ1、λ2和λ3的三个干涉分量组成，该干涉信号被光电探测器接收转换成电信号；由于三个干涉分量具有不同的调制频率，其大小分别为f1、f2和f3，利用锁相放大技术将三个干涉分量分离，获得波长为λ1、λ2和λ3的三个独立干涉信号I1、I2和I3，并送入信号处理系统进行处理；
(7)通过对三个激光波长λ1、λ2和λ3进行组合可以构成两个合成波长Λ1和Λ2，其大小 分别为：Λ1＝λ1λ2/(λ1-λ2)，Λ2＝λ1λ3/(λ1-λ3)，合成波长Λ1、Λ2与任意一个激光波长可以构成一 个三级波长链，实现绝对距离测量，扩大多波长干涉测头的测量范围，并对台阶形状可直接 进行测量，台阶高度要小于最大合成波长的一半；
(8)最终信号处理系统通过分析测量过程中记录的x1、z1、θ1、I1、I2和I3，可以计算出 被测非球面上待测点的坐标值；
(9)按照预先设定的扫描轨迹，扫描机构将多波长干涉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)～(8)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。
Claims (2)
1.一种基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法，其特征在于该方法步骤如下：
(1)该方法利用扫描机构、多波长干涉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，多波长干涉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) 通过扫描机构将多波长干涉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；然后利用多波长干涉测头对被测非球面进行测量；
(3) 多波长干涉测头采用三个稳频激光器作为光源，波长分别为λ1、λ2和λ3，三台稳频激光器的输出光首先分别经过一个光隔离器，以消除回光对稳频激光器的影响，然后被声光移频器调制，调制频率分别为f1、f2和f3；三束输出光分别被耦合进同一个保偏光纤进行合光与传输，通过调节三束输出光的偏振方向使其与保偏光纤的快轴方向相匹配；
(4) 三束激光经保偏光纤合光传输后被准直成同轴平行光束，平行光束被分光镜分为两部分，其中一部分被透镜会聚到参考镜上作为参考光，另一部分被透镜会聚到被测非球面上作为测量光；
(5) 被测非球面的反射光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，直至使多波长干涉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，从而保证在测量过程中，多波长干涉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；
(6) 当多波长干涉测头的测量光与被测非球面垂直时，被测非球面的另一部分反射光与参考镜的反射光重新在分光镜处叠加形成干涉信号，该干涉信号由波长为λ1、λ2和λ3的三个干涉分量组成，该干涉信号被光电探测器接收转换成电信号；由于三个干涉分量具有不同的调制频率，其大小分别为f1、f2和f3，利用锁相放大技术将三个干涉分量分离，获得波长为λ1、λ2和λ3的三个独立干涉信号I1、I2和I3，并送入信号处理系统进行处理；
(7)通过对三个激光波长λ1、λ2和λ3进行组合可以构成两个合成波长Λ1和Λ2，其大小分别为：Λ1＝λ1λ2/(λ1-λ2)，Λ2＝λ1λ3/(λ1-λ3)，合成波长Λ1、Λ2与任意一个激光波长可以构成一个三级波长链，实现绝对距离测量，扩大多波长干涉测头的测量范围，并对台阶形状可直接进行测量，台阶高度要小于最大合成波长的一半；
(8)最终信号处理系统通过分析测量过程中记录的x1、z1、θ1、I1、I2和I3，可以计算出被测非球面上待测点的坐标值；
(9)按照预先设定的扫描轨迹，扫描机构将多波长干涉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)～(8)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。
2.一种基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量系统，其特征在于，该系统包括X向导轨(1)、Z向导轨(2)、旋转机构(3)、多波长干涉测头(4)、被测非球面(5)、回转工作台(6)、Z向激光干涉仪(7)、X向激光干涉仪(8)；其中，X向导轨(1)与Z向导轨(2)相互垂直安装，可以实现XZ平面内的扫描，多波长干涉测头(4)通过旋转机构(3)固定在Z向导轨(2)的末端，可以实现多波长干涉测头(4)的旋转运动，Z向激光干涉仪(7)与X向激光干涉仪(8)固定在Z向导轨(2)上，且Z向激光干涉仪(7)与X向激光干涉仪(8)测量光的轴线方向均通过旋转机构(3)的中心，被测非球面(5)固定在回转工作台(6)上；所述的多波长干涉测头(4)结构较复杂，包括稳频激光器A(9)、稳频激光器B(10)、光隔离器A(11)、光隔离器B(12)、声光移频器A(13)、声光移频器B(14)、二分之一波片A(15)、二分之一波片B(16)、光纤耦合器A(17)、光纤耦合器B(18)、稳频激光器C(19)、光隔离器C(20)、声光移频器C(21)、二分之一波片C(22)、光纤耦合器C(23)、单模保偏光纤(24)、准直镜组(25)、分光镜A(26)、透镜A(27)、参考反射镜(28)、分光镜B(29)、透镜B(30)、透镜C(31)、位置传感器(32)、透镜D(33)、光电探测器(34)、锁相放大单元A(35)、锁相放大单元B(36)、锁相放大单元C(37)、信号处理卡(38)；其中，稳频激光器A(9)、光隔离器A(11)、声光移频器A(13)、二分之一波片A(15)和光纤耦合器A(17)依次同轴放置，稳频激光器B(10)、光隔离器B(12)、声光移频器B(14)、二分之一波片B(16)和光纤耦合器B(18)依次同轴放置，稳频激光器C(19)、光隔离器C(20)、声光移频器C(21)、二分之一波片C(22)和光纤耦合器C(23)依次同轴放置；单模保偏光纤(24)具有三个输入端与一个输出端，三个输入端分别与光纤耦合器A(17)、光纤耦合器B(18)、光纤耦合器C(23)相连，输出端与准直镜组(25)相连；准直镜组(25)、分光镜A(26)、分光镜B(29)和透镜B(30)依次同轴放置，在分光镜B(29)的反射方向依次放置透镜C(31)和位置传感器(32)，位置传感器(32)与信号处理卡(38)相连，在分光镜A(26)的反射方向依次放置透镜A(27)和参考反射镜(28)，在分光镜A(26)的另一个反射方向依次放置透镜D(33)和光电探测器(34)，锁相放大单元A(35)、锁相放大单元B(36)、锁相放大单元C(37)均与光电探测器(34)和信号处理卡(38)相连。
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