CN111982027A - 基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统

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

为了解决现有非接触式检测系统对自由曲面的测量误差大的问题，本发明提供基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，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；所述宽光谱光源、耦合透镜组和半反半透分光镜顺次设置，被测元件、聚焦镜组、半反半透分光镜、光阑、光谱测量系统和光谱探测器顺次设置，被测元件和光阑均位于聚焦镜组的焦点上；

所述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、穿过光阑的通光孔、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，所述聚焦点均位于聚焦镜组光轴上。

本发明的有益效果是：

本发明基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统通过采用线性色散的聚焦镜组，减少测量系统在被测元件法线方向的运动，降低光谱线性测量头的运动误差积累，使得非接触式测量时间被大幅度压缩，极大提高了测量效率；其大行程色散测量范围减小了测量过程中的运动累积误差，提高了测量系统的测量精度。

附图说明

图1为本发明的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统的结构示意图。

图中：1、白光光源，2、耦合透镜组，3、半反半透分光镜，4、聚焦镜组，5、被测元件，6、光阑，7、光谱测量系统，8、光谱探测器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，如图1，包括：宽光谱光源、耦合透镜组2、半反半透分光镜3、聚焦镜组4、光阑6、光谱测量系统7和光谱探测器8。宽光谱光源、耦合透镜组2和半反半透分光镜3顺次设置，沿耦合透镜组2光轴方向顺次设置。被测元件5、聚焦镜组4、半反半透分光镜3、光阑6、光谱测量系统7和光谱探测器8顺次设置，沿聚焦镜组4光轴方向顺次设置。耦合透镜组2对应宽光谱光源出光口设置。半反半透分光镜3对应耦合透镜组2设置，位于聚焦镜组4、半反半透分光镜3和光阑6之间。被测元件5和光阑6均位于聚焦镜组4的焦点上，如图1被测元件5位于聚焦镜组4下侧的焦点上，光阑6位于聚焦镜组4上侧的焦点上。

宽光谱光源出射的光入射到经耦合透镜组2，经耦合透镜组2汇聚后入射到半反半透分光镜3上，经半反半透分光镜3反射得到反射光束，反射光束入射到聚焦镜组4，经聚焦镜组4透射得到不同颜色的聚焦点，经聚焦镜组4透射的光束入射到被测元件5表面，在被测元件5表面发生反射得到测量光束，测量光束入射到聚焦镜组4，经聚焦镜组4透射入射到半反半透分光镜3，经半反半透分光镜3透射透入射到光阑6，测量光束通过光阑6的通光孔，然后测量光束入射到光谱测量系统7，最后测量光束入射到光谱探测器8。光谱测量系统7接收测量光束并进行光谱测量。光谱探测器8接收经过光谱测量系统7后的测量光束并形成测量数据。

上述反射光束经聚焦镜组4透射得到不同颜色的聚焦点，所有不同颜色的聚焦点均位于聚焦镜组4光轴上，所有颜色的聚焦点沿光轴排成一列。被测元件5设置在聚焦镜组4的焦点处，被测元件5的被测面位于聚焦镜组4光轴上，被测元件5的被测面位于任意一个聚焦点处，即可位于距离聚焦镜组4最近的聚焦点处、可位于距离聚焦镜组4最远的聚焦点处、也可位于距离聚焦镜组4最近的聚焦点和距离聚焦镜组4最远的聚焦点之间。所述测量光束为聚焦点位于被测元件5上并发生反射的光束，入射到被测元件5上的光束中，只有聚焦点位于被测元件5表面上的光束能够穿过光阑6的通光孔(能够在光阑6处聚焦)，也就是只有聚焦点位于被测元件5上的光束才能够依次经被测元件5反射、经聚焦镜组4透射、经半反半透分光镜3透射、穿过光阑6的通光孔、经光谱测量系统7测量光谱后入射到光谱探测器8。

依次经耦合透镜组2汇聚和半反半透分光镜3透射的光束不进入光阑6的通光孔、光谱测量系统7和光谱探测器8。经耦合透镜组2聚焦射入到半反半透分光镜3的光束称为入射光束，入射光束的射入方向与半反半透分光镜3的分光面成45°，使入射光束经过45度反射，即反射光束和测量光束均垂直入射光束，反射光束、测量光束均和聚焦镜组4光轴重合。

宽光谱光源出射的光包括可见光。本实施方式中宽光谱光源采用白光光源1，作用是输出的一定光谱范围的光，波长范围为450nm～750nm，以便提供测量的输入信号光。宽光谱光源为点光源。

耦合透镜组2用于汇聚白光光源1的出射光，缩小出射光发散角。白光光源1的出射光经过耦合透镜组2进行汇聚后，照射至半反半透分光镜3的分光面上，半反半透分光镜3位于耦合透镜组2附近，优选的是：白光光源1的出射光经耦合透镜组2聚焦在半反半透分光镜3的分光面。耦合透镜组2的通光口径为10mm，焦距为26mm，包括第一双胶合透镜和第二双胶合透镜，宽光谱光源、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜和半反半透分光镜3顺次设置。第一双胶合透镜为凸、凹、凸结构，焦距为28mm，由第一片透镜和第一片透镜双胶合，第一片透镜为凸凹透镜(沿光路传输方向)，第二片透镜为凸凸透镜(沿光路传输方向)。第二双胶合透镜为凸、凹、凸结构，焦距为423mm，由第三片透镜和第四片透镜组成，第三片透镜为凸凹透镜(沿光路传输方向)，第二片透镜为凸凸透镜(沿光路传输方向)。

半反半透分光镜3为立方棱镜，其材料为融石英，尺寸为12.7mm×12.7mm×12.7mm。半反半透分光镜3为能量分光形式，采用50/50的分光比例，将耦合透镜组2透射的光束的一半能量反射，同时能够将测量光束透过后进入光谱测量系统7。

聚焦镜组4的通光口径为12mm，焦距为12mm，包括第三双胶合透镜、第四双胶合透镜和第五双胶合透镜，半反半透分光镜3、第三双胶合透镜、第四双胶合透镜、第五双胶合透镜和被测元件5顺次设置。。第三双胶合透镜为凸、凹、凸结构，焦距为128mm，由为凸凸透镜的第五片透镜和为凹凸透镜的第六片透镜双胶合；第四双胶合透镜为凸、凹、凸结构，焦距为30mm，由为凸凸透镜的第七片透镜和为凹凸透镜的第八片透镜双胶合；第五双胶合透镜为凸、凹、凹结构，焦距为23mm，由为凸凹透镜的第九片透镜和为凸凹透镜的第十片透镜双胶合。第三双胶合透镜、第四双胶合透镜和第五双胶合透镜共焦，形成一共焦系统，并反射光束经聚焦镜组4色散，因此本文中聚焦镜组4也称为色散共焦镜组。聚焦镜组4能够在被测元件5附近形成产生大行程的线性色散，并将该线性色散作为非接触式测量的测量范围，一方面，大行程的线性色散测量范围使得测量头在被测元件5光轴方向的运动大为减少，大幅度提高了测量范围，另一方面，减小了测量头由于持续运动带来的累积误差，提高了非接触式测量精度。通过对反射光束聚焦后，产生大的线性共焦测量范围，同时不同颜色的聚焦点在光轴上线性分布。这样避免了自由曲面非接触式测量系统在被测面发现方向的频繁移动，降低了运动带来的累积误差，提高了自由曲面非接触式测量系统的测量精度。同时，减少测量系统在被测元件5法线方向的运动，使得非接触式测量时间被大幅度压缩，极大提高了测量效率。

被测元件5放置在聚焦镜组4的焦点位置，反射光束中聚焦点位于经过被测元件5表面的光束被被测元件5表面自反射后得到测量光束，测量光束返回色散共焦镜组，测量光束先经聚焦镜组4透射后、然后经半反半透分光镜3透射、再进入光阑6，刚好聚焦在被测元件5表面的光谱部分被光阑6通光孔透过，进入光谱测量系统7，光阑6为圆形可变光阑6。光谱测量系统7对光阑6透射的测量光束，在其内部通过光栅分光后，进入聚焦部分，成像在光谱探测器8上，光谱测量系统7为全反射光栅式分光测量系统，包括平面反射光栅和离轴聚焦系统两部分，其中平面反射光栅工作波长范围为500nm～1500nm，分辨率为0.1nm，离轴聚焦系统口径为20mm，焦距为50mm。全反射光栅式分光测量系统实现了测量光束的高精度光谱测量，光谱测量系统7的分辨率直接决定了该测量系统的测量精度，提高了非接触式测量系统的精度。光谱探测器8接收经过光谱测量系统7分光并聚焦后的测量光束，并形成测量光谱数据。

该基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统具有高效的非接触式测量能力，在被测通光口径大于100mm，被测元件5矢高小于50mm情况下，可以实现精度为200nm(PV)的高精度非接触式测量，同时测量效率比现有测量系统提高到3～5倍。

本发明基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统的主要结构为点光源输入的多波段白光经过半反半透分光镜3，通过调整半反半透分光镜3的角度，改变入射光束的反射方向，使得反射光束几乎完全垂直向下，被半反半透分光镜3反射的反射光经过聚焦镜组4重新聚焦，使得光束在被测元件5附近形成线性色散。经过被测元件5表面反射后，光束沿原路返回进入聚焦镜组4后，穿过半反半透分光镜3后再次聚焦(在光阑6处聚焦)，此时只有反射光束中聚焦点刚好位于被测元件5表面的光束能够在光阑6处聚焦；通过光阑6后，进入光谱测量系统7。光谱测量系统7对进入的光束将光束分光、进行光谱测量并通过聚焦系统聚焦在光谱仪探测器上。本发明采用双波段干涉技术进行误差标定，解决了测量系统在XY平面直线移动的误差累积问题，利用色散共焦线性技术进行自由曲面面形误差的测量，通过设计大相对孔径的聚焦镜组4，使得测量系统具有大的线性色散测量范围，在该测量范围内，测量系统无需移动，消除了运动累积误差，极大提高了测量效率和测量精度。

另外光谱测量系统7的分辨率直接决定了该测量系统的测量精度，通过采用高精度的光谱测量系统7能进一步提高非接触式测量系统的精度。利用反射式接收光谱仪，对经过光谱共焦光阑6的光束色散后接收，接收光谱仪分辨率高，同时提高了系统的测量精度。

Claims (8)

1.基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，包括：宽光谱光源、耦合透镜组(2)、半反半透分光镜(3)、聚焦镜组(4)、光阑(6)、光谱测量系统(7)和光谱探测器(8)；所述宽光谱光源、耦合透镜组(2)和半反半透分光镜(3)顺次设置，被测元件(5)、聚焦镜组(4)、半反半透分光镜(3)、光阑(6)、光谱测量系统(7)和光谱探测器(8)顺次设置，被测元件(5)和光阑(6)均位于聚焦镜组(4)的焦点上；

所述宽光谱光源的出射光依次经耦合透镜组(2)汇聚、经半反半透分光镜(3)反射、经聚焦镜组(4)透射、经被测元件(5)反射、经聚焦镜组(4)透射、经半反半透分光镜(3)透射、穿过光阑(6)的通光孔、经光谱测量系统(7)测量光谱后入射到光谱探测器(8)；经半反半透分光镜(3)反射进入到聚焦镜组(4)的光束经聚焦镜组(4)透射得到不同颜色的聚焦点，所述聚焦点均位于聚焦镜组(4)光轴上。

2.如权利要求1所述的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，所述宽光谱光源的出射光与半反半透分光镜(3)的分光面成45°。

3.如权利要求1所述的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，所述半反半透分光镜(3)的分光面位于耦合透镜组(2)的焦点上。

4.如权利要求1所述的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，所述光谱测量系统(7)为全反射光栅式分光测量系统。

5.如权利要求1所述的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，所述聚焦镜组(4)包括为凸凹凸结构第三双胶合透镜、为凸凹凸结构的第四双胶合透镜和为凸凹凹结构的第五双胶合透镜，半反半透分光镜(3)、第三双胶合透镜、第四双胶合透镜、第五双胶合透镜和被测元件(5)顺次设置。

6.如权利要求1所述的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，所述耦合透镜组(2)包括为凸凹凸结构的第一双胶合透镜和为凸凹凸结构的第二双胶合透镜，宽光谱光源、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜和半反半透分光镜(3)顺次设置。

7.如权利要求1所述的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，所述宽光谱光源采用白光光源(1)。

8.如权利要求1所述的基于色散共焦的自由曲面非接触式测量系统，其特征在于，依次经所述耦合透镜组(2)汇聚和半反半透分光镜(3)透射的光束不进入光谱测量系统(7)和光谱探测器(8)。

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