CN205655804U - 基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统，包括运动模块、位置伺服模块和双频激光干涉仪；所述运动模块包括转台、导轨、音圈电机、滑块和机架；所述位置伺服模块包括彩色共焦位移传感器、信号调理器、自动跟踪控制器、音圈电机驱动器、光栅尺和光栅尺读数头；所述双频激光干涉仪包括激光器、平面干涉镜组和可移动反光镜；本实用新型采用探头自动跟踪的测量方式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。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种非接触式光学三维形貌测量领域，尤其是涉及一种非球面和自由表面的测量。
背景技术
自由曲面光学元件由于其较小的畸变和较轻的质量等优点，有很大的市场前景和需求。目前，随着超精密加工技术的发展(包括快刀伺服，慢刀伺服和微铣削等)，自由曲面加工已成为可能，自由曲面的先进制造技术为自由曲面的应用创造了前提，使自由曲面光学元件在很多领域得到广泛应用，如航空航天。相对于制造加工技术的发展，自由曲面的测量方法并没有很大的进展。当前的测量方法还是多采用接触式测量，如Taylor Hobsion PGI.但接触式测量有可能对表面造成损伤。
因此采用光学非接触式测量方法成为主流的研究方向。其中高精度，大量程和高轴向分辨率的位移传感器是非接触式测量自由曲面技术的关键。然而通常情况下，高精度的位移传感器的量程比较短。为了解决高精度位移传感器量程短的问题，许多研究已经在进行中。其中有两种比较典型的方法。一种是采用轨迹规划的方法来避免测量范围超过传感器的量程，比如RensHenselmans等人发明的NANOMEFOS系统，Scott DeFisher等人发明的UltraSurfd系统以及Taylor Hobbson的LuphoScan系统。这些系统都有很好的性能。但这些系统所采用的轨迹跟踪是个高难度的工作，它需要很复杂的算法和软件支持，尤其是是当被测表面的设计参数未知时。除此之外，这些系统价格昂贵，导致我们很难用得起。为了克服轨迹规划的缺点，第二种方法被设计用来测量较小斜率的自由曲面，比如AgustíPintó发明的PLuAPEX系统。取代了轨迹规划，这种方法采用伺服单元实时的控制探头的位置来跟踪测量表面。最后根据跟踪轨迹和跟踪误差得出被测曲面形状。然而这种方法由于探头的质量和体积等原因导致扫描速度较慢，而且伺服单元不能满足快速和高精度测量的要求。
发明内容
本实用新型为了解决接触式测量可能对表面造成的损伤问题，同时为了提 高非接触式的测量精度，测量范围与扫描速度，而提出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。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：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，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、导轨、音圈电机、滑块和机架；所述位置伺服模块包括彩色共焦位移传感器、信号调理器、自动跟踪控制器、音圈电机驱动器、光栅尺和光栅尺读数头；所述双频激光干涉仪包括激光器、平面干涉镜组和可移动反光镜；所述音圈电机包括线圈和磁钢；
待测光学元件放置在转台上，转台能够沿X,Y方向做高精度运动；所述导轨、光栅尺读数头和音圈电机的磁钢固定于机架上；所述彩色共焦位移传感器、音圈电机的线圈和可移动反光镜固定在滑块上，滑块放置在导轨上，能够沿导轨直线滑动；所述彩色共焦位移传感器、信号调理器、自动跟踪控制器和音圈电机驱动器依次相连；所述音圈电机驱动器与音圈电机的线圈连接，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沿导轨直线运动；
所述平面干涉镜组位于可移动反光镜正上方，所述激光器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；当滑块移动时，可移动反光镜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的运动跟踪轨迹信号；
所述彩色共焦位移传感器输出包含其与待测光学元件表面实际距离值的光谱信号，经信号调理器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中进行PID控制，输出音圈电机驱动器的控制信号，音圈电机驱动器发送运动指令给音圈电机，音圈电机驱动滑块沿导轨滑动，从而带动彩色共焦位移传感器和可移动反射镜一起运动，同时光栅尺读数头将测得的实时运动数据再反馈给音圈电机驱动器，从而形成闭环控制。
进一步地，所述光栅尺和光栅尺读数头分辨率为20nm；所述自动跟踪控制器为积分分离式PID控制器；所述音圈电机驱动器为COPLEY电机驱动器。
进一步地，所述双频激光干涉仪采用agilent平面干涉仪，其真空波长为632.991354nm，波长精度±0.1ppm，波长稳定性：±0.002ppm(1小时)。
进一步地，所述彩色共焦位移传感器采用STIL的彩色共焦位移传感器，其工作距离为20mm，最大倾斜角度为±21°，测量范围为4.0mm。
进一步地，所述导轨采用米思米直线导轨，其精度达到um级，基本额定动负载1400N，基本额定静负载2200N。
进一步地，所述平面干涉镜组包括偏振分光棱镜、固定反射镜、参考镜和1/4λ玻片；所述激光器发出的双频激光信号，经过偏振分光棱镜分成两束不同频率的光，一束作为测量光(频率f1)，一束作为参考光(频率f2)；测量光经过1/4λ玻片后入射到可移动反光镜再返回经过1/4λ玻片和固定反射镜后又再一次入射在可移动反光镜上，然后原路返回经偏振分光棱镜后入射到激光器；当滑块移动时，会导致返回的测量光的频率发生变化，即变为f1±Δd；同时参考光经偏振分光棱镜与1/4λ玻片后入射到参考镜，然后反射光先后经偏振分光棱镜、固定反射镜和偏振分光棱镜再次入射到参考镜，然后经反射后被激光器接收；因为参考镜固定不动，所以此时频率不变，为f2；激光器经处理后可得出Δd，从而根据Δd换算出彩色共焦位移传感器的运动跟踪轨迹信号。
本实用新型的有益效果是：采用探头自动跟踪的测量方式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。
附图说明
图1是本实用新型自由曲面光学元件形貌测量系统的原理框图；
图中，转台1、测光学元件2、机架3、滑块4、音圈电机5、可移动反光镜6、导轨7、光栅尺8、光栅尺读数头9、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、参考镜14、固定反射镜15、偏振分光棱镜16、激光器17、1/4λ玻片18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步阐述。
如图1所示，本实用新型提供的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，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。
优选的，所述光栅尺8和光栅尺读数头9分辨率为20nm；所述自动跟踪控制器12为积分分离式PID控制器；所述音圈电机驱动器13为COPLEY电机驱动器。
优选的，所述双频激光干涉仪采用agilent平面干涉仪，其真空波长为632.991354nm，波长精度±0.1ppm，波长稳定性：±0.002ppm(1小时)。
优选的，所述彩色共焦位移传感器10采用STIL的彩色共焦位移传感器，其工作距离为20mm，最大倾斜角度为±21°，测量范围为4.0mm。
优选的，所述导轨7采用米思米直线导轨，其精度达到um级，基本额定动负载1400N，基本额定静负载2200N。
优选的，所述平面干涉镜组包括偏振分光棱镜16、固定反射镜15、参考镜14和1/4λ玻片18；所述激光器17发出的双频激光信号，经过偏振分光棱镜16分成两束不同频率的光，一束作为测量光(频率f1)，一束作为参考光(频率f2)；测量光经过1/4λ玻片18后入射到可移动反光镜6再返回经过1/4λ玻片18和固定反射镜15后又再一次入射在可移动反光镜6上，然后原路返回经偏振分光棱镜16后入射到激光器17；当滑块4移动时，会导致返回的测量光的频率发生变 化，即变为f1±Δd；同时参考光经偏振分光棱镜16与1/4λ玻片18后入射到参考镜14，然后反射光先后经偏振分光棱镜16、固定反射镜15和偏振分光棱镜16再次入射到参考镜14，然后经反射后被激光器17接收；因为参考镜14固定不动，所以此时频率不变，为f2；激光器12经处理后可得出Δd，从而根据Δd换算出彩色共焦位移传感器10的运动跟踪轨迹信号。
本实用新型测量系统的工作过程如下：
(1)将待测光学元件2放置在转台1上，转台1沿X,Y方向做S形扫描运动；
(2)在自动跟踪控制器12中设定彩色共焦位移传感器10与待测光学元件2的目标距离；
(3)通过彩色共焦位移传感器10测量其与待测光学元件2的实际距离值，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，通过PID调节来提高控制系统的精度；所述自动跟踪控制器12可采用基于STM32芯片的自动跟踪控制器。
(4)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，此时通过双频激光干涉仪测量彩色共焦位移传感器10的运动跟踪轨迹信号，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；
(5)最后把彩色共焦位移传感器10输出的实际距离值和双频激光干涉仪测得的运动跟踪轨迹(经环境、波长补偿)叠加后得出待测光学元件2的实际形状。
实施例
在实施例中，通过一个设计参数已知的凹镜来验证该测量系统的准确性。首先将凹镜放置在转台上，然后通过气动平台驱动转台先沿X轴方向以速度1mm/s运动18mm，然后沿Y轴方向以速度1mm/s运动0.1mm，接着沿X轴反方向继续以相同速度运动，这样来回运动，实现S型扫描，扫描范围为18mm*18mm。测量参数和设计参数的差别在±2um左右，在凹镜制造商给的公差范围内。
Claims (6)
1.一种基于自动跟踪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)能够沿X,Y方向运动；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，能够沿导轨(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；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)正对平面干涉镜组侧面。
2.根据权利要求1所述的一种基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统，其特征在于，所述光栅尺(8)和光栅尺读数头(9)分辨率为20nm；所述自动跟踪控制器(12)为积分分离式PID控制器；所述音圈电机驱动器(13)为COPLEY电机驱动器。
3.根据权利要求1所述的一种基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统，其特征在于，所述双频激光干涉仪采用agilent平面干涉仪，其真空波长为632.991354nm，波长精度±0.1ppm，波长稳定性：±0.002ppm。
4.根据权利要求1所述的一种基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统，其特征在于，所述彩色共焦位移传感器(10)采用STIL的彩色共焦位移传感器，其工作距离为20mm，最大倾斜角度为±21°，测量范围为4.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统，其特征在于，所述导轨(7)采用米思米直线导轨，其精度达到um级，基本额定动负载1400N，基本额定静负载2200N。
6.根据权利要求1所述的一种基于自动跟踪的自由曲面光学元件形貌测量系统，其特征在于，所述平面干涉镜组包括偏振分光棱镜(16)、固定反射镜(15)、 参考镜(14)和1/4λ玻片(18)；所述激光器(17)发出的双频激光信号，一束经过1/4λ玻片(18)后入射到可移动反光镜(6)再返回经过1/4λ玻片(18)和固定反射镜(15)后又再一次入射在可移动反光镜(6)上，然后原路返回经偏振分光棱镜(16)后入射到激光器(17)；另一束经偏振分光棱镜(16)与1/4λ玻片(18)后入射到参考镜(14)，然后反射光先后经偏振分光棱镜(16)、固定反射镜(15)和偏振分光棱镜(16)再次入射到参考镜(14)，然后经反射后被激光器(17)接收。
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