專利名稱：基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明屬于輪廓測量裝置與方法，主要涉及一種大口徑非球面宏觀輪廓測量技術。

背景技術：
非球面光學零件較之球面光學零件有更多的設計自由度，不僅在光學系統中可有效校正高級像差，顯著提高光學系統成像質量，同時又可明顯簡化光學系統結構，擴展光學系統功能。因此，非球面鏡得到了廣泛的應用，而各類大口徑非球面的優(yōu)點則更為突出、需求更為迫切。
在非球面光學元件的加工過程中，對其表面面形的精確測量是非常重要的從某種意義上說，沒有與加工精度相適應的高精度檢測方法和儀器，非球面的精密和超精密加工就難以實現。目前，用于高精度非球面形狀測量的方法很多，就其表現形式而言，可分為接觸測量和非接觸測量兩種。接觸式測量方法中，測量頭固定在基座上，測量桿升降螺母調節(jié)測量桿的高低，以適當的位置開始測量。在輸入被測工件的各個參數以及測量半徑、測量步長后，輪廓儀即可開始工作。被測工件從工件左側所需測量半徑開始向整個測量口徑方向移動，由測量頭讀出并由計算機記錄各點的坐標值。具有代表性的接觸式測量儀有德國Loh公司生產的接觸式非球面或球面形狀測量儀，能夠測量直徑達200mm的非球面，分辨力達3nm；英國Taylor hobson公司研制的Form Talysurf PGI 1240型非球面表面輪廓儀，X向最大行程為200mm，Y向最大行程為12.5mm，縱向分辨力(Z軸)達0.8nm。該方法的主要缺點是測頭直接與被測表面接觸，測量過程中可能會損毀被測表面，由此使得這類儀器難于在大口徑非球面光學表面形狀測量中發(fā)揮作用。
由于接觸式輪廓測量方法存在上述缺點，使非接觸式輪廓測量方法成為大口徑非球面光學表面輪廓測量研究的主要內容。目前實現大型非球面表面輪廓非接觸測量的方法基本上可以分為以下三類全口徑干涉測量法、子口徑拼接測量法和基于雙細光束干涉的順序掃描法。
全口徑干涉測量法的實質就是通過補償元件的使用，把平面波或球面波變成與被測非球面理想面形相一致的波面，以此波面作為標準波面與被檢表面進行比較，通過幾何光學方法或干涉法等手段觀察二者之間的差別。該方法的主要缺點是補償透鏡制造困難；對不同被測工件，必須制作不同的補償器件，使測量成本大為提高，效率降低、適用性差；ZYGO公司生產的干涉儀是目前各國公認的最具代表性的全口徑干涉儀產品。其測量分辨率在不同口徑范圍內可以達到λ/20～λ/40不等，而且測量重復性很高，在小口徑測量中重復性達到λ/3000。
子孔徑干涉拼接測量法的主要原理是通過使用小口徑的高精密干涉儀，每次僅檢測非球面鏡整個面形的一小部分(子孔徑)，通過移動被測非球面或干涉儀，使得子孔徑的檢測范圍覆蓋整個被測非球面，在測量過程中，要使各小孔徑之間有必要的重疊，然后采用拼接技術得到整個非球面的輪廓信息。該方法是近年來發(fā)展比較快的針對大口徑非球面的測量技術，這種技術克服了傳統干涉儀無法測量大口徑非球面表面輪廓信息，同時也克服了不能測量大數值孔徑光學元件的缺點。該技術的主要缺點是對運動機構的運動精度要求較高，孔徑拼接過程會造成誤差傳遞，從而降低了整個被測非球面輪廓檢測精度，測量速度低。
基于雙細光束干涉的順序掃描法本質上是一個f-θ透鏡系統，其基本工作原理是通過測量自被測表面反射回來的掃描光束的角度變化，而獲得被測表面的傾斜度信息，再對測得的傾斜度信息進行數值積分，即可得到被測輪廓的面形高度信息。相比較而言，這類輪廓掃描儀由于掃描光束通常是非聚焦的激光束而不受測場深度問題的影響，可以廣泛應用于大型光學表面的精密形狀測量。順序掃描法應用于非球面輪廓測量時有以下兩個優(yōu)點無需參考平面；無需高質量大孔徑入射波前。但其主要缺點是掃描光束為相互分離的雙細光束，對測量環(huán)境噪聲，如測量現場的溫度漂移、空氣擾動等不具備魯棒性；掃描頭在移動過程中只能感測測點處的一維傾斜度信息，若實現對被測輪廓的三維測量，則必須附加相應的運動光學器件，如厚平板玻璃、Dove棱鏡等及其相應的驅動機構，且不能同時對測點處的二維傾斜度信息進行采集。


發(fā)明內容
基于對現有各種大型非球面測量方法的分析，本發(fā)明采用順序掃描法，同時為了克服目前基于雙細光束干涉的檢測技術與方法的不足，本發(fā)明提出了一種基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置與方法，充分利用回轉基準運動精度高的特點，將回轉基準運動與直線運動有機結合，以二維位相板為衍射器件，基于衍射準直技術的單準直細光束作為測量基準，在提高測量精度的同時，可有效提高測量系統對測量環(huán)境噪聲的魯棒性。
本發(fā)明的技術解決方案是一種基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置，包括超精密氣浮轉臺、精密轉角及測角系統、超精密直線氣浮導軌、測長裝置和傾斜度測量系統；傾斜度測量系統包括線偏振He-Ne激光器或半導體激光器、衍射元件、掃描頭和圖像接收單元；線偏振He-Ne激光器或半導體激光器與圖像接收單元分別固定于基座橫梁的兩側，掃描頭固定于超精密直線氣浮導軌上；掃描頭中包括徑向傾斜度測量子掃描頭和切向傾斜度測量子掃描頭，且均包含誤差補償光路，兩個子掃描頭所在工作平面正交；測長裝置為雙頻激光干涉儀；精密轉角及測角系統為測角儀；圖像接收單元包括三個圖像接收子單元，每個圖像接收子單元均包含對應的FT透鏡和CCD攝像機。
本發(fā)明還提供了一種基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量方法，所述方法包括以下步驟 (1)調整分光鏡，使得攝像機接收到的測量光斑與參考光斑完全分離；調整偏振分光鏡，使得CCD攝像機接收到的測量光斑與參考光斑完全分離；調整完畢后將分光鏡和偏振分光鏡固定，然后對該部件進行校準，校準后該部件在后續(xù)的回轉掃描測量過程中不再對其進行調整； (2)調整線偏振片和λ/2波片，使切向子掃描頭的CCD攝像機接收到的測量及參考光斑峰值近似相等，并與徑向子掃描頭的CCD攝像機接收到的測量光斑峰值近似相等； (3)調整線偏振片，使徑向子掃描頭的CCD攝像機接收到的測量及參考光斑峰值近似相等。
(4)調整線偏振片，避免切向及徑向傾斜度測量子掃描頭中的CCD攝像機接收到的光斑峰值達到CCD飽和值；調整線偏振片，避免光束角漂檢測光路中的CCD攝像機接收到的光斑峰值達到CCD飽和值； (5)根據直角棱鏡的光束折轉特性，將直角棱鏡作為子掃描頭的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為徑向傾斜度測量的零點；同理，將直角棱鏡作為子掃描頭的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為切向傾斜度測量的零點。
(6)將被測非球面鏡吸附在吸盤上，驅動超精密直線氣浮導軌，使掃描光束與被測非球面鏡及氣浮回轉基準的軸線重合，記此時掃描光束為初始位置P0，傾斜度測量系統采集并記錄此時被測頂點處的二維傾斜度信息；驅動超精密直線氣浮導軌，將掃描光束精確定位到位置P1，驅動超精密氣浮轉臺，使被測非球面鏡圍繞軸線旋轉360°，細光束在被測表面的掃描軌跡記為環(huán)帶1，旋轉過程中，傾斜度測量系統采集并保存被測環(huán)帶上n1個采樣點處的二維傾斜度信息，再次驅動超精密直線氣浮導軌，將掃描光束精確定位到位置P2，重復上述測量過程，可測量得到被測環(huán)帶2上n2個采樣點處的二維傾斜度信息，依此類推，可以得到被測表面N個環(huán)帶上多個采樣點處的二維傾斜度信息，徑向及切向傾斜度測量結果分別記為{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}(nl表示第i個環(huán)帶的采樣點數)，其中，相鄰環(huán)帶間沿超精密直線氣浮導軌運動方向的間隔取為1mm，不同環(huán)帶上相鄰采樣點沿環(huán)帶圓周方向的間距取為1mm； (7)以被測非球面鏡的初始測點為原點建立參考坐標系XYZO，其中，OY軸與氣浮回轉基準的軸線重合，OX軸與超精密直線氣浮導軌的運動方向平行，將傾斜度測量結果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}換算成參考坐標系XYZO中的對應斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}； (8)根據各個環(huán)帶采樣點處的切向斜率信息{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}，采用數值積分方法中的三次樣條插值法重構出各個環(huán)帶沿圓周方向的輪廓高度變化，根據各環(huán)帶的徑向斜率信息{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRi(nl)，...，KRN(nN)}，采用同樣的數值方法可得到各環(huán)帶沿徑向的輪廓高度變化，再采用數據融合處理技術，即可得到被測大口徑非球面鏡在選定參考坐標系XYZO中的三維輪廓高度信息。
本發(fā)明具有以下特點及良好效果 充分利用了回轉基準運動精度高的技術優(yōu)勢，將回轉基準運動與直線運動相結合，減小了運動機構對傾斜度測量結果的影響，進而提高了被測非球面的測量精度，這是區(qū)別于現有技術的創(chuàng)新點之一。
掃描頭中集成了兩個可測量一維傾斜度的子掃描頭，并以同一基于衍射準直技術的單準直細光束為測量基準，實現了同時對測點處徑向與切向傾斜度的測量，這是區(qū)別于現有技術的創(chuàng)新點之二。
測量基準采用基于衍射準直技術的單細光束，衍射部件為二維位相板，生成的測量光斑中心對稱，對比度大大提高，有利于提高傾斜度測量分辨率和對測量環(huán)境噪聲的抑制能力，這是區(qū)別于現有技術的創(chuàng)新點之三。



圖1基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置結構示意圖 圖2傾斜度測量系統結構示意圖 圖3衍射元件的結構示意圖 圖4衍射準直光束的光斑圖樣分布 圖5A徑向傾斜度測量子掃描頭中光束角漂引起的傾斜度測量誤差分離示意圖 圖5B徑向傾斜度測量子掃描頭中分光鏡轉動引起的傾斜度測量誤差分離示意圖 圖6A切向傾斜度測量子掃描頭中光束角漂引起的傾斜度測量誤差分離示意圖 圖6B切向傾斜度測量子掃描頭中偏振分光鏡的轉動引起的傾斜度測量誤差分離示意圖 圖7回轉掃描測量過程示意圖 圖8A測量及參考光斑完全重合無法分辨時的示意圖 圖8B測量及參考光斑完全分離時的示意圖 圖9A徑向傾斜度測量子掃描頭中參考直角棱鏡換成平面反射鏡時由光束角漂引起的傾斜度測量誤差分離示意圖 圖9B徑向傾斜度測量子掃描頭中參考直角棱鏡換成平面反射鏡時由分光鏡的轉動引起的傾斜度測量誤差分離示意圖 圖10光源換成半導體激光器時的示意圖 圖中1精密轉角及測角系統，2被測非球面鏡，3掃描頭，4吸盤，5超精密直線氣浮導軌，6測長裝置，7誤差分離轉臺，8回轉工作臺，9氣浮回轉基準，10大理石基座，11主軸伺服電機，12鋼筋水泥基座，13超精密氣浮轉臺，14二級伺服地基，15掃描光束，16線偏振He-Ne激光器或半導體激光器，17圖像接收單元，18二維位相板，19、37分光鏡，20、21、28、50線偏振片，22直角棱鏡，27、38、40、41、49平面反射鏡，23、39五角棱鏡，24λ/2波片，25偏振分光鏡，26λ/4波片，29、31、33FT透鏡，30、32、34CCD攝像機，35徑向傾斜度測量子掃描頭，36切向傾斜度測量子掃描頭，42被測環(huán)帶，43徑向傾斜度測量子掃描頭的參考光束，44徑向傾斜度測量子掃描頭的測量光束，45切向傾斜度測量子掃描頭的參考光束，46切向傾斜度測量子掃描頭的測量光束，47玻璃基片，48增透膜
具體實施例方式 下面結合附圖對本發(fā)明實施例進行詳細描述 參見圖1，基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置包括超精密氣浮轉臺13、精密轉角及測角系統1，超精密直線氣浮導軌5、測長裝置6和傾斜度測量系統；傾斜度測量系統包括線偏振He-Ne激光器或半導體激光器16、衍射元件18、掃描頭3和圖像接收單元17；線偏振He-Ne激光器或半導體激光器16與圖像接收單元17分別固定于基座橫梁的兩側，掃描頭3固定于超精密直線氣浮導軌5上；掃描頭3中包括徑向傾斜度測量子掃描頭35和切向傾斜度測量子掃描頭36，兩個子掃描頭35、36所在工作平面正交，且均包含誤差補償光路；其中，于衍射元件18為二維位相板；測長裝置(6)為雙頻激光干涉儀；精密轉角及測角系統1為測角儀；圖像接收單元包括三個f—θ系統，f—θ系統1包括FT透鏡29和CCD攝像機30，f—θ系統2包括FT透鏡31和CCD攝像機32，f—θ系統3包括FT透鏡33和CCD攝像機34。
參見圖2，傾斜度測量系統的工作原理如下線偏振He-Ne激光器16發(fā)出的準直激光束垂直入射至二維位相板18上，該位相板的相位分布如下 制作方法是在玻璃基片47的一、三象限鍍λ/2厚的增透膜48，二、四象限不度膜，使一、三象限與二、四象限的透過光束產生的位相差為π，參見圖3，其后生成的衍射準直光束即為傾斜度測量系統的測量基準光束，衍射光斑圖樣參見圖4。此基準光束首先被分光鏡19分為兩路，反射光束經反射鏡41反射后再經過線偏振片50入射至由FT透鏡33和CCD攝像機34組成的圖像接收子單元，以光斑極小值為基準來監(jiān)測準直光束的角漂量，透射光束通過線偏振片20后入射至分光鏡37；透射光束經五角棱鏡23折轉90°，透過λ/2波片24入射至偏振分光鏡(PBS)25，分成兩束線偏振光，振動方向平行于o2z2軸的光分量被偏振分光鏡25反射，振動方向平行于o2x2軸的光分量將透過偏振分光鏡25；透過光束通過線偏振片28后作為掃描光束入射至測點，自測點返回的攜帶被測二維傾斜度信息的光束經過線偏振片28后再次入射至偏振分光鏡25，反射光束經五角棱鏡39折轉90°后被反射鏡40反射，直接入射至由FT透鏡31和CCD攝像機32組成的圖像接收子單元，以光斑極小值坐標作為子掃描頭36的測量信號；偏振分光鏡25的透射光束經過λ/2波片24后被五角棱鏡23折轉90°，再經分光鏡37和反射鏡38反射后入射至由FT透鏡29和CCD攝像機30組成的圖像接收子單元，以光斑的極小值坐標作為為子掃描頭35的測量信號；五角棱鏡23的出射光束入射至偏振分光鏡25時的反射線偏振光束經過λ/4波片26后變成圓偏振光，被反射鏡27反射后圓偏振光的旋向發(fā)生改變，透過λ/4波片26后再次變成線偏振光，并且偏振方向與入射的線偏振光的偏振方向正交，根據偏振分光鏡的光學特性，此時線偏振光將完全透過偏振分光鏡25，經五角棱鏡39折轉90°，再經反射鏡40反射后入射至由FT透鏡31和CCD攝像機32組成的數據采集及圖像接收子單元，以光斑的極小值坐標作為子掃描頭36的參考信號；自光源發(fā)出的衍射準直光束入射至分光鏡37時的反射光束經過線偏振片21后被直角棱鏡22原路返回，透過線偏振片21和分光棱鏡37后被反射鏡38反射，入射至由FT透鏡29和CCD攝像機30組成的圖像接收子單元，以光斑的極小值坐標作為子掃描頭35的參考信號。其中，λ/2波片24用于調整子掃描頭36中測量與參考光斑之間的相對強度，線偏振片21用于調整子掃描頭35中測量與參考光斑的相對光強；λ/4波片26用于將入射的線偏振光變成圓偏振光，并將返回的圓偏振光變成線偏振光；線偏振片28用于改變返回測量光束的振動方向，進而改變兩個子掃描頭35、36中測量光束的相對強度；線偏振片20用于調整測量基準光束的總強度。
需要特別強調的是，分光鏡37、25應設計成可進行一維角度調節(jié)的，以調整子掃描頭35、36中測量及參考光斑的初始位置。子掃描頭35、36中的參考光路用于補償掃描過程中基準光束角漂及由振動引起的分光鏡37、25的轉動所引起的徑向及切向傾斜度測量誤差，光束角漂引起的徑向傾斜度測量誤差補償原理參見圖5A，分光鏡37的轉動引起的徑向傾斜度測量誤差補償原理參見圖5B。由圖中分析可得對于徑向傾斜度測量，為抵償基準光束角漂的影響，要求在測量信號中加上參考信號，為消除掃描頭振動對分光鏡37的影響，要求在測量信號中減去參考信號；同理，參見圖6，對切向傾斜度測量，為抵償基準光束角漂的影響，要求在測量信號中減去參考信號，為消除掃描頭振動對偏振分光鏡25的影響，要求在測量信號中加上參考信號。由此可見，采用單一參考光路不能同時補償所有的誤差源，因此，通過分光鏡19將基準光束的角漂誤差分離出來以便于采用單一參考光路能夠同時補償上述兩項誤差源。
參見圖1和圖7，測量的基本過程如下被測非球面鏡2吸附在吸盤4上，吸盤4放置在誤差分離轉臺7上，誤差分離轉臺7放置在回轉工作臺8上，誤差分離轉臺7既可隨回轉工作臺8轉動，又可通過吸盤4帶動被測非球面鏡2旋轉；回轉工作臺8安裝在大理石基座10上，并且和氣浮回轉基準9相連接，設計制造時要保證回轉工作臺8與氣浮回轉基準9同軸；掃描頭3固定在超精密直線氣浮導軌5上，并可隨超精密直線氣浮導軌5作一維直線運動，設計制造時要保證掃描光束與導軌的運動方向垂直。整個裝置的工作過程參見圖1，調整分光鏡37，使得CCD攝像機30接收到的測量光斑與參考光斑完全分離，調整偏振分光鏡25，使得CCD攝像機32接收到的測量光斑與參考光斑完全分離，參見圖8；調整完畢后將分光鏡37和偏振分光鏡25固定，然后對該部件進行校準，校準后該部件在后續(xù)的回轉掃描測量過程中不再對其進行調整。調整線偏振片28和λ/2波片24，使子掃描頭36的CCD攝像機32接收到的測量及參考光斑峰值近似相等，并與子掃描頭35的CCD攝像機30接收到的測量光斑峰值近似相等；調整線偏振片21，使子掃描頭35的CCD攝像機30接收到的測量及參考光斑峰值近似相等。調整線偏振片20，避免子掃描頭35和36的CCD攝像機30、32接收到的光斑峰值達到CCD的飽和值；調整線偏振片50，避免CCD攝像機34接收到的光斑峰值達到CCD的飽和值。根據直角棱鏡的光束折轉特性，將直角棱鏡作為子掃描頭35的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為徑向傾斜度測量的零點；同理，將直角棱鏡作為子掃描頭36的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為切向傾斜度測量的零點。將被測非球面鏡2吸附在吸盤4上，驅動超精密直線氣浮導軌5，使掃描光束15與被測非球面鏡2及氣浮回轉基準9的軸線重合，記此時掃描光束為初始位置P0，傾斜度測量系統采集并記錄此時被測頂點處的二維傾斜度信息；驅動超精密直線氣浮導軌5，將掃描光束精確定位到位置P1，驅動氣浮回轉基準9，使被測非球面鏡2圍繞軸線旋轉360°，細光束在被測表面的掃描軌跡記為環(huán)帶1，旋轉過程中，傾斜度測量系統采集并保存被測環(huán)帶上n1個采樣點處的二維傾斜度信息，再次驅動超精密直線氣浮導軌5，將掃描光束精確定位到位置P2，重復上述測量過程，可測量得到被測環(huán)帶2上n2個采樣點處的二維傾斜度信息，依此類推，可以得到被測表面N個環(huán)帶上多個采樣點處的二維傾斜度信息，徑向及切向傾斜度測量結果分別記為{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}(nl表示第i個輪廓環(huán)帶的采樣點數)，其中，相鄰環(huán)帶間沿超精密直線氣浮導軌運動方向的間隔取為1mm，不同環(huán)帶上相鄰采樣點沿環(huán)帶圓周方向的間距取為1mm。以被測非球面鏡2的初始測點為原點建立參考坐標系XYZO，其中，OY軸與氣浮回轉基準9的軸線重合，OX軸與超精密直線氣浮導軌5的運動方向平行，將傾斜度測量結果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}換算成參考坐標系XYZO中的對應斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}。根據各個環(huán)帶采樣點處的切向斜率信息{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}，采用數值積分方法中的三次樣條插值法重構出各個環(huán)帶沿圓周方向的輪廓高度變化，根據各環(huán)帶的徑向斜率信息{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}，采用同樣的數值方法可得到各環(huán)帶沿徑向的輪廓高度變化，再采用數據融合處理技術，即可得到被測大口徑非球面鏡2在選定參考坐標系XYZO中的三維輪廓高度信息。
實施例1 調整分光鏡37，使得CCD攝像機30接收到的測量光斑與參考光斑完全分離；調整偏振分光鏡25，使得CCD攝像機32接收到的測量光斑與參考光斑完全分離；調整完畢后將分光鏡37和偏振分光鏡25固定，然后對該部件進行校準，校準后該部件在后續(xù)的回轉掃描測量過程中不再對其進行調整。調整線偏振片28和λ/2波片24，使子掃描頭36的CCD攝像機32接收到的測量及參考光斑峰值近似相等，并與子掃描頭35的CCD攝像機30接收到的測量光斑峰值近似相等；調整線偏振片21，使子掃描頭35的CCD攝像機30接收到的測量及參考光斑峰值近似相等。調整線偏振片20，避免子掃描頭35和36的CCD攝像機30、32接收到的光斑峰值達到CCD的飽和值；調整線偏振片50，避免CCD攝像機34接收到的光斑峰值達到CCD的飽和值。根據直角棱鏡的光束折轉特性，將直角棱鏡作為子掃描頭35的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為徑向傾斜度測量的零點；同理，將直角棱鏡作為子掃描頭36的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為切向傾斜度測量的零點。將被測非球面鏡2吸附在吸盤4上，驅動超精密直線氣浮導軌5，使掃描光束15與被測非球面鏡2及氣浮回轉基準9的軸線重合，記此時掃描光束為初始位置P0，傾斜度測量系統采集并記錄此時被測頂點處的二維傾斜度信息；驅動超精密直線氣浮導軌5，將掃描光束精確定位到位置P1，驅動氣浮回轉基準9，使被測非球面鏡2圍繞軸線旋轉360°，細光束在被測表面的掃描軌跡記為環(huán)帶1，旋轉過程中，傾斜度測量系統采集并保存被測環(huán)帶上n1個采樣點處的二維傾斜度信息，再次驅動超精密直線氣浮導軌5，將掃描光束精確定位到位置P2，重復上述測量過程，可測量得到被測環(huán)帶2上n2個采樣點處的二維傾斜度信息，依此類推，可以得到被測表面N個環(huán)帶上多個采樣點處的二維傾斜度信息，徑向及切向傾斜度測量結果分別記為{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}(nl表示第i個輪廓環(huán)帶的采樣點數)，其中，相鄰環(huán)帶間沿超精密直線氣浮導軌運動方向的間隔取為1mm，不同環(huán)帶上相鄰采樣點沿環(huán)帶圓周方向的間距取為1mm。以被測非球面鏡2的初始測點為原點建立參考坐標系XYZO，其中，OY軸與氣浮回轉基準9的軸線重合，OX軸與超精密直線氣浮導軌5的運動方向平行，將傾斜度測量結果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}換算成參考坐標系XYZO中的對應斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}。根據各個環(huán)帶采樣點處的切向斜率信息{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(n1)，...，KTN(nN)}，采用數值積分方法中的三次樣條插值法重構出各個環(huán)帶沿圓周方向的輪廓高度變化，根據各環(huán)帶的徑向斜率信息{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}，采用同樣的數值方法可得到各環(huán)帶沿徑向的輪廓高度變化，再采用數據融合處理技術，即可得到被測大口徑非球面鏡2在選定參考坐標系XYZO中的三維輪廓高度信息。
本實施例中，光源為線偏振He-Ne激光器，光束直徑為1mm，各光學元件的表面粗糙度為λ/4，分光棱鏡19、25、37的反射光束偏角誤差≤5′，透射光束偏角誤差≤3′，四個直角通光表面均鍍有窄帶多層增透膜，五角棱鏡23、39的光束轉角誤差≤3′，線偏振片20、21、28、50的削光比為100，λ/4波片26和λ/2波片24的延遲精度為λ/300，傅立葉透鏡30、32、33的等效焦距為500mm。實驗結果表明，傾斜度測量系統在測量分辨力達到0.05″的情況下，測量穩(wěn)定性優(yōu)于0.1″/h，測量不確定度優(yōu)于0.2″，非球面鏡輪廓高度測量不確定度可達λ/20，實現了大口徑近平面非球面鏡的高精度測量。
實施例2 參見圖2和圖9，直角棱鏡22也可采用平面鏡49，由圖9A可知，為補償子掃描頭35中由角漂引起的傾斜度測量誤差，需將測量信號減去參考信號，參見圖9B，為補償子掃描頭35中分光鏡37的振動引起的傾斜度測量誤差，需將測量信號加上參考信號。在這種情況下，光束在子掃描頭36中的傳播路徑不發(fā)生變化，不影響其誤差補償方式及測量結果。
實施例3 參見圖1和圖10，線偏振He-Ne激光器也可采用半導體激光器，并經單模光纖準直系統準直、細化后入射至二維位相板18，本實施例的其它部件及工作原理同均與實施例1相同。
實施例4 參見圖1和圖10，線偏振He-Ne激光器也可采用半導體激光器，并經單模光纖準直系統準直、細化后入射至二維位相板18，本實施例的其它部件及工作原理同均與實施例2相同。
實施例5 如圖1所示，光源采用線偏振He-Ne激光器16，線偏振片28采用λ/2波片，本實施例的其它部件及工作原理同均與實施例1相同。
實施例6 如圖1所示，光源采用線偏振He-Ne激光器16，線偏振片28采用λ/2波片，本實施例的其它部件及工作原理同均與實施例2相同。
實施例7 參見圖1和圖10，光源采用半導體激光器，并經單模光纖準直系統準直、細化后入射至二維位相板18，線偏振片28采用λ/2波片，本實施例的其它部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例8 參見圖1和圖10，光源采用半導體激光器，并經單模光纖準直系統準直、細化后入射至二維位相板18，線偏振片28采用λ/2波片，本實施例的其它部件及工作原理均與實施例2相同。
權利要求
1.一種基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置，包括超精密氣浮轉臺(13)、精密轉角及測角系統(1)、超精密直線氣浮導軌(5)、測長裝置(6)和傾斜度測量系統，其特征在于傾斜度測量系統包括線偏振He-Ne激光器或半導體激光器(16)、衍射元件(18)、掃描頭(3)和圖像接收單元(17)；線偏振He-Ne激光器或半導體激光器(16)與圖像接收單元(17)分別固定于基座橫梁的兩側，掃描頭(3)固定于超精密直線氣浮導軌(5)上；所述掃描頭(3)中包括徑向傾斜度測量子掃描頭(35)和切向傾斜度測量子掃描頭(36)，兩個子掃描頭(35)、(36)所在工作平面正交，且均包含誤差補償光路。
2.根據權利要求1所述的基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置，其特征在于衍射元件(18)為二維位相板。
3.根據權利要求1所述的基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置，其特征在于所述測長裝置(6)為雙頻激光干涉儀。
4.根據權利要求1所述的基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置，其特征在于所述精密轉角及測角系統(1)為測角儀。
5.根據權利要求1所述的基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置，其特征在于圖像接收單元(17)包括三個圖像接收子單元，圖像接收子單元A包括FT透鏡(29)和CCD攝像機(30)，圖像接收子單元B包括FT透鏡(31)和CCD攝像機(32)，圖像接收子單元C包括FT透鏡(33)和CCD攝像機(34)。
6.一種基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)調整分光鏡(37)，使得CCD攝像機(30)接收到的測量光斑與參考光斑完全分離；調整偏振分光鏡(25)，使得CCD攝像機(32)接收到的測量光斑與參考光斑完全分離；調整完畢后將分光鏡(37)和偏振分光鏡(25)固定，然后對該部件進行校準，校準后該部件在后續(xù)的回轉掃描測量過程中不再對其進行調整；
(2)調整線偏振片(28)和λ/2波片(24)，使切向傾斜度測量子掃描頭(36)的CCD攝像機(32)接收到的測量及參考光斑峰值近似相等，并與徑向傾斜度測量子掃描頭(35)的CCD攝像機(30)接收到的測量光斑峰值近似相等；
(3)調整線偏振片(21)，使徑向傾斜度測量子掃描頭(35)的CCD攝像機(30)接收到的測量及參考光斑峰值近似相等；
(4)調整線偏振片(20)，避免子掃描頭(35)和(36)的CCD攝像機(30)、(32)接收到的光斑峰值達到CCD的飽和值；調整線偏振片(50)，避免CCD攝像機(34)接收到的光斑峰值達到CCD的飽和值；
(5)根據直角棱鏡的光束折轉特性，將直角棱鏡作為子掃描頭(35)的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為徑向傾斜度測量的零點；同理，將直角棱鏡作為子掃描頭(36)的測量反射鏡，記錄此時測量光斑極小值的位置坐標，作為切向傾斜度測量的零點；
(6)將被測非球面鏡(2)吸附在吸盤(4)上，驅動超精密直線氣浮導軌(5)，使掃描光束(15)與被測非球面鏡(2)及氣浮回轉基準(9)的軸線重合，記此時掃描光束的位置為初始位置P0，傾斜度測量系統采集并記錄此時被測頂點處的二維傾斜度信息；驅動超精密直線氣浮導軌(5)，將掃描光束精確定位到位置P1，驅動超精密氣浮轉臺(13)，使被測非球面鏡(2)圍繞軸線旋轉360°，細光束在被測表面的掃描軌跡記為環(huán)帶1，旋轉過程中，傾斜度測量系統采集并保存被測環(huán)帶上n1個采樣點處的二維傾斜度信息，再次驅動超精密直線氣浮導軌(5)，將掃描光束精確定位到位置P2，重復上述測量過程，可測量得到被測環(huán)帶2上n2個采樣點處的二維傾斜度信息，依此類推，可以得到被測非球面鏡(2)表面N個環(huán)帶上多個采樣點處的二維傾斜度信息，徑向及切向傾斜度測量結果分別記為{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARi(ni)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATi(ni)，...，ATN(nN)}(ni表示第i個環(huán)帶的采樣點數)，其中，相鄰環(huán)帶間沿超精密直線氣浮導軌(5)運動方向的間隔取為1mm，不同環(huán)帶上相鄰采樣點沿環(huán)帶圓周方向的間距取為1mm；
(7)以被測非球面鏡(2)的初始測點為原點建立參考坐標系XYZO，其中，OY軸與氣浮回轉基準(9)的軸線重合，OX軸與超精密直線氣浮導軌(5)的運動方向平行，將傾斜度測量結果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARi(ni)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATi(ni)，...，ATN(nN)}換算成參考坐標系XYZO中的對應斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRi(ni)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTi(ni)，...，KTN(nN)}；
(8)根據各個環(huán)帶采樣點處的切向斜率信息{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATi(ni)，...，ATN(nN)}，采用數值積分方法中的三次樣條插值法重構出各個環(huán)帶沿圓周方向的輪廓高度變化，根據各環(huán)帶的徑向斜率信息{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRi(ni)，...，KRN(nN)}，采用同樣的數值方法可得到各環(huán)帶沿徑向的輪廓高度變化，再采用數據融合處理技術，即可得到被測大口徑非球面鏡(2)在選定參考坐標系XYZO中的三維輪廓高度信息。
全文摘要
基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量裝置與方法屬于宏觀輪廓測量技術，該裝置包括超精密氣浮轉臺、精密轉角及測角系統，超精密直線氣浮導軌、測長裝置和傾斜度測量系統；傾斜度測量系統包括線偏振He-Ne激光器或半導體激光器、衍射元件、掃描頭和圖像接收單元；線偏振He-Ne激光器或半導體激光器與圖像接收單元分別固定于基座橫梁的兩側，掃描頭固定于超精密直線氣浮導軌上；所述掃描頭中包括徑向傾斜度測量子掃描頭和切向傾斜度測量子掃描頭，且均包含誤差補償光路，兩個子掃描頭所在工作平面正交；本發(fā)明還公開了一種基于超精密回轉掃描的大口徑非球面測量方法。
文檔編號G01B11/24GK101377410SQ20081013728
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權日2008年10月10日
發(fā)明者譚久彬, 郎治國, 儉 劉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學