CN110954019A - 基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法及装置，属于光学精密检测技术领域。本发明利用高精度水平平面平晶作为X‑Y面的参考基准，去除两导轨高度方向上的直线度误差，同时，利用平面平晶监测X、Y导轨的横向微位移，去除两导轨横向的直线度误差。将监测基准平面的传感器和测量自由曲面高度信息的传感器同轴安装，减少导轨及桁架倾斜带来的阿贝误差；通过参考基准面补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面高精度测量的降维误差分离。纳米精度自由曲面传感器，利用气浮转轴题高测试范围，结合余气回收式气浮导轨的宏‑微跨尺度纳米精度无扰驱动与定位方法，为自由曲面检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段。

Description

基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种大角度自由曲面的高精度检测方法及装置，用于精密光学系统中自由曲面的纳米精度检测，属于光学精密检测技术领域。

技术背景

自由曲面元件具有最大的表面形貌自由度，在成像系统中易消除像差，具有改善光学系统成像质量、提高分辨能力、增大作用距离、简化仪器结构、减小仪器体积及重量和提高可靠性等优点。用自由曲面光学系统代替过去的由平面、球面镜、共轴二次曲面镜等构成的光学系统来提高成像质量，减小系统体积和重量，进而解决成像精度、便携性和可靠性等问题，已经成为光学系统发展的重要趋势。

但是，自由曲面在增加了设计自由度的同时，对光学设计、加工和检测提出了更高的要求。随着光学CAD与数控金刚石点加工技术在光学设计与制造中得到成功应用，自由曲面的设计与加工已不再是主要技术障碍，但测量问题却成为亟待研究解决的难题。金刚石点加工技术对自由曲面面形的加工精度，主要取决于对面形上各点空间坐标的测量准确度，因此，元件面形能否满足设计要求，必须由高精度的检测技术来保证。

目前，国际上自由曲面的表面轮廓测量方法，主要分为光场图像探测法、层析扫描探测法和探针三维扫描探测法三大类。其中，图像探测法测量过程无需对样品进行扫描，测量速度快，但其无法适应任意倾角变化的自由曲面高精度测量，同时易受到样品表面反射率、粗糙度等特性差异影响。层析扫描法原理简单，但对被测零件的尺寸和材料都有一定限制，对运行环境要求较高，现有仪器测量精度较低，仅为1～10mm。探针三维扫描探测法，采用探针对被测自由曲面样品表面进行逐点定位，通过测量各个位置点的坐标重构得到样品表面形貌，通常由坐标测量机驱动探针或者样品进行探测，该方法具有测量精度高、适用范围广等优势，已逐渐成为自由曲面测量的主流技术。

传统的探针三维扫描测量方法包括：清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。其中，清晰度法利用数字图像处理技术，对光学系统的成像质量进行判定，寻找成像最为清晰的点作为定焦位置，但受衍射的限制十分明显，瞄准定位敏度较低，精度浮动在1％～2％之间，定位精度仅为微米量级。飞行时间法测量原理简单,不需要图像处理，但分辨率较低，测量精度约为20～50mm，不适用于精密测量环境中。干涉方法的灵敏度很高，其轴向定位的理论极限可达到1nm，但是对测量环境要求苛刻，并且容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响，实际工程应用受到较大限制。共焦法定焦精度较高，抗环境干扰能力强，并且对样品表面属性差异影响具有一定的抑制能力，轴向定位分辨力可达到200nm。

综上所述，现有测量方法测量精度受样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响大，是目前提高自由曲面轮廓测量精度的主要技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提高自由曲面的检测精度和测试范围，提出一种基于基准平面比较测量的大角度自由曲面测量方法及装置。

本发明利用高精度水平平面平晶作为X-Y面的参考基准，去除两导轨高度方向上的直线度误差，同时，利用平面平晶监测X、Y导轨的横向微位移，去除两导轨横向的直线度误差。将监测基准平面的传感器和测量自由曲面高度信息的传感器同轴安装，减少导轨及桁架倾斜带来的阿贝误差；通过参考基准面补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面高精度测量的降维误差分离。纳米精度自由曲面传感器，利用气浮转轴题高测试范围，结合余气回收式气浮导轨的宏-微跨尺度纳米精度无扰驱动与定位方法，为自由曲面检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段。

一种基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法，包括以下步骤：

步骤一：将平面平晶置于参考平晶姿态调整装置上，利用纳米精度高度测量传感器，对平面平晶表面进行监测。调整参考平晶姿态调整装置的姿态，使其与Z向气浮导轨垂直。

所述平面平晶的面型精度，应达到二十分之一波长。

步骤二：调整气浮转轴的旋转角度，使用于测量自由曲面样品的纳米精度高度测量传感器处于竖直状态，与其用于测量平面平晶的纳米精度高度测量传感器同轴；

步骤三：将被测自由曲面样品放置在一个纳米精度高度测量传感器下方的载物台上，将平面平晶放置在参考平晶姿态调整装置上，利用两个纳米精度高度测量传感器，分别获取平面平晶和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息。当自由曲面高度超过纳米精度高度测量传感器量程时，利用Z向气浮导轨移动，使桁架和被测自由曲面样品发生相对移动。

步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过纳米精度高度测量传感器的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节气浮转轴的旋转角度，使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内。然后，驱动X向气浮导轨和Y向气浮导轨，沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，通过纳米精度高度测量传感器，获取每个测量点的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测。

步骤五：利用纳米精度高度测量传感器测量得到的平面平晶表面高度数据，对X-Y平面扫描检测时的高度方向直线运动误差进行补偿。利用纳米精度高度测量传感器测量得到的平面平晶表面高度数据，对X向气浮导轨平面扫描检测时的横向直线运动误差进行补偿。利用纳米精度高度测量传感器测量得到的平面平晶表面高度数据，对Y向气浮导轨平面扫描检测时的横向直线运动误差进行补偿。将自由曲面样品三维形貌数据和气浮转轴的角度数据{D₁₁(x,y,z,ψ),D₁₂(x,y,z,ψ),…,D₁₂(x,y,z,ψ),D_ij(x,y,z,ψ),…,D_MN(x,y,z,ψ)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

通过气浮转轴带动纳米精度高度测量传感器旋转，提高被测自由曲面样品的可测量范围。

基于上述方法，本发明提出了一种基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量装置。本装置采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，将余气回收式气浮导轨技术、大行程丝杠驱动技术、纳米级压电陶瓷驱动技术和无扰联接器技术相融合，实现宏-微跨尺度纳米精度无扰驱动与测量。

本装置包括主动气浮隔震弹簧、气浮隔震基座、X向气浮导轨、Z向气浮导轨、Y向气浮导轨、龙门架、三块平面平晶、四个纳米精度高度测量传感器、气浮转轴、桁架、参考平晶姿态调整装置。

其中，气浮隔震基座置于主动气浮隔震弹簧上；X向气浮导轨和龙门架固定在气浮隔震基座上；Y向气浮导轨固定安装在龙门架上；Z向气浮导轨固定安装在Y向气浮导轨导套上，并随同Y向气浮导轨运动；参考平晶姿态调整装置安装在X向气浮导轨导套上，并与Z向气浮导轨垂直；利用Z向气浮导轨移动，使桁架和被测自由曲面样品发生相对移动；用于测量平面平晶的纳米精度高度测量传感器，安装在桁架下端；用于测量自由曲面的纳米精度高度测量传感器，通过气浮转轴安装在桁架上端；一块平面平晶与X向气浮导轨平行，一块平面平晶与Y向气浮导轨平行。

本发明所述装置，基于降维思想来补偿系统误差，同时利用气浮轴带动测量传感器转动，提高自由曲面测量范围：将平面平晶置于参考平晶姿态调整装置上作为X-Y参考基准平面装置，纳米精度高度测量传感器用于监测和补偿X向气浮导轨和Y向气浮导轨的高度方向直线度误差；使用2个纳米精度高度测量传感器，分别用于监测和补偿X向气浮导轨和Y向气浮导轨的横向直线度误差，对纳米精度高度测量传感器测量得到的自由曲面表面形貌信息进行降维误差分离，实现大倾角自由曲面形貌的纳米精度检测。

有益效果

本发明对比已有技术，具有以下显著优点：

(1)使用平面平晶作为X-Y参考基准平面的自由曲面三维测量方法，大幅减小了X、Y向导轨直线度误差对自由曲面Z向测量敏感方向的影响；利用监测平面平晶的纳米精度高度传感器和测量自由曲面的纳米精度高度传感器同轴安装的方式，大幅度降低Z轴移动带来的阿贝误差，实现了自由曲面样品轮廓的纳米精度测量。

(2)气浮转轴带动纳米精度高度传感器旋转，提高了被测自由曲面样品的可测量范围，可将被测自由曲面样品轮廓的倾角测量范围从15°提高至180°的大倾角；

(3)基于运动误差解耦无扰驱动技术方案的纳米精度的三维扫描驱动定位方法可在大于100mm的移动范围上实现纳米级进给分辨率和定位，可提高自由曲面样品在进行X向和Y向扫描检测时的精度，使X、Y向位置和尺寸测量精度从2μm提高至0.6μm。

附图说明

图1为本发明方法及装置的第一种结构设计示意图；

图2为本发明方法及装置的第二种结构设计示意图；

图3为本发明测量装置的X-Y平面内扫描检测路径示意图；

图4为本发明装置中，参考平晶姿态调整装置示意图；

其中，1-主动气浮隔震弹簧、2-气浮隔震基座、3-X向气浮导轨、4-龙门架、5-第一纳米精度高度测量传感器、6-第一平面平晶、7-第二纳米精度高度测量传感器、8-第三纳米精度高度测量传感器、9-Z向气浮导轨、10-Y向气浮导轨、11-气浮转轴、12-第二平面平晶、13-第四纳米精度高度测量传感器、14-桁架、15-参考平晶姿态调整装置、16-第三平面平晶、17支撑架，以及18-测量点、19-支撑点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法。

首先，利用平面平晶作为Z向基准反射镜，将用于测量自由曲面的第三纳米精度高度测量传感器，和用于测量平面平晶的第二纳米精度高度测量传感器，同轴安装在桁架上，Z向气浮导轨带动桁架移动；通过处理相应纳米精度高度测量传感器位移测量结果，减少X向气浮导轨和Y向气浮导轨直线度对自由曲面敏感测量Z方向和自由曲面X-Y平面内定位精度的影响，从而实现自由曲面的纳米精度检测。

然后，利用X向气浮导轨带动自由曲面样品和参考平晶姿态调整装置运动，实现自由曲面样品X向扫描测量，利用Y向气浮导轨带动Z向气浮导轨沿Y向运动，实现自由曲面样品Y向扫描测量。

最后，根据测得的若干自由曲面样品表面轮廓数据，进行逆向建模，拟合出被测自由曲面样品表面轮廓，实现被测自由曲面的纳米精度检测。

实施例1

如图1所示，一种基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量装置，包括：主动气浮隔震弹簧1、气浮隔震基座2、X向气浮导轨3、龙门架4、第一纳米精度高度测量传感器5、第一平面平晶6、第二纳米精度高度测量传感器7、第三纳米精度高度测量传感器8、Z向气浮导轨9、Y向气浮导轨10、气浮转轴11、第二平面平晶12、第四纳米精度高度测量传感器13、桁架14、参考平晶姿态调整装置15、第三平面平晶16、支撑架17。

上述组成部件的连接和位置关系为：

气浮隔震基座2安装在主动气浮隔震弹簧1上；X向气浮导轨3和龙门架4，固定在气浮隔震基2上；Y向气浮导轨10固定安装在龙门架4上；第一纳米精度高度测量传感器5固定安装在X向气浮导轨3的导套上；Z向气浮导轨9固定安装在Y向气浮导轨10的导套上，并随同Y向气浮导轨10运动；参考平晶姿态调整装置15安装在X向气浮导轨3的导套上，并与Z向气浮导轨9垂直；桁架14固定在Z向气浮导轨9的末端，并随其上下移动；第四纳米精度高度测量传感器13安装在桁架14下端；第三纳米精度高度测量传感器8，通过气浮转轴11安装在桁架14上端；第二纳米精度高度测量传感器7与第三纳米精度高度测量传感器8同轴固定；第一平面平晶6与X向气浮导轨3平行，第二平面平晶12与Y向气浮导轨10平行。桁架14用于固定第二纳米精度高度测量传感器7，带动其移动。第四纳米精度高度测量传感器13用于检测Y向气浮导轨水平方向直线度。支撑架17固定在X向气浮导轨3的导套上，用于放置自由曲面样品，带动样品做上下移动。第一平面平晶6、第二平面平晶12的面型精度，应达到二十分之一波长。

上述装置进行测量方法如下：

步骤一：将第三平面平晶16放置于参考平晶姿态调整装置15上。利用第二纳米精度高度测量传感器7，对平面平晶表面进行监测。如图4所示，通过调节参考平晶姿态调整装置15上的三个支撑点19的相对高度，来调整参考平晶姿态调整装置15的姿态，第三平面平晶16的表面与Z向气浮导轨9垂直。

步骤二：调整气浮转轴11的旋转角度，使第三纳米精度高度测量传感器8处于竖直状态，并与第二纳米精度高度测量传感器7同轴。

步骤三：将被测自由曲面样品放置在第二纳米精度高度测量传感器7下方的载物台上，将第三平面平晶16放置于参考平晶姿态调整装置15上。利用Z向气浮导轨9带动桁架14沿Z向移动，通过第二纳米精度高度测量传感器7和第三纳米精度高度测量传感器8，同时第三平面平晶16和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息。

步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过第三纳米精度高度测量传感器8的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节气浮转轴11的旋转角度ψ，使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内。然后，驱动X向气浮导轨3和Y向气浮导轨10，沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，如图3所示，通过第三纳米精度高度测量传感器8和第二纳米精度高度测量传感器7获取每个测量点18的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测。

步骤五：利用第二纳米精度高度测量传感器7测量得到的表面高度数据，对X-Y平面扫描检测时直线运动的高度方向误差进行补偿。利用第一纳米精度高度测量传感器5和第四纳米精度高度测量传感器13测量得到的表面高度数据，对X-Y平面扫描检测时的自由曲面定位误差进行补偿。将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z,ψ),D₁₂(x,y,z,ψ),…,D₁₂(x,y,z,ψ),D_ij(x,y,z,ψ),…,D_MN(x,y,z,ψ)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，完成自由曲面形貌的纳米精度检测。

实施例2

如图2所示，一种基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量装置，包括：主动气浮隔震弹簧1、气浮隔震基座2、X向气浮导轨3、龙门架4、第一纳米精度高度测量传感器5、第一平面平晶6、第二纳米精度高度测量传感器7、第三纳米精度高度测量传感器8、Z向气浮导轨9、Y向气浮导轨10、气浮转轴11、第二平面平晶12、第四纳米精度高度测量传感器13、桁架14、参考平晶姿态调整装置15、第三平面平晶16、支撑架17。

上述组成部件的连接和位置关系为：

气浮隔震基座2安装在主动气浮隔震弹簧1上；X向气浮导轨3和龙门架4，固定在气浮隔震基2上；Y向气浮导轨10固定安装在龙门架4上；第一纳米精度高度测量传感器5固定安装在X向气浮导轨3的导套上；第四纳米精度高度测量传感器13固定安装支撑架17上；Z向气浮导轨9固定安装在Y向气浮导轨10的导套上，并随同Y向气浮导轨10运动；被测自由曲面固定在Z向气浮导轨9上进行测量；参考平晶姿态调整装置15安装在自由曲面样品测试位置的正下方并且和Z向气浮导轨9固定在一起；第三平面平晶16安装于参考平晶姿态调整装置15上，并且工作面向下。自由曲面样品和参考平晶姿态调整装置15随Z向气浮导轨9上下移动；桁架14用于固定第二纳米精度高度测量传感器7，带动其移动；桁架14固定安装在X向气浮导轨3的导套上，第三纳米精度高度测量传感器8通过气浮转轴11安装在桁架14上端；第二纳米精度高度测量传感器7安装在桁架14下端，并且第二纳米精度高度测量传感器7与第三纳米精度高度测量传感器8同轴；第四纳米精度高度测量传感器13用于检测Y向气浮导轨水平方向直线度；第一平面平晶6与X向气浮导轨3平行，第二平面平晶12与Y向气浮导轨10平行。支撑架17固定在Z向气浮导轨9的末端，用于放置自由曲面样品，带动样品做上下移动。第一平面平晶6、第二平面平晶12的面型精度，应达到二十分之一波长。

上述装置进行测量方法如下：

步骤一：将第三平面平晶16固定于参考平晶姿态调整装置15上，且工作面向下。利用第二纳米精度高度测量传感器7，对平面平晶表面进行监测。如图4所示，通过调节参考平晶姿态调整装置15上的三个支撑点19的相对高度，来调整参考平晶姿态调整装置15的姿态，第三平面平晶16的表面与Z向气浮导轨9垂直；

步骤二：调整气浮转轴11的旋转角度，使第三纳米精度高度测量传感器8处于竖直状态，并与第二纳米精度高度测量传感器7同轴。

步骤三：将被测自由曲面样品放置在第三纳米精度高度测量传感器8下方的载物台上，将第三平面平晶16放置于参考平晶姿态调整装置15上。利用Z向气浮导轨9带动自由曲面样品和第三平面平晶16沿Z向移动，通过第二纳米精度高度测量传感器7和第三纳米精度高度测量传感器8，同时获取第三平面平晶16和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息。

步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过第三纳米精度高度测量传感器8的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节气浮转轴11的旋转角度ψ，使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内。然后，驱动X向气浮导轨3和Y向气浮导轨10，沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，如图3所示，通过第三纳米精度高度测量传感器8和第二纳米精度高度测量传感器7获取每个测量点18的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测。

步骤五：利用第二纳米精度高度测量传感器7测量得到的表面高度数据，对X-Y平面扫描检测时直线运动的高度方向误差进行补偿。利用第一纳米精度高度测量传感器5和第四纳米精度高度测量传感器13测量得到的表面高度数据，对X-Y平面扫描检测时的自由曲面定位误差进行补偿。将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z,ψ),D₁₂(x,y,z,ψ),…,D₁₂(x,y,z,ψ),D_ij(x,y,z,ψ),…,D_MN(x,y,z,ψ)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，完成自由曲面形貌的纳米精度检测。

Claims (6)

1.基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将平面平晶置于参考平晶姿态调整装置上，利用纳米精度高度测量传感器，对平面平晶表面进行监测；调整参考平晶姿态调整装置的姿态，使其与Z向气浮导轨垂直；

步骤二：调整气浮转轴的旋转角度，使用于测量自由曲面样品的纳米精度高度测量传感器处于竖直状态，与其用于测量平面平晶的纳米精度高度测量传感器同轴；

步骤三：将被测自由曲面样品放置在纳米精度高度测量传感器下方的载物台上，将平面平晶放置在参考平晶姿态调整装置上，利用两个纳米精度高度测量传感器，分别获取平面平晶和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息；当自由曲面高度超过纳米精度高度测量传感器量程时，利用Z向气浮导轨移动，使桁架和被测自由曲面样品发生相对移动；

步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过纳米精度高度测量传感器的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节气浮转轴的旋转角度，使被测自由曲面样品的倾角在系统可测范围内；然后，驱动X向气浮导轨和Y向气浮导轨，沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，通过纳米精度高度测量传感器，获取每个测量点的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测；

步骤五：利用纳米精度高度测量传感器测量得到的平面平晶表面高度数据，对X-Y平面扫描检测时的高度方向直线运动误差进行补偿；利用纳米精度高度测量传感器测量得到的平晶表面高度数据，对X向气浮导轨平面扫描检测时的横向直线运动误差进行补偿；利用纳米精度高度测量传感器测量得到的平面平晶表面高度数据，对Y向气浮导轨平面扫描检测时的横向直线运动误差进行补偿；将自由曲面样品三维形貌数据和气浮转轴的角度数据拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

2.如权利要求1所述的基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法，其特征在于，通过气浮转轴带动纳米精度高度测量传感器旋转，提高被测自由曲面样品的可测量范围。

3.如权利要求1所述的基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量方法，其特征在于，所述平面平晶的面型精度，达到二十分之一波长。

4.基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量装置，其特征在于，包括主动气浮隔震弹簧(1)、气浮隔震基座(2)、X向气浮导轨(3)、龙门架(4)、第一纳米精度高度测量传感器(5)、第一平面平晶(6)、第二纳米精度高度测量传感器(7)、第三纳米精度高度测量传感器(8)、Z向气浮导轨(9)、Y向气浮导轨(10)、气浮转轴(11)、第二平面平晶(12)、第四纳米精度高度测量传感器(13)、桁架(14)、参考平晶姿态调整装置(15)和第三平面平晶(16)、支撑架(17)；

上述组成部件的连接和位置关系为：

气浮隔震基座(2)安装在主动气浮隔震弹簧(1)上；X向气浮导轨(3)和龙门架(4)，固定在气浮隔震基(2)上；Y向气浮导轨(10)固定安装在龙门架(4)上；第一纳米精度高度测量传感器(5)固定安装在X向气浮导轨(3)的导套上；Z向气浮导轨(9)固定安装在Y向气浮导轨(10)的导套上，并随同Y向气浮导轨(10)运动；参考平晶姿态调整装置(15)安装在X向气浮导轨(3)的导套上，并与Z向气浮导轨(9)垂直；第三纳米精度高度测量传感器(8)，通过气浮转轴(11)安装在桁架(14)上；利用Z向气浮导轨(9)的移动，使桁架(14)和被测自由曲面样品发生相对移动；第二纳米精度高度测量传感器(7)用于测量页面基准的相对距离，安装在桁架(14)下端；桁架(14)用于固定第二纳米精度高度测量传感器(7)，带动其移动；第二纳米精度高度测量传感器(7)与第三纳米精度高度测量传感器(8)同轴固定；第四纳米精度高度测量传感器(13)用于检测Y向气浮导轨水平方向直线度；第一平面平晶(6)与X向气浮导轨(3)平行，第二平面平晶(12)与Y向气浮导轨(10)平行；第三平面平晶(16)放置于参考平晶姿态调整装置(15)上，第三平面平晶(16)的表面与Z向气浮导轨(9)垂直；通过调节参考平晶姿态调整装置(15)上的三个支撑点(18)的相对高度，来调整参考平晶姿态调整装置(15)的姿态；支撑架(17)用于放置被测自由曲面样品，带动样品做上下移动。

5.如权利要求4所述的基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量装置，其特征在于，桁架(14)固定在Z向气浮导轨(9)的末端，并随其上下移动；第四纳米精度高度测量传感器(13)安装在桁架(14)的下端；支撑架(17)固定在X向气浮导轨(3)的导套上。

6.如权利要求4所述的基于基准平面比较测量的大倾角自由曲面测量装置，其特征在于，桁架(14)固定安装在X向气浮导轨(3)的导套上；第四纳米精度高度测量传感器(13)固定安装在支撑架(17)上；支撑架(17)固定在Z向气浮导轨(9)的末端。

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