CN206146377U - 一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，包括接触探针、气浮轴承、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统，所述光学干涉系统包括：一个光源、一个激光扩束系统、一个猫眼反射镜、两个反射镜、一个偏振分光镜、一个1/2λ波片、三个1/4λ玻片、一个分束光栅或全息分束单元、一个空间滤波器和一组偏振片组；所述图像采集处理系统包括：CCD相机、图像采集卡和计算机，软件处理系统包括：相位计算模块、面形坐标转换模块、曲面拟合模块和误差分析模块。本实用新型的有益效果：位移测量的精度可达纳米量级，并且能实现实时的在位测量，测量过程可避开振动噪声的干扰，且测量准确性和稳定性高。

Description

一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于光学干涉技术的三维测量装置，尤其涉及一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统。

背景技术

目前各种摄像装置的镜头已朝轻薄短小方向发展，而微小非球面透镜（直径为几毫米到几十微米）成为这一发展趋势的主体力量。根据台湾光电科技工业协进会(PIDA)资料显示，按一部数码相机需搭载 1 到 3 块非球面模压玻璃透镜计算，在 2007 年，数码相机上约有 2.3 亿枚非球面模压玻璃透镜的需求，全世界非球面模压玻璃透镜总产值约占全世界光学组件产量的 19%，非球面模压玻璃透镜已被视为下一代主流镜片。微小非球面透镜制造的关键之处在于超精密模具的加工，而完成非球面模具超精密加工的一个重要前提就是拥有适合在位测量的纳米精度的非球面检测手段。目前在国内，微小透镜模具的加工要求面形精度 P-V值一般在 300nm-100nm，而在国外，尤其在日本，已经获得了 P-V值100nm以下的加工精度，这样，就要求实际面形的测量精度(峰谷值)达到纳米量级，测量精度越高越有利于后续加工；同时由于在现场制造中经常加工大量尺寸和形状各异的非球面模具，这就需要一种灵活的在位测量系统以实现多种类型模具面形的测量，其测量效率应能满足在位测量的要求。面形测量的精度和效率高低将直接影响到下一步的透镜模具加工或透镜模压成型，因此，优秀的面形测量方法将是完成超精密模具加工和透镜模压成型的重要前提。

在实际的微小非球面透镜模具加工过程中，目前常用的测量方法是接触探针扫描法，最具代表性的是英国泰勒霍普森有限公司生产的 Form Talysurf PGI 1240 或 1250A非球面测量系统，其非球面光学元件和模具的形状测量精度可达到几十个纳米；还有日本松下公司利用原子间相互排斥力原理而开发的原子力非球面测量仪“UA3P”，据称这种系统的面形测量精度最高达 10nm。但这两种仪器由于受机床及环境振动的影响，无法用在机床上进行非球面模具的在位测量，而且泰勒公司的 PGI 测量仪容易对软质如铝合金非球面模具表面产生划伤。因此，尽管这两种仪器的精度较高，但无法满足微小透镜模具在位测量的要求。目前在国外进口的超精密机床上都安装有接触探针式在位测量装置，其结构一般采用接触探针与基于激光三角测量原理的位移反馈系统相结合，用于非球面模具加工的初步检测，受位移反馈系统的限制，其测量精度无法达到纳米量级，而且环境振动将影响位移反馈系统的响应精度，同时探针接触力较大，容易划伤软质合金模具表面，将其用于在位测量存在较大缺陷。为解决非球面模具加工的面形在位测量问题，人们把目光转向光学测量上。在采用光学方法测量非球面面形方面，国内外学者提出了许多原理和方法，这些原理和方法也可用于微小透镜模具的面形测量。光学方法依原理可分为非干涉法和干涉法，其中非干涉法主要用来测量大口径或精度要求不高的非球面，而干涉法的测量精度较高，在非球面微小透镜模具的面形测量方面有广阔的应用前景。

在非球面的干涉测量法中，最典型的是补偿干涉法。J.C. Wyant 等人起初提出采用零透镜补偿干涉法实现了非球面的检测，进而发展出采用计算全息图代替零透镜实现非球面的干涉检测，获得了非球面光学干涉测量方法的重大突破，这种方法对非球面测量的精度在几十个纳米左右；C. Pruss 提出了一种采用薄膜镜片代替计算全息图，通过计算机控制薄膜的变形实现非球面面形的检测；Tae-hee Kim设计计算全息板对大口径抛物面镜进行了测量，得到面形测量精度为 100多个纳米；BURGE和 WYANT采用相移结合计算全息补偿法获得亚微米量级的非球面测量精度。在采用零透镜补偿和计算全息干涉法方面国内学者也做了大量的研究工作：天津大学进行了提高计算全息检测非球面精度的研究，可使测量精度提高到 120纳米左右；清华大学设计出了实用型的非球面零位检验 Dall 补偿器，据称面形检测精度可达几个纳米；中国科学院长春光机所利用曲面计算全息图进行了非球面检测，面形检测精度为 234nm；另外苏州大学采用校正法提高补偿器的精度，测量非球面的精度达到 150纳米左右。然而，尽管有的补偿干涉法测量精度很高，可达到纳米量级，但都需要根据所测量的非球面特点制作相应的零透镜、薄膜镜片或计算全息图，这大大降低了测量效率，而且极小的和高精度的计算全息图制作非常困难, 代价很高。在加工不同类型非球面的微小透镜模具时，补偿干涉法的现场测量方案需变更、重新设计和制作，这样效率太低，难以推广，无法用于非球面模具的在位测量。除了补偿干涉法外，国内外学者还提出了用于非球面测量的波带板干涉法和拼接干涉法，其中，波带板干涉法同样需要针对非球类型设计不同的测量方案，效率太低，而拼接干涉法主要用于大口径非球面的测量。

另一种光学测量方法为剪切干涉法，在光学剪切干涉法方面，T. Yatagai和T.Kanou采用 PZT 驱动条纹扫描与横向剪切干涉相结合的方法实现了非球面面形的测量；根据 T. Kanou的方法，日本理光公司开发出非球面测量系统 Aspherometer-200，可测量最大非球面度为 200的非球面，但面形测量精度仅为 200纳米；Seung-Woo Kim等人采用四方棱镜构成横向剪切干涉仪进行了非球面透镜的透射波面检测，但未见用于非球面镜面形的测量报道；Jae-Bong Song等人采用一块楔板和两块透射光栅构成横向剪切干涉仪来测量非球面透镜的透射波面，对其波面测量的误差进行了理论分析。国内学者对剪切干涉测量非球面技术进行了深入的研究：北京工业大学和美国亚利桑那大学合作提出了基于双折射板的横向剪切干涉法，获得 100纳米左右的非球面测量精度；中国航空精密机械研究所研究出了相移式横向剪切干涉法测量非球面面形的检测装置及其配套检测软件，实现了对部分非球面光学零件的测量，面形精度达到 100纳米；西安工业大学也对条纹扫描横向剪切干涉仪进行了研究，得到非球面测量精度为 120 纳米左右；南京理工大学和南昌大学对波带板径向剪切法测量非球面进行了研究，对标准非球面进行测试，面形精度达到了 120纳米的精度；浙江大学对径向剪切干涉法测量深度非球面进行了讨论和系统的理论优化；香港科技大学对抗振型共路横向剪切干涉技术进行了研究，并对其用于非球面透镜的透射波面测量进行了理论研究；另外，西安交通大学和西安工业大学联合研究了环境振动对相移型横向剪切非球面干涉仪的影响，提出了误差补偿算法，并在理论上分析了算法的可行性。剪切干涉技术不需标准参考波面，可灵活测量各种面形的非球面，但用于在位测量存在以下几点缺陷：1）基于干涉对环境的苛刻要求，测量过程要避开环境振动和噪声的干扰，这在机床上是难以实现的；2）测量精度有待提高，对于高精度微小非球面模具而言，现有剪切干涉仪的在位测量精度无法达到纳米级；3）剪切干涉图的处理较为复杂，这在一定程度上制约了在位测量的实时性。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种位移测量的精度可达纳米量级，并且能实现实时的在位测量，测量过程可避开振动噪声的干扰，且测量准确性和稳定性高的混合式非球面透镜模具的在位测量系统。

本实用新型的技术方案：一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，包括接触探针、气浮轴承、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统，所述光学干涉系统包括：一个光源、一个激光扩束系统、一个猫眼反射镜、两个反射镜、一个偏振分光镜、一个1/2λ波片、三个1/4λ玻片、一个分束光栅或全息分束单元、一个空间滤波器和一组偏振片组；所述图像采集处理系统包括：CCD相机、图像采集卡和计算机，软件处理系统包括：相位计算模块、面形坐标转换模块、曲面拟合模块和误差分析模块；

所述光源发射的激光通过 1/2λ波片，形成圆偏振光，通过激光扩束系统放大，并被第一个反射镜反射到偏振分光镜中，偏振分光镜将一部分偏振光束反射，通过第一个1/4λ玻片改变偏振态，入射到猫眼反射镜中，形成物光，猫眼反射镜中的非球面透镜将物光光束始终聚焦在其反射镜面上，猫眼反射镜与接触探针粘连在一起，随接触探针在模具表面滑动，所述接触探针由气浮轴承驱动与控制，使得模具表面形貌的变化信息编码在物光中；

偏振分光镜将另外一部分光束透射，通过第二个1/4λ波片，入射到第二个反射镜，并被第二个反射镜反射，形成参考光束；离开偏振分光镜后，参考光与物光相遇，通过空间滤波器滤除杂散光，并被分束光栅或全息分束单元分成四束等光强的物-参混合光束，再次通过第三个1/4λ波片和偏振片组，形成四幅不同相移量的空间干涉条纹，并成像在 CCD相机 中，图像采集卡将CCD 相机中的图像模拟信号导入计算机，在计算机中进行干涉图像处理，提取模具表面的变化信息，实现非球面模具的形面测量。

优选地，所述气浮轴承包括轴承外圈、测量主轴、设置在轴承外圈和测量主轴之间的前端轴承和后端轴承，所述前端轴承和后端轴承与轴承外圈之间的间隙连通，所述后端轴承与轴承外圈之间的间隙处开有第三气体进口，所述测量主轴上设有段差A和段差B，所述轴承外圈上设有配合段差A的第一气体进口和配合段差B的第二气体进口，所述接触探针通过测量主轴粘结在猫眼反射镜上。

优选地，所述偏振片组由偏振方向分别为 0°,45°,90°和 135°的四块偏振片呈空间正方形排列组成，四副空间干涉条纹的相移量分别为 0、π/2、π和3π/2。

优选地，所述相位计算模块：基于图像匹配算法寻找多幅相移干涉图中同一测量位置的光强值变化，根据不同的光强值采用最小二乘法从相移干涉图中获取相位图；

所述面形坐标转换模块：基于波面理论，建立相位值与位移值之间的关系；所述曲面拟合模块：采取最小二乘法或多项式法进行曲面拟合，获取最终的被测面形；计算拟合误差。

优选地，所述误差分析模块：通过微分方法建立系统的误差模型，对影响测量精度的误差因素进行分析并提出修正方法。

优选地，所述影响测量精度的误差因素主要有:光学元件面形误差、猫眼反射镜的加工误差、气浮轴承的加工误差、探针误差、偏振片制造误差、波片误差、光束入射角误差、CCD的非线性响应误差、多幅相移干涉图的匹配误差、干涉图的后续软件处理误差。

优选地，在第三气体进口加入第三加压气体到前端气浮轴承与后端气浮轴承中，利用轴承中的空隙不同产生不同的压力，使得测量主轴浮动；在第一气体进口加入第一加压气体到测量主轴的气浮通道中，在第二气体进口加入第二加压气体到测量主轴的气浮通道中，利用段差 A与段差 B的面积差，使得前后两端的压力不同，从而可以驱动测量主轴的轴向支撑或者在测量时的测量压力的平衡。

优选地，所述光源采用波长为632.8nm的He-Ne激光器或半导体激光器，第二个反射镜为参考反射镜。

一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统的测量方法，包括下述步骤：

1）由激光器发射的激光通过 1/2λ波片，形成圆偏振光，通过扩束系统放大，并被第一个反射镜反射到偏振分光镜中，偏振分光镜将一部分偏振光束反射，通过第一个 1/4λ改变偏振态，入射到猫眼反射镜中，形成物光；

2）猫眼反射镜中的非球面透镜将物光束始终聚焦在其反射镜面上，而猫眼反射镜与接触探针粘连在一起，随探针在模具表面滑动，探针由纳米精度的气浮轴承驱动与控制，使得模具表面形貌的变化信息编码在物光中；

3）偏振分光镜将另外一部分光束透射，通过第二个1/4λ波片，入射到参考反射镜，并被参考反射镜反射，形成参考光束；

4）离开偏振分光镜后，参考光与物光相遇，通过空间滤波器滤除杂散光，并被分束光栅分成四束等光强的物-参混合光束，通过第三个1/4λ波片和偏振片组，形成四幅相移量为 0、π/2、π和3π/2的空间干涉条纹，并成像在 CCD 中，CCD 与计算机相连，可在计算机中进行干涉图像处理，提取模具表面的变化信息，实现非球面模具的形面测量。

一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统的测量检验方法，包括下述步骤：

1）根据被测模具加工过程中回转对称的特点，采用测量系统测量在位测量模具的横截面形状，转换不同方位进行多次测量，根据对称性恢复三维模具面形，通过曲面拟合方法重建全口径面形，多次测量取均值；与理论值比较，分析其测量精度，并与 Tylor－HobsonPGI 非球面测量机的测量结果进行对比，评价精度；

2）测试测量的速度，并分析影响测量速度的各项因素；

3）在机床上进行测量实验，模拟振动环境下的测量，分析测量精度和抗振动性能；

4）测量软质模具材料，测试探针与模具的接触力，分析探针对模具表面的损伤情况；

5）选择多个不同非球面度的模具，进行上述类似的测量和分析；

6）通过改变光源，测试波长的改变对测量精度的影响。

本实用新型采用接触探针与激光干涉仪相结合的混合式非球面在位测量方法，为减少误差和探针与模具表面的接触力，采用新型纳米精度的微小气浮轴承驱动和控制探针运动，位移反馈系统采用同步相移干涉装置，在空间上同步采集四幅相移干涉图并实时处理，同步相移干涉装置本身的测量精度可达到0.01 波长量级，也即纳米量级，同时可避开环境振动与噪声的干扰，实现高速在位测量，同步干涉仪的物光束通过猫眼反射镜（代替了普通反射镜）反射波长量级，也即纳米量级，同时可避开环境振动与噪声的干扰，实现高速在位测量，同步干涉仪的物光束通过猫眼反射镜（代替了普通反射镜）反射，而猫眼反射镜与探针粘连，因此探针获得的面形信息就反映到猫眼反射镜的位移上，进而形成干涉条纹并通过计算机处理恢复非球面面形，其中猫眼反射镜由非球面透镜和高精度反射镜构成，使激光恒定聚焦，减少测量误差。新型测量方法兼具接触测量的灵活性和高精度特点，适用于微小非球面透镜模具的在位纳米级精度测量。新型测量方法兼具接触测量的灵活性和高精度特点，适用于微小非球面透镜模具的在位纳米级精度测量。

本实用新型可为不同类型非球表面的微小透镜模具提供快速灵活的、纳米精度的在位检测方案，为微小透镜模具的面形误差修正提供科学的依据，进而为提高微小非球面透镜模具的制造精度做铺垫，同时也为完善光学干涉测量理论奠定基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本实用新型的有益效果：位移测量的精度可达纳米量级，并且能实现实时的在位测量，测量过程可避开振动噪声的干扰，且测量准确性和稳定性高。

附图说明

图1为本实用新型的光学结构示意图；

图2为本实用新型中气浮轴承与接触探针的结构示意图；

图中1.半导体激光器，2.激光扩束系统，3.猫眼反射镜，4.反射镜，5.偏振分光镜，6.1/2λ波片，7.第一个1/4λ玻片，8.第二个1/4λ玻片，9. 第三个1/4λ玻片，10.分束光栅，11.空间滤波器，12.偏振片组，13.CCD相机，14. 接触探针，15.气浮轴承，16.轴承外圈，17.测量主轴，18.前端轴承，19.后端轴承，20.参考反射镜，21.第一气体进口，22.第二气体进口，23.第三气体进口，24.段差A，25.段差B，26.待测模具。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明，但并不是对本实用新型保护范围的限制。

如图1和2所示，一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，包括接触探针14、气浮轴承15、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统。光学干涉系统包括：半导体激光器1、激光扩束系统2、猫眼反射镜3、反射镜4、参考反射镜20、偏振分光镜5、1/2λ波片6、分束光栅10、空间滤波器11和偏振片组12以及三个1/4λ玻片。图像采集处理系统包括：CCD相机、图像采集卡和计算机，软件处理系统包括：相位计算模块、面形坐标转换模块、曲面拟合模块和误差分析模块。半导体激光器1发射的激光通过 1/2λ波片6，形成圆偏振光，通过激光扩束系统2放大，并被反射镜4反射到偏振分光镜5中，偏振分光镜5将一部分偏振光束反射，通过第一个1/4λ玻片7改变偏振态，入射到猫眼反射镜3中，形成物光，猫眼反射镜3中的非球面透镜将物光光束始终聚焦在其反射镜面上，猫眼反射镜3与接触探针14粘连在一起，随接触探针14在待测模具26表面滑动，接触探针14由气浮轴承15驱动与控制，使得待测模具26表面形貌的变化信息编码在物光中；

偏振分光镜5将另外一部分光束透射，通过第二个1/4λ波片8，入射到参考个反射镜20，并被参考个反射镜20反射，形成参考光束；离开偏振分光镜5后，参考光与物光相遇，通过空间滤波器11滤除杂散光，并被分束光栅11分成四束等光强的物-参混合光束，通过第三个1/4λ波片9和偏振片组12，形成四幅不同相移量的空间干涉条纹，并成像在 CCD相机13中，图像采集卡将CCD 相机中的图像模拟信号导入计算机，在计算机中进行干涉图像处理，提取待测模具26表面的变化信息，实现非球面模具的形面测量。偏振片组12由偏振方向分别为 0°,45°,90°和 135°的四块偏振片呈空间正方形排列组成，四副空间干涉条纹的相移量分别为 0、π/2、π和3π/2。

气浮轴承15包括轴承外圈16、测量主轴17、设置在轴承外圈16和测量主轴17之间的前端轴承18和后端轴承19。前端轴承18和后端轴承19与轴承外圈16之间的间隙连通，后端轴承19与轴承外圈16之间的间隙处开有第三气体进口23，测量主轴17上设有段差A24和段差B25，轴承外圈16上设有配合段差A24的第一气体进口21和配合段差B25的第二气体进口22，接触探针14通过测量主轴17粘结在猫眼反射镜3上。

相位计算模块：基于图像匹配算法寻找多幅相移干涉图中同一测量位置的光强值变化，根据不同的光强值采用最小二乘法从相移干涉图中获取相位图；

面形坐标转换模块：基于波面理论，建立相位值与位移值之间的关系；

曲面拟合模块：采取最小二乘法或多项式法进行曲面拟合，获取最终的被测面形；计算拟合误差。

误差分析模块：通过微分方法建立系统的误差模型，对影响测量精度的误差因素进行分析并提出修正方法。

影响测量精度的误差因素主要有:光学元件面形误差、猫眼反射镜的加工误差、气浮轴承的加工误差、探针误差、偏振片制造误差、波片误差、光束入射角误差、CCD的非线性响应误差、多幅相移干涉图的匹配误差、干涉图的后续软件处理误差。

在第三气体进口加入第三加压气体到前端气浮轴承与后端气浮轴承中，利用轴承中的空隙不同产生不同的压力，使得测量主轴浮动；在第一气体进口加入第一加压气体到测量主轴的气浮通道中，在第二气体进口加入第二加压气体到测量主轴的气浮通道中，利用段差 A与段差 B的面积差，使得前后两端的压力不同，从而可以驱动测量主轴的轴向支撑或者在测量时的测量压力的平衡。

半导体激光器波长为632.8nm。

一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统的测量方法，包括下述步骤：

1）由激光器发射的激光通过 1/2λ波片，形成圆偏振光，通过扩束系统放大，并被第一个反射镜反射到偏振分光镜中，偏振分光镜将一部分偏振光束反射，通过第一个 1/4λ改变偏振态，入射到猫眼反射镜中，形成物光；

2）猫眼反射镜中的非球面透镜将物光束始终聚焦在其反射镜面上，而猫眼反射镜与接触探针粘连在一起，随探针在模具表面滑动，探针由纳米精度的气浮轴承驱动与控制，使得模具表面形貌的变化信息编码在物光中；

3）偏振分光镜将另外一部分光束透射，通过第二个1/4λ波片，入射到参考反射镜，并被参考反射镜反射，形成参考光束；

4）离开偏振分光镜后，参考光与物光相遇，通过空间滤波器滤除杂散光，并被分束光栅分成四束等光强的物-参混合光束，通过第三个1/4λ波片和偏振片组，形成四幅相移量为 0、π/2、π和3π/2的空间干涉条纹，并成像在 CCD 中，CCD 与计算机相连，可在计算机中进行干涉图像处理，提取模具表面的变化信息，实现非球面模具的形面测量。

一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统的测量检验方法，包括下述步骤：

1）根据被测模具加工过程中回转对称的特点，采用测量系统测量在位测量模具的横截面形状，转换不同方位进行多次测量，根据对称性恢复三维模具面形，通过曲面拟合方法重建全口径面形，多次测量取均值；与理论值比较，分析其测量精度，并与 Tylor－HobsonPGI 非球面测量机的测量结果进行对比，评价精度；

2）测试测量的速度，并分析影响测量速度的各项因素；

3）在机床上进行测量实验，模拟振动环境下的测量，分析测量精度和抗振动性能；

4）测量软质模具材料，测试探针与模具的接触力，分析探针对模具表面的损伤情况；

5）选择多个不同非球面度的模具，进行上述类似的测量和分析；

6）通过改变光源，测试波长的改变对测量精度的影响。

本实施例主要分为微小非球面混合测量技术的基础理论研究、新型纳米精度探针驱动装置研究及新型混合测量系统的试验研究三大部分。

（1 ）微小非球面纳米精度混合测量技术理论研究

对纳米精度的探针-同步相移干涉混合式非球面测量技术进行理论研究，主要内容包括：扫描探针与猫眼反射镜相结合，构建测量方案的接触系统，对猫眼反射镜进行光学理论分析；基于偏振干涉原理，构建测量方案的光学反馈系统，进行理论分析；对整个测量方案进行理论分析和优化设计；对测量方案进行计算机仿真，并建立误差模型，分析理论误差。

（2）新型混合测量技术的探针纳米精度驱动装置研究

a)纳米精度微小气浮驱动装置研究。研究与分析基于微小探针测量的气浮结构的设计；纳米精度微小气浮支撑结构分析与设计；纳米精度微小气浮驱动装置设计与制造；微细气流气压管道设计；微小探针与气浮支撑的联接；气浮支撑与驱动仿真优化分析。

b)气浮式微小接触探针精确控制。研究与分析微小探针的气浮驱动与支撑方法分析；仿真与模拟在气浮驱动作用下探针测量；建立气浮驱动探针模型，确定气浮控制与探针测量的关系；分析微细气浮装置对微小探针接触测量的精度影响；针对气浮驱动的探针测量误差进行补偿。从而通过模型优化各个影响参数，为实验研究提供理论基础。

（3 ）研究新型混合测量系统的试验方案，进行各项性能分析

根据理论模型，研究实际测量的试验方案；针对试验采集到的干涉图特点，提出相应的处理方法，编制程序并优化算法。分析测量系统的测量精度、测量速度以及抗振动性能；分析探针与被测模具表面的接触力，评估探针对表面的划伤情况。进行试验测试。

本实施例的目标为：

（1）构建接触探针—同步相移干涉混合式微小非球面纳米精度测量系统，以纳米精度的激光同步偏振干涉系统作为位移反馈系统，采用纳米精度的气浮轴承技术驱动和控制探针，达到纳米级非球面测量精度，实现在位测量；

（2）采用理论分析和试验两种手段进行研究，实现测量系统的高抗振性和低损伤接触力，测量速度达到毫秒级。

本实用新型主要解决的技术问题

（1 ）同步相移干涉位移反馈系统的理论分析、优化设计和误差分析

同步相移干涉反馈系统的理论分析和优化设计是本实用新型实施的先决条件。为实现纳米精度测量，采用相移干涉方案，而相移干涉可获得干涉测量中的最高精度，即纳米级精度；同步相移方案的采用可在瞬间获取干涉图，避免普通机床低频振动对干涉结构的影响，同时实现实时在位测量，因此对同步干涉位移反馈系统的理论分析、优化设计和误差分析是本课题面临的关键问题之一。

（2 ）纳米精度探针驱动机制的研究

纳米精度微小气浮驱动控制是测量系统的关键因素，采用气浮轴承实现纳米精度的探针驱动，并与位移反馈系统配合，共同实现纳米精度测量，同时以极小的控制力接触被测表面，避免模具与探针磨损过快，因此对纳米精度探针驱动机制的研究是关键问题

（3 ）测量系统的试验设计与实施

在本实用新型中，试验测试是获得模具面形测量精度、测量速度、抗振性能和探针接触力的唯一途径。如何针对加工后的模具面形特点实施试验方案，如何获取该测量系统的真实测量参数，是决定实用新型成功实施的关键所在。因此，具体的测量试验方案与实施是本实用新型的另一个关键问题。

本实用新型的特点是，将接触探针与激光同步相移干涉技术相融合，通过研究新型纳米精度位移反馈系统和纳米精度微小气浮驱动装置，构建微小非球面模具面形测量的探针—激光干涉混合式在位测量系统，从而解决微小非球面模具加工的在位测量难题。实用新型的主要创新点如下：

（1）提出以接触探针结合激光同步相移干涉技术形成混合式非球面测量方法，为微小非球面透镜模具加工提供新型的纳米精度在位测量技术。

现有接触探针式非球面测量机采用激光三角测量原理实现位移反馈，测量精度受制于激光三角法本身的理论精度，而且测量过程易受机床、环境振动的影响，而本实用新型所研究的测量系统可突破传统的激光三角法，采用同步相移干涉技术实现位移反馈，位移测量的精度可达纳米量级，并且能实现实时的在位测量，测量过程可避开振动噪声的干扰。

（2）率先在微小非球面在位测量系统中引入猫眼反射镜，并采用非球面透镜进行

新型猫眼反射镜的设计，提高了测量的准确性和稳定性。

（3）研究新型的纳米精度气浮轴承以实现探针的纳米精度驱动与控制

设计专用于纳米测量的微型纳米精度气浮主轴，采用空气轴承及空气驱动原理对测量主轴进行设计。通过设计空气主轴及轴承中的段差（面积差）产生压力的不同，从而驱动主轴轴向径向的支撑，以及测量过程中测力的气动平衡。利用纳米精度微小气浮驱动控制机制与气浮式微小接触探针精确控制方法，显示了独具的优越性，突破了使用滚动轴承或油膜轴承所不能解决的困难，达到纳米精度控制，并最小化探针与模具工件的接触力，减少非球面模具的表面划伤。

本实用新型采用理论分析设计和试验测量相结合的方法，提出气浮探针-同步相移干涉相结合的混合式测量方法，并进行理论分析（包括理论推导、光学设计、干涉图处理算法设计和误差分析等）、关键部件设计和试验测试（包括实验方案提出和实施、干涉图编程处理和结果分析等），进行测量精度、测量速度、抗振动性能和接触力分析。

本实用新型采用 Zemax 光学设计软件对猫眼反射镜进行优化设计，优化猫眼反射镜中的非球面透镜参数；采用机械设计软件对气浮轴承进行优化设计；对位移反馈系统中的单个光学元件建模并进行参数优化，并评价整个测量系统的性能；对位移反馈系统整体进行光学性能优化；进行光学仿真计算，为试验方案的设计提供依据。

本实用新型的实验设备为：光学隔振平台、非球面透镜模具超精密加工机等。

Claims (7)

1.一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，其特征在于：其包括接触探针、气浮轴承、光学干涉系统、图像采集处理系统和软件处理系统，所述光学干涉系统包括：一个光源、一个激光扩束系统、一个猫眼反射镜、两个反射镜、一个偏振分光镜、一个1/2λ波片、三个1/4λ玻片、一个分束光栅或全息分束单元、一个空间滤波器和一组偏振片组；所述图像采集处理系统包括：CCD相机、图像采集卡和计算机，软件处理系统包括：相位计算模块、面形坐标转换模块、曲面拟合模块和误差分析模块；

所述光源发射的激光通过 1/2λ波片，形成圆偏振光，通过激光扩束系统放大，并被第一个反射镜反射到偏振分光镜中，偏振分光镜将一部分偏振光束反射，通过第一个1/4λ玻片改变偏振态，入射到猫眼反射镜中，形成物光，猫眼反射镜中的非球面透镜将物光光束始终聚焦在其反射镜面上，猫眼反射镜与接触探针粘连在一起，随接触探针在模具表面滑动，所述接触探针由气浮轴承驱动与控制，使得模具表面形貌的变化信息编码在物光中；

偏振分光镜将另外一部分光束透射，通过第二个1/4λ波片，入射到第二个反射镜，并被第二个反射镜反射，形成参考光束；离开偏振分光镜后，参考光与物光相遇，通过空间滤波器滤除杂散光，并被分束光栅或全息分束单元分成四束等光强的物-参混合光束，再次通过第三个1/4λ波片和偏振片组，形成四幅不同相移量的空间干涉条纹，并成像在 CCD相机中，图像采集卡将CCD 相机中的图像模拟信号导入计算机，在计算机中进行干涉图像处理，提取模具表面的变化信息，实现非球面模具的形面测量。

2.根据权利要求1所述的一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，其特征在于：所述气浮轴承包括轴承外圈、测量主轴、设置在轴承外圈和测量主轴之间的前端轴承和后端轴承，所述前端轴承和后端轴承与轴承外圈之间的间隙连通，所述后端轴承与轴承外圈之间的间隙处开有第三气体进口，所述测量主轴上设有段差A和段差B，所述轴承外圈上设有配合段差A的第一气体进口和配合段差B的第二气体进口，所述接触探针通过测量主轴粘结在猫眼反射镜上。

3.根据权利要求1所述的一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，其特征在于：所述偏振片组由偏振方向分别为 0°,45°,90°和 135°的四块偏振片呈空间正方形排列组成，四副空间干涉条纹的相移量分别为 0、π/2、π和3π/2。

4.根据权利要求1所述的一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，其特征在于：所述相位计算模块：基于图像匹配算法寻找多幅相移干涉图中同一测量位置的光强值变化，根据不同的光强值采用最小二乘法从相移干涉图中获取相位图；

所述面形坐标转换模块：基于波面理论，建立相位值与位移值之间的关系；所述曲面拟合模块：采取最小二乘法或多项式法进行曲面拟合，获取最终的被测面形；计算拟合误差。

5.根据权利要求1所述的一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，其特征在于：所述误差分析模块：通过微分方法建立系统的误差模型，对影响测量精度的误差因素进行分析并提出修正方法。

6.根据权利要求5所述的一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，其特征在于：所述影响测量精度的误差因素主要有:光学元件面形误差、猫眼反射镜的加工误差、气浮轴承的加工误差、探针误差、偏振片制造误差、波片误差、光束入射角误差、CCD的非线性响应误差、多幅相移干涉图的匹配误差、干涉图的后续软件处理误差。

7.根据权利要求1所述的一种混合式非球面透镜模具的在位测量系统，其特征在于：所述光源采用波长为632.8nm的He-Ne激光器或半导体激光器，第二个反射镜为参考反射镜。