CN115420214A - 法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置，属于光学精密检测领域。本发明包括传感器测头、三维运动控制系统、计算机软件处理模块，采用纳米级驱动实现载物台和传感器测头的定位。传感器测头为后置分光瞳差动共焦传感器测头。本发明在优化激光差动共焦测量系统结构的前提下，将基于位置敏感探测器PSD反馈的法向跟踪技术与后置分光瞳差动共焦技术相结合，利用基于位置敏感探测器PSD反馈的法向跟踪系统对被测自由曲面样品进行大角度范围内法向跟踪，利用后置分光瞳差动共焦传感器对被测自由曲面样品进行高精度、高稳定性轴向定焦，实现大倾角高精度自由曲面测量。本发明能够降低光路装调难度和成本，且具有抗倾角、高精度、高稳定性的优点。

Description

法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置

技术领域

本发明涉及法向跟踪技术的高精度后置分光瞳差动共焦大倾角高精度测量自由曲面的方法与装置，属于光学精密检测领域。

背景技术

自由曲面光学元件具有较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，已经被越来越广泛的应用。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，高精度的测量方法成为重点研究方向。自由曲面光学表面存在粗糙度较差，倾角变化剧烈、法线方向不规律等特点，因此研究大倾角自由曲面光学面形抗反射率、抗粗糙度的高精度的检测方法具有非常重要的意义。

目前自由曲面光学面形测量方法主要有探针法、激光共焦/差动共焦探测法、干涉测量法、相位测量法、哈特曼波前探测法等。

探针法可分为接触式探针法和非接触光学探针法，其中接触式探针法采用机械探针和样品表面直接发生接触，具备扫描精度高、扫描速度快等特点，但机械探针对样品存在接触力，光学元件表面易划伤严重影响光学元件的精度。非接触光学探针法测量精度高的同时不会对光学元件表面产生损坏，但是当自由曲面表面斜率很大时，干涉条纹密集会增加检测难度，非接触光学探针法易受表面倾角影响，测量精度较低。

干涉法主要分为零位干涉测量和非零位干涉测量，干涉法的灵敏度很高，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。

相位测量法中应用较多的是相位测量偏折法，该方法的系统参数标定过程复杂，标定精度极大的限制了该方法的测量精度，另外样品表面斜率变化较大时，该方法对CCD的性能要求较高。

夏克-哈特曼波前传感器利用采集到的各个子孔径信息拼接出整个口径的斜率信息，具备采样密度大、探测时间短、测量精度高和灵敏度高等优点，但其测量动态范围较小，不适用于表面斜率变化较大的自由曲面样品检测。

共焦法具备抗倾角测量能力，但是其焦点位置探测不灵敏，限制了测量分辨力。激光差动共焦探测技术测量精度高，并且具备较高抗倾角测量能力，而且在较大的表面倾角范围内仍具备较高的探测精度，但该方法需要使用两路离焦量一致的探测器，测量误差大，系统装调困难。

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

为了克服现有技术的不足，本发明的主要目的是提供法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置，在优化改进激光差动共焦测量系统结构的前提下，结合基于PSD的法向跟踪系统实现自由曲面样品的大倾角高精度测量，能够降低光路装调难度和成本，且具有测试效率高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法，将基于位置敏感探测器PSD反馈的法向跟踪技术与后置分光瞳差动共焦技术相结合，利用基于位置敏感探测器PSD反馈的法向跟踪系统对被测自由曲面样品进行大角度范围内法向跟踪，利用后置分光瞳差动共焦传感器对被测自由曲面样品进行高精度、高稳定性轴向定焦，进而实现大倾角高精度自由曲面测量。

所述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法，包括以下步骤：

步骤一、被测自由曲面样品放置在载物台上，对被测自由曲面样品进行去倾斜去偏心的位姿调整，通过三维运动控制系统实现被测自由曲面样品纳米级精确位移扫描；

步骤二、激光光源产生的光束通过扩束镜为平行光束，平行光束经过偏振分光镜的反射光再经过1/4波片和物镜照射在被测自由曲面样品上；

步骤三、被测自由曲面样品的反射光依次经过物镜、1/4波片后，再经偏振分光镜的透射光束进入分光镜分束，经分光镜的反射光束进入感光区域进行光斑质心位置探测，经分光镜的透射光束经过收集透镜会聚，收集透镜会聚的光束有一半被D型光阑遮挡，另一半光束通过D型光阑进入中继镜进行放大，再通过物理双针孔后被二象限光电探测器接收；

步骤四、计算机通过数据采集模块检测的PSD信号强度，计算出PSD靶面光斑质心偏离靶面中心的距离ΔL，图(3)根据光学原理可以算出存在的几何关系ΔL＝f*tan 2β(其中f是物镜的焦距)，从而计算出传感器测头偏离被测点法线方向的角度

然后控制器控制传感器测头转动相应角度β，使PSD光斑质心始终处于靶面中心，实现传感器测头测量光束光轴方向与自由曲面样品被探测点表面局部倾角法线方向一致，实现传感器测头的法向跟踪；

步骤五、计算机通过控制器控制传感器测头上下移动，使测量物镜的焦点在被测自由曲面样品轮廓表面上下移动，计算机通过数据采集模块读取传感器测头中的光电探测器的信号，再将检测的差动共焦信号的前焦信号和后焦信号进行归一化相减处理得到后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线，测得的差动共焦轴向强度曲线零点对应的物镜轴向位置即被测自由曲面样品的轴向坐标，在步骤四实现法向跟踪的前提下，利用后置分光瞳差动共焦测量方法完成对测量点M的轴向位置测量；

步骤六、在完成对测量点M的轴向位置测量后，重复步骤一至五，对被测自由曲面样品下一坐标点进行轴向位置测量，按照预设扫描轨迹进行扫描测量，直至完成全部扫描点，实现自由曲面三维面型轮廓的大倾角高精度测量。

本发明还公开法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置，用于实现所述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法，所述向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置，包括传感器测头、三维运动控制系统、计算机软件处理模块。

所述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置采用纳米级驱动技术实现载物台和传感器测头的纳米分辨率定位。

传感器测头为后置分光瞳差动共焦传感器测头，包括激光光源、扩束镜、偏振分光镜、1/4波片、物镜、分光镜、PSD、收集透镜、D型光阑、中继镜、双针孔、二象限光电探测器。

激光光源产生激光光束，沿着激光光束方向依次放置扩束镜和偏振分光镜偏振分光镜，偏振分光镜反射光束方向依次放置1/4波片和物镜。控制系统使物镜焦点在样品表面。被测自由曲面样品反射的测量光束被物镜探测，沿测量光束方向依次放置1/4波片、PSD、分光镜、收集透镜，测量光束通过分光镜的反射光束进入PSD感光区域进行光斑质心位置探测，并通过计算机软件算法处理实现传感器测头的法向跟踪。测量光束通过分光镜的透射光进入收集透镜进行汇聚，D型光阑放置在收集透镜与收集透镜焦点之间，在收集透镜后面放置中继镜进行光束放大，收集透镜的焦点与中继镜的焦点重合，在中继镜后面依次放置双物理针孔和光电探测器，双针孔放在在中继镜的焦平面上，光电探测器的位置必须能够收集透过双针孔的全部光强，以检测得到横向差动共焦信号的前焦信号和后焦信号。

三维运动控制系统包括：R向运动控制模块、Z向运动控制模块、传感器转轴运动控制模块、气浮回转主轴运动控制模块和音圈电机运动控制模块。

R向运动控制模块承载着Z向运动控制模块、传感器转轴运动控制模块和传感器测头运动控制模块；Z向运动控制模块承载着传感器转轴和传感器测头运动控制模块；传感器转轴端面上承载着后置分光瞳差动共焦传感器测头；R向运动控制模块、Z向运动控制模块和传感器转轴保持两两位置正交关系；R向运动控制模块驱动传感器测头进行法向测量平面内的横向运动，Z向运动控制模块驱动传感器测头进行法向测量平面内的轴向运动，以实现后置分光瞳差动共焦测头在测量平面内进行大行程二维位移移动；

气浮回转主轴固定在大理石基准台面上，载物台固定在气浮回转主轴端面上，气浮回转主轴的回转运动将载物台带动承载的被测自由曲面样品一起进行精确回转位移移动；

传感器测头固定在传感器转轴端面，传感器转轴的角度转动将实现传感器测头对被测自由曲面样品被测点的法向位置跟踪；

物镜固定在传感器测头的音圈电机运动控制模块上，控制器控制音圈电机运动控制模块运动从而实现物镜的轴向微位移移动；

计算机软件处理模块，包括数据采集模块和控制软件。计算机通过控制器实现系统的三维纳米级运动位移控制，根据采集的PSD信号经过算法处理控制传感器转轴实现传感器测头的法向跟踪，根据采集的后置分光瞳差动共焦信号控制传感器测头进行轴向定焦跟踪，计算机对采集的信号进行算法处理，从而实现被测自由曲面样品表面轮廓的大角度高精度测量。

有益效果：

1、本发明公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置，后置分光瞳差动共焦利用D型光阑将自由曲面测量系统的样品离焦变化转化为焦面上光斑的横向移动，然后利用离轴对称分布的双物理针孔对焦面爱丽斑光强进行探测，即能够实现焦前、焦后光强信号的快速探测，并进行归一化差动相减处理，得到抗散射、高灵敏的后置分光瞳横向差动共焦曲线。利用后置分光瞳横向差动共焦曲线的零点对被测自由曲面样品表面位置进行精确定焦，实现自由曲面表面轮廓的高精度测量；且能够降低系统光路装调的复杂程度，降低系统成本，易于系统的小型化和高效化。

2、本发明公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置，利用基于PSD反馈的法向跟踪系统使得测量系统光束始终垂直汇聚于被测自由曲面样品表面，并使得反射光束与测量光束的光路共轴，利于在大角度范围内保持差动共焦探测的高灵敏定焦能力。

3、本发明公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置，利用R向运动控制模块和Z向运动控制模块实现传感器测头的大行程二维直线运动，利用传感器转轴运动控制模块驱动传感器测头旋转并进行法向位置跟踪，气浮回转主轴实现被测自由曲面样品的旋转位置移动，音圈电机运动控制模块实现传感器测头的轴向微位移移动，最终实现自由曲面的三维轮廓扫描。

4、本发明公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置，利用计算机通过三维运动控制系统装置实现被测自由曲面的法向跟踪与轴向焦点跟踪，具有较高的测试效率。

附图说明

图1为本发明公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置整体示意图；

图2为本发明光路示意图；

图3为本发明PSD光路示意图；

图4为本发明前焦、后焦、差动共焦信号曲线示意图；

图5为本发明控制框图；

图6为本发明扫描示意图；

图中：1-R向运动控制模块、2-Z向运动控制模块、3-传感器转轴运动控制模块、4-传感器测头、5-载物台、6-气浮回转主轴运动控制模块、7-大理石基准平台、8-被测自由曲面样品、9-激光光源、10-扩束镜、11-偏振分光镜、12-1/4波片、13-音圈电机运动控制模块、14-物镜、15-分光镜、16-PSD、17-收集透镜、18-D型光阑、19-中继镜、20-双针孔、21-二象限光电探测器、22-计算机、23-控制器、24-数据采集模块、25-入射激光、26-前焦信号、27-后焦信号、28-差动共焦轴向强度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

如1所示，本实施例公开的法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置，具体实现步骤如下：

步骤一、被测自由曲面样品8放置在气浮回转主轴6驱动的载物台5上，对样品8进行去倾斜去偏心位姿调整，计算机22通过控制器23控制气浮回转主轴6实现样品8的旋转运动；计算机22通过控制器控制运动系统做R向运动和Z向运动，实现传感器测头的大行程二维直线纳米级精确位移移动。

步骤二、传感器测头4的物镜14对被测自由曲面样品8进行探测，激光光源9发出的线偏振光通过扩束镜10出射后，经过偏振分光镜11的反射光，依次经过1/4波片12和物镜14照射在被测自由曲面样品8上，被测样品8的反射光再依次经过1/4波片12、偏振分光镜11、进入分光镜15分束，分光镜15分束后的反射光束进入PSD16感光区域进行光斑质心位置探测，分光镜15分束后的透射光束经过收集透镜17会聚，有一半光束被D型光阑18遮挡，一半光束通过光阑18进入中继镜19进行放大，再通过离轴对称分布的物理双针孔20和二象限光电探测器21对焦面爱丽斑光强进行探测。收集透镜的焦点与中继镜的焦点重合，双针孔20放在在中继镜19的焦平面上，光电探测器21的位置必须能够收集透过双针孔20的全部光强，以检测得到差动共焦信号的前焦信号26和后焦信号27曲线，进行归一化差动相减就可以得到差动共焦轴向强度曲线28，差动共焦轴向强度曲线28零点的轴向位置即被测自由曲面样品8的面型轮廓。

其中，当在被测自由曲面样品8没有倾斜的情况下，经被测自由曲面样品8表面反射的光束被物镜14收集，到达PSD16靶面的光斑形态为均匀的圆光斑且光斑质心位置处于靶面中心，即光斑质心偏离靶面中心的距离为零。当在被测自由曲面样品8有倾斜的情况下，经倾斜样品反射的光束被物镜14收集，到达PSD16靶面上的光斑形态为光强分布均匀的椭圆光斑，但光斑质心会偏离靶面中心ΔL距离，其中PSD为位置敏感探测器。

步骤三、计算机22软件通过数据采集模块24检测的PSD16信号强度，计算出PSD16靶面光斑质心偏离靶面中心的距离ΔL，从而计算出传感器测头4偏离被测点法线方向的角度，然后控制传感器转轴3带动传感器测头4转动相应角度，实现传感器测头4测量光束光轴方向与被测自由曲面样品8被探测点表面局部倾角法线方向一致，PSD16光斑质心始终处于靶面中心,实现传感器测头4的法向跟踪。

步骤四、计算机22通过数据采集模块24读取后置分光瞳差动共焦模块中光电探测器21的输出信号，通过控制器23控制后置分光瞳传感器测头4做纳米级轴向运动使自由曲面样品8被测点处于物镜14焦点位置，两路光电探测器21检测的信号强度最大且相近，从而实现对被测自由曲面样品8的轴向定焦跟踪，信号处理得到差动共焦轴向响应曲线28，在步骤三实现法向跟踪的前提下，根据差动共焦轴向曲线28的零点实现对被测自由曲面样品8测量点M的轴向位置测量。

步骤五、在完成对测量点M的轴向位置测量后，重复步骤一至五，对被测自由曲面样品8下一坐标点进行轴向位置测量，按照图6所示的预设扫描轨迹进行扫描测量，直至完成全部扫描点，实现自由曲面三维面型轮廓的大倾角高精度测量。

如图1所示，本实施例还公开法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置，用于实现上述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量的方法，所述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置采用纳米级驱动技术，实现载物台5和传感器测头4的纳米分辨率定位。

所述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置，包括传感器测头4、三维运动控制系统和计算机软件处理模块。

传感器测头4为后置分光瞳差动共焦传感器测头，包括激光光源9、扩束镜10、偏振分光镜11、1/4波片12、物镜14、分光镜15、PSD16、收集透镜17、D型光阑18、中继镜19、双针孔20、二象限光电探测器21。

激光光源9产生激光光束，沿着激光光束方向依次放置扩束镜10和偏振分光镜偏振分光镜11，偏振分光镜11反射光束方向依次放置1/4波片12和物镜14。控制系统23使物镜14焦点在样品8表面。被测自由曲面样品8反射的测量光束被物镜14探测，沿测量光束方向依次放置1/4波片12、PSD16、分光镜15、收集透镜17，测量光束通过分光镜15的反射光束进入PSD16感光区域进行光斑质心位置探测，计算机22软件算法处理实现传感器测头4的法向跟踪。测量光束通过分光镜15的透射光进入收集透镜17进行汇聚，D型光阑18放置在收集透镜17与收集透镜17焦点之间，在收集透镜17后面放置中继镜19进行光束放大，收集透镜17的焦点与中继镜19的焦点重合，在中继镜19后面依次放置双物理针孔20和光电探测器21，双针孔20放在在中继镜19的焦平面上，光电探测器21的位置必须能够收集透过双针孔20的全部光强，以检测得到横向差动共焦信号的前焦信号26和后焦信号27。

三维运动控制系统，包括R向运动控制模块1、Z向运动控制模块2、传感器转轴运动控制模块3、气浮回转主轴运动控制模块6和音圈电机运动控制模块13。

R向运动控制模块1承载着Z向运动控制模块2、传感器转轴运动控制模块3和传感器测头运动控制模块4；Z向运动控制模块2承载着传感器转轴3和传感器测头运动控制模块4；传感器转轴3端面上承载着后置分光瞳差动共焦传感器测头4；R向运动控制模块1、Z向运动控制模块2和传感器转轴3保持两两位置正交关系；R向运动控制模块1驱动传感器测头4进行法向测量平面内的横向运动，Z向运动控制模块2驱动传感器测头4进行法向测量平面内的轴向运动，以实现后置分光瞳差动共焦测头在测量平面内进行大行程二维位移移动。

气浮回转主轴6固定在大理石基准台面7上，载物台5固定在气浮回转主轴6端面上，气浮回转主轴6的回转运动将载物台5带动承载的被测自由曲面样品8一起进行精确回转位移移动。

物镜14固定在传感器测头4的音圈电机运动控制模块13上，控制器23控制音圈电机运动控制模块13运动从而实现物镜14的轴向微位移移动；

计算机22软件处理模块，包括信号采集处理24和软件控制。计算机22通过控制器23实现系统的三维纳米级运动位移控制，根据采集的PSD信号经过算法处理控制传感器转轴3实现传感器测头4的法向跟踪，根据采集的后置分光瞳差动共焦信号控制传感器测头4进行轴向定焦跟踪，计算机22对采集的信号进行算法处理，从而实现被测自由曲面样品8表面轮廓的大角度高精度测量。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法，其特征在于：利用PSD反馈的法向跟踪系统对被测自由曲面样品(8)进行大角度范围内法向跟踪，利用后置分光瞳差动共焦传感器对被测自由曲面样品(8)进行高精度、高稳定性轴向定焦，实现自由曲面表面轮廓的大倾角高精度测量，包括以下步骤，

步骤一、被测自由曲面样品(8)放置在载物台(5)上，对被测自由曲面样品(8)进行去倾斜去偏心的位姿调整，通过三维运动控制系统实现被测自由曲面样品(8)纳米级精确位移扫描；

步骤二、激光光源(9)产生的光束通过扩束镜(10)为平行光束，平行光束经过偏振分光镜(11)的反射光再经过1/4波片(12)和物镜(14)照射在被测自由曲面样品(8)上；

步骤三、被测自由曲面样品(8)的反射光依次经过物镜(14)、1/4波片(12)后，再经偏振分光镜(11)的透射光束进入分光镜(15)分束，经分光镜(15)的反射光束进入(16)感光区域进行光斑质心位置探测，经分光镜(15)的透射光束经过收集透镜(17)会聚，收集透镜(17)会聚的光束有一半被D型光阑(18)遮挡，另一半光束通过D型光阑(18)进入中继镜(19)进行放大，再通过物理双针孔(20)后被二象限光电探测器(21)接收；

步骤四、计算机(22)通过数据采集模块(24)检测的PSD信号强度，计算出PSD靶面光斑质心偏离靶面中心的距离ΔL，图(3)根据光学原理可以算出存在的几何关系ΔL＝f*tan 2β(其中f是物镜的焦距)，从而计算出传感器测头偏离被测点法线方向的角度

然后控制器(23)控制传感器测头(4)转动相应角度β，使PSD光斑质心始终处于靶面中心，实现传感器测头(4)测量光束光轴方向与自由曲面样品被探测点表面局部倾角法线方向一致，实现传感器测头(4)的法向跟踪；

步骤五、计算机(22)通过控制器(23)控制传感器测头(4)上下移动，使测量物镜(14)的焦点在被测自由曲面样品(8)轮廓表面上下移动，计算机(22)通过数据采集模块(24)读取传感器测头(4)中的光电探测器(21)的信号，再将检测的差动共焦信号的前焦信号(26)和后焦信号(27)进行归一化相减处理得到后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(28)，测得的差动共焦轴向强度曲线(28)零点对应的物镜轴向位置即被测自由曲面样品的轴向坐标，在步骤四实现法向跟踪的前提下，利用后置分光瞳差动共焦测量方法完成对测量点M的轴向位置测量；

步骤六、在完成对测量点M的轴向位置测量后，重复步骤一至五，对被测自由曲面样品下一坐标点进行轴向位置测量，按照预设扫描轨迹进行扫描测量，直至完成全部扫描点，实现自由曲面三维面型轮廓的大倾角高精度测量。

2.法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置，用于实现上述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法，其特征在于：包括传感器测头(4)、三维运动控制系统、计算机软件处理模块；

传感器测头，包括激光光源(9)、扩束镜(10)、偏振分光镜(11)、1/4波片(12)、物镜(14)、分光镜(15)、PSD(16)、收集透镜(17)、D型光阑(18)、中继镜(19)、双针孔(20)、二象限光电探测器(21)；

激光光源(9)产生激光光束，沿着激光光束方向依次放置扩束镜(10)和偏振分光镜(11)，偏振分光镜(11)反射光束方向依次放置1/4波片(12)和物镜(14)；控制系统(23)使物镜(14)焦点在被测自由曲面样品(8)表面；被测自由曲面样品(8)反射的测量光束被物镜(14)探测，沿测量光束方向依次放置1/4波片(12)、PSD(16)、分光镜(15)、收集透镜(17)，测量光束通过分光镜(15)的反射光束进入PSD(16)感光区域进行光斑质心位置探测，计算机(22)软件算法处理实现传感器测头(4)的法向跟踪；测量光束通过分光镜(15)的透射光进入收集透镜(17)进行汇聚，D型光阑(18)放置在收集透镜(17)与收集透镜焦点之间，在收集透镜(17)后面放置中继镜(19)进行光束放大，收集透镜(17)的焦点与中继镜(19)的焦点重合，在中继镜(19)后面依次放置双物理针孔(20)和光电探测器(21)，双针孔(20)放在在中继镜(19)的焦平面上，光电探测器(21)的位置必须能够收集透过双针孔(20)的全部光强，以检测得到横向差动共焦信号的前焦信号(26)和后焦信号(27)；

三维运动控制系统，其特征在于：包括R向运动控制模块(1)、Z向运动控制模块(2)、传感器转轴运动控制模块(3)、气浮回转主轴运动控制模块(6)和音圈电机运动控制模块(13)；

R向运动控制模块(1)承载着Z向运动控制模块(2)、传感器转轴运动控制模块(3)和传感器测头(4)；Z向运动控制模块(2)承载着传感器转轴(3)和传感器测头(4)；传感器转轴(3)端面上承载着传感器测头(4)；R向运动控制模块(1)、Z向运动控制模块(2)和传感器转轴(3)保持两两位置正交关系；R向运动控制模块(1)驱动传感器测头(4)进行法向测量平面内的横向运动，Z向运动控制模块(2)驱动传感器测头(4)进行法向测量平面内的轴向运动，以实现后置分光瞳差动共焦测头在测量平面内进行大行程二维位移移动；

气浮回转主轴(6)固定在大理石基准台面7上，载物台(5)固定在气浮回转主轴(6)端面上，气浮回转主轴(6)的回转运动将载物台(5)带动承载的被测自由曲面样品(8)一起进行精确回转位移移动；

传感器测头(4)固定在传感器转轴运动控制模块(3)端面，传感器转轴运动控制模块(3)的角度转动将实现传感器测头(4)对被测自由曲面样品(8)被测点的法向位置跟踪；

物镜(14)固定在传感器测头(4)的音圈电机运动控制模块(13)上，控制器(23)控制音圈电机运动控制模块(13)运动从而实现物镜(14)的轴向微位移移动；

计算机软件处理模块，包括数据采集模块(24)和控制软件；计算机(22)通过控制器(23)实现系统的三维纳米级运动位移控制，根据采集的PSD信号经过算法处理控制传感器转轴(3)实现传感器测头(4)的法向跟踪，根据采集的后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(28)控制传感器测头(4)进行轴向定焦跟踪，计算机(22)对采集的信号进行算法处理，从而实现被测自由曲面样品(8)表面轮廓的大角度高精度测量。

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