本實(shí)用新型涉及一種基于光學(xué)干涉技術(shù)的三維測量裝置，尤其涉及一種混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前各種攝像裝置的鏡頭已朝輕薄短小方向發(fā)展，而微小非球面透鏡（直徑為幾毫米到幾十微米）成為這一發(fā)展趨勢的主體力量。根據(jù)臺(tái)灣光電科技工業(yè)協(xié)進(jìn)會(huì)(PIDA)資料顯示，按一部數(shù)碼相機(jī)需搭載 1 到 3 塊非球面模壓玻璃透鏡計(jì)算，在 2007 年，數(shù)碼相機(jī)上約有 2.3 億枚非球面模壓玻璃透鏡的需求，全世界非球面模壓玻璃透鏡總產(chǎn)值約占全世界光學(xué)組件產(chǎn)量的 19%，非球面模壓玻璃透鏡已被視為下一代主流鏡片。微小非球面透鏡制造的關(guān)鍵之處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個(gè)重要前提就是擁有適合在位測量的納米精度的非球面檢測手段。目前在國內(nèi)，微小透鏡模具的加工要求面形精度 P-V值一般在 300nm-100nm，而在國外，尤其在日本，已經(jīng)獲得了 P-V值 100nm以下的加工精度，這樣，就要求實(shí)際面形的測量精度(峰谷值)達(dá)到納米量級，測量精度越高越有利于后續(xù)加工；同時(shí)由于在現(xiàn)場制造中經(jīng)常加工大量尺寸和形狀各異的非球面模具，這就需要一種靈活的在位測量系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多種類型模具面形的測量，其測量效率應(yīng)能滿足在位測量的要求。面形測量的精度和效率高低將直接影響到下一步的透鏡模具加工或透鏡模壓成型，因此，優(yōu)秀的面形測量方法將是完成超精密模具加工和透鏡模壓成型的重要前提。

在實(shí)際的微小非球面透鏡模具加工過程中，目前常用的測量方法是接觸探針掃描法，最具代表性的是英國泰勒霍普森有限公司生產(chǎn)的 Form Talysurf PGI 1240 或 1250A非球面測量系統(tǒng)，其非球面光學(xué)元件和模具的形狀測量精度可達(dá)到幾十個(gè)納米；還有日本松下公司利用原子間相互排斥力原理而開發(fā)的原子力非球面測量儀“UA3P”，據(jù)稱這種系統(tǒng)的面形測量精度最高達(dá) 10nm。但這兩種儀器由于受機(jī)床及環(huán)境振動(dòng)的影響，無法用在機(jī)床上進(jìn)行非球面模具的在位測量，而且泰勒公司的 PGI 測量儀容易對軟質(zhì)如鋁合金非球面模具表面產(chǎn)生劃傷。因此，盡管這兩種儀器的精度較高，但無法滿足微小透鏡模具在位測量的要求。目前在國外進(jìn)口的超精密機(jī)床上都安裝有接觸探針式在位測量裝置，其結(jié)構(gòu)一般采用接觸探針與基于激光三角測量原理的位移反饋系統(tǒng)相結(jié)合，用于非球面模具加工的初步檢測，受位移反饋系統(tǒng)的限制，其測量精度無法達(dá)到納米量級，而且環(huán)境振動(dòng)將影響位移反饋系統(tǒng)的響應(yīng)精度，同時(shí)探針接觸力較大，容易劃傷軟質(zhì)合金模具表面，將其用于在位測量存在較大缺陷。為解決非球面模具加工的面形在位測量問題，人們把目光轉(zhuǎn)向光學(xué)測量上。在采用光學(xué)方法測量非球面面形方面，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多原理和方法，這些原理和方法也可用于微小透鏡模具的面形測量。光學(xué)方法依原理可分為非干涉法和干涉法，其中非干涉法主要用來測量大口徑或精度要求不高的非球面，而干涉法的測量精度較高，在非球面微小透鏡模具的面形測量方面有廣闊的應(yīng)用前景。

在非球面的干涉測量法中，最典型的是補(bǔ)償干涉法。J.C. Wyant 等人起初提出采用零透鏡補(bǔ)償干涉法實(shí)現(xiàn)了非球面的檢測，進(jìn)而發(fā)展出采用計(jì)算全息圖代替零透鏡實(shí)現(xiàn)非球面的干涉檢測，獲得了非球面光學(xué)干涉測量方法的重大突破，這種方法對非球面測量的精度在幾十個(gè)納米左右；C. Pruss 提出了一種采用薄膜鏡片代替計(jì)算全息圖，通過計(jì)算機(jī)控制薄膜的變形實(shí)現(xiàn)非球面面形的檢測；Tae-hee Kim設(shè)計(jì)計(jì)算全息板對大口徑拋物面鏡進(jìn)行了測量，得到面形測量精度為 100多個(gè)納米；BURGE和 WYANT采用相移結(jié)合計(jì)算全息補(bǔ)償法獲得亞微米量級的非球面測量精度。在采用零透鏡補(bǔ)償和計(jì)算全息干涉法方面國內(nèi)學(xué)者也做了大量的研究工作：天津大學(xué)進(jìn)行了提高計(jì)算全息檢測非球面精度的研究，可使測量精度提高到 120納米左右；清華大學(xué)設(shè)計(jì)出了實(shí)用型的非球面零位檢驗(yàn) Dall 補(bǔ)償器，據(jù)稱面形檢測精度可達(dá)幾個(gè)納米；中國科學(xué)院長春光機(jī)所利用曲面計(jì)算全息圖進(jìn)行了非球面檢測，面形檢測精度為 234nm；另外蘇州大學(xué)采用校正法提高補(bǔ)償器的精度，測量非球面的精度達(dá)到 150納米左右。然而，盡管有的補(bǔ)償干涉法測量精度很高，可達(dá)到納米量級，但都需要根據(jù)所測量的非球面特點(diǎn)制作相應(yīng)的零透鏡、薄膜鏡片或計(jì)算全息圖，這大大降低了測量效率，而且極小的和高精度的計(jì)算全息圖制作非常困難, 代價(jià)很高。在加工不同類型非球面的微小透鏡模具時(shí)，補(bǔ)償干涉法的現(xiàn)場測量方案需變更、重新設(shè)計(jì)和制作，這樣效率太低，難以推廣，無法用于非球面模具的在位測量。除了補(bǔ)償干涉法外，國內(nèi)外學(xué)者還提出了用于非球面測量的波帶板干涉法和拼接干涉法，其中，波帶板干涉法同樣需要針對非球類型設(shè)計(jì)不同的測量方案，效率太低，而拼接干涉法主要用于大口徑非球面的測量。

另一種光學(xué)測量方法為剪切干涉法，在光學(xué)剪切干涉法方面，T. Yatagai和 T.Kanou采用 PZT 驅(qū)動(dòng)條紋掃描與橫向剪切干涉相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了非球面面形的測量；根據(jù) T. Kanou的方法，日本理光公司開發(fā)出非球面測量系統(tǒng) Aspherometer-200，可測量最大非球面度為 200的非球面，但面形測量精度僅為 200納米；Seung-Woo Kim等人采用四方棱鏡構(gòu)成橫向剪切干涉儀進(jìn)行了非球面透鏡的透射波面檢測，但未見用于非球面鏡面形的測量報(bào)道；Jae-Bong Song等人采用一塊楔板和兩塊透射光柵構(gòu)成橫向剪切干涉儀來測量非球面透鏡的透射波面，對其波面測量的誤差進(jìn)行了理論分析。國內(nèi)學(xué)者對剪切干涉測量非球面技術(shù)進(jìn)行了深入的研究：北京工業(yè)大學(xué)和美國亞利桑那大學(xué)合作提出了基于雙折射板的橫向剪切干涉法，獲得 100納米左右的非球面測量精度；中國航空精密機(jī)械研究所研究出了相移式橫向剪切干涉法測量非球面面形的檢測裝置及其配套檢測軟件，實(shí)現(xiàn)了對部分非球面光學(xué)零件的測量，面形精度達(dá)到 100納米；西安工業(yè)大學(xué)也對條紋掃描橫向剪切干涉儀進(jìn)行了研究，得到非球面測量精度為 120 納米左右；南京理工大學(xué)和南昌大學(xué)對波帶板徑向剪切法測量非球面進(jìn)行了研究，對標(biāo)準(zhǔn)非球面進(jìn)行測試，面形精度達(dá)到了 120納米的精度；浙江大學(xué)對徑向剪切干涉法測量深度非球面進(jìn)行了討論和系統(tǒng)的理論優(yōu)化；香港科技大學(xué)對抗振型共路橫向剪切干涉技術(shù)進(jìn)行了研究，并對其用于非球面透鏡的透射波面測量進(jìn)行了理論研究；另外，西安交通大學(xué)和西安工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研究了環(huán)境振動(dòng)對相移型橫向剪切非球面干涉儀的影響，提出了誤差補(bǔ)償算法，并在理論上分析了算法的可行性。剪切干涉技術(shù)不需標(biāo)準(zhǔn)參考波面，可靈活測量各種面形的非球面，但用于在位測量存在以下幾點(diǎn)缺陷：1）基于干涉對環(huán)境的苛刻要求，測量過程要避開環(huán)境振動(dòng)和噪聲的干擾，這在機(jī)床上是難以實(shí)現(xiàn)的；2）測量精度有待提高，對于高精度微小非球面模具而言，現(xiàn)有剪切干涉儀的在位測量精度無法達(dá)到納米級；3）剪切干涉圖的處理較為復(fù)雜，這在一定程度上制約了在位測量的實(shí)時(shí)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，提供了一種位移測量的精度可達(dá)納米量級，并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在位測量，測量過程可避開振動(dòng)噪聲的干擾，且測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性高的混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案：一種混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)，包括接觸探針、氣浮軸承、光學(xué)干涉系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)和軟件處理系統(tǒng)，所述光學(xué)干涉系統(tǒng)包括：一個(gè)光源、一個(gè)激光擴(kuò)束系統(tǒng)、一個(gè)貓眼反射鏡、兩個(gè)反射鏡、一個(gè)偏振分光鏡、一個(gè)1/2λ波片、三個(gè)1/4λ玻片、一個(gè)分束光柵或全息分束單元、一個(gè)空間濾波器和一組偏振片組；所述圖像采集處理系統(tǒng)包括：CCD相機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，軟件處理系統(tǒng)包括：相位計(jì)算模塊、面形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、曲面擬合模塊和誤差分析模塊；

所述光源發(fā)射的激光通過 1/2λ波片，形成圓偏振光，通過激光擴(kuò)束系統(tǒng)放大，并被第一個(gè)反射鏡反射到偏振分光鏡中，偏振分光鏡將一部分偏振光束反射，通過第一個(gè)1/4λ玻片改變偏振態(tài)，入射到貓眼反射鏡中，形成物光，貓眼反射鏡中的非球面透鏡將物光光束始終聚焦在其反射鏡面上，貓眼反射鏡與接觸探針粘連在一起，隨接觸探針在模具表面滑動(dòng)，所述接觸探針由氣浮軸承驅(qū)動(dòng)與控制，使得模具表面形貌的變化信息編碼在物光中；

偏振分光鏡將另外一部分光束透射，通過第二個(gè)1/4λ波片，入射到第二個(gè)反射鏡，并被第二個(gè)反射鏡反射，形成參考光束；離開偏振分光鏡后，參考光與物光相遇，通過空間濾波器濾除雜散光，并被分束光柵或全息分束單元分成四束等光強(qiáng)的物-參混合光束，再次通過第三個(gè)1/4λ波片和偏振片組，形成四幅不同相移量的空間干涉條紋，并成像在 CCD相機(jī) 中，圖像采集卡將CCD 相機(jī)中的圖像模擬信號導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行干涉圖像處理，提取模具表面的變化信息，實(shí)現(xiàn)非球面模具的形面測量。

優(yōu)選地，所述氣浮軸承包括軸承外圈、測量主軸、設(shè)置在軸承外圈和測量主軸之間的前端軸承和后端軸承，所述前端軸承和后端軸承與軸承外圈之間的間隙連通，所述后端軸承與軸承外圈之間的間隙處開有第三氣體進(jìn)口，所述測量主軸上設(shè)有段差A(yù)和段差B，所述軸承外圈上設(shè)有配合段差A(yù)的第一氣體進(jìn)口和配合段差B的第二氣體進(jìn)口，所述接觸探針通過測量主軸粘結(jié)在貓眼反射鏡上。

優(yōu)選地，所述偏振片組由偏振方向分別為 0°,45°,90°和 135°的四塊偏振片呈空間正方形排列組成，四副空間干涉條紋的相移量分別為 0、π/2、π和3π/2。

優(yōu)選地，所述相位計(jì)算模塊：基于圖像匹配算法尋找多幅相移干涉圖中同一測量位置的光強(qiáng)值變化，根據(jù)不同的光強(qiáng)值采用最小二乘法從相移干涉圖中獲取相位圖；

所述面形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊：基于波面理論，建立相位值與位移值之間的關(guān)系；所述曲面擬合模塊：采取最小二乘法或多項(xiàng)式法進(jìn)行曲面擬合，獲取最終的被測面形；計(jì)算擬合誤差。

優(yōu)選地，所述誤差分析模塊：通過微分方法建立系統(tǒng)的誤差模型，對影響測量精度的誤差因素進(jìn)行分析并提出修正方法。

優(yōu)選地，所述影響測量精度的誤差因素主要有:光學(xué)元件面形誤差、貓眼反射鏡的加工誤差、氣浮軸承的加工誤差、探針誤差、偏振片制造誤差、波片誤差、光束入射角誤差、CCD的非線性響應(yīng)誤差、多幅相移干涉圖的匹配誤差、干涉圖的后續(xù)軟件處理誤差。

優(yōu)選地，在第三氣體進(jìn)口加入第三加壓氣體到前端氣浮軸承與后端氣浮軸承中，利用軸承中的空隙不同產(chǎn)生不同的壓力，使得測量主軸浮動(dòng)；在第一氣體進(jìn)口加入第一加壓氣體到測量主軸的氣浮通道中，在第二氣體進(jìn)口加入第二加壓氣體到測量主軸的氣浮通道中，利用段差 A與段差 B的面積差，使得前后兩端的壓力不同，從而可以驅(qū)動(dòng)測量主軸的軸向支撐或者在測量時(shí)的測量壓力的平衡。

優(yōu)選地，所述光源采用波長為632.8nm的He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器，第二個(gè)反射鏡為參考反射鏡。

一種混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)的測量方法，包括下述步驟：

1）由激光器發(fā)射的激光通過 1/2λ波片，形成圓偏振光，通過擴(kuò)束系統(tǒng)放大，并被第一個(gè)反射鏡反射到偏振分光鏡中，偏振分光鏡將一部分偏振光束反射，通過第一個(gè) 1/4λ改變偏振態(tài)，入射到貓眼反射鏡中，形成物光；

2）貓眼反射鏡中的非球面透鏡將物光束始終聚焦在其反射鏡面上，而貓眼反射鏡與接觸探針粘連在一起，隨探針在模具表面滑動(dòng)，探針由納米精度的氣浮軸承驅(qū)動(dòng)與控制，使得模具表面形貌的變化信息編碼在物光中；

3）偏振分光鏡將另外一部分光束透射，通過第二個(gè)1/4λ波片，入射到參考反射鏡，并被參考反射鏡反射，形成參考光束；

4）離開偏振分光鏡后，參考光與物光相遇，通過空間濾波器濾除雜散光，并被分束光柵分成四束等光強(qiáng)的物-參混合光束，通過第三個(gè)1/4λ波片和偏振片組，形成四幅相移量為 0、π/2、π和3π/2的空間干涉條紋，并成像在 CCD 中，CCD 與計(jì)算機(jī)相連，可在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行干涉圖像處理，提取模具表面的變化信息，實(shí)現(xiàn)非球面模具的形面測量。

一種混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)的測量檢驗(yàn)方法，包括下述步驟：

1）根據(jù)被測模具加工過程中回轉(zhuǎn)對稱的特點(diǎn)，采用測量系統(tǒng)測量在位測量模具的橫截面形狀，轉(zhuǎn)換不同方位進(jìn)行多次測量，根據(jù)對稱性恢復(fù)三維模具面形，通過曲面擬合方法重建全口徑面形，多次測量取均值；與理論值比較，分析其測量精度，并與 Tylor－HobsonPGI 非球面測量機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行對比，評價(jià)精度；

2）測試測量的速度，并分析影響測量速度的各項(xiàng)因素；

3）在機(jī)床上進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，模擬振動(dòng)環(huán)境下的測量，分析測量精度和抗振動(dòng)性能；

4）測量軟質(zhì)模具材料，測試探針與模具的接觸力，分析探針對模具表面的損傷情況；

5）選擇多個(gè)不同非球面度的模具，進(jìn)行上述類似的測量和分析；

6）通過改變光源，測試波長的改變對測量精度的影響。

本實(shí)用新型采用接觸探針與激光干涉儀相結(jié)合的混合式非球面在位測量方法，為減少誤差和探針與模具表面的接觸力，采用新型納米精度的微小氣浮軸承驅(qū)動(dòng)和控制探針運(yùn)動(dòng)，位移反饋系統(tǒng)采用同步相移干涉裝置，在空間上同步采集四幅相移干涉圖并實(shí)時(shí)處理，同步相移干涉裝置本身的測量精度可達(dá)到0.01 波長量級，也即納米量級，同時(shí)可避開環(huán)境振動(dòng)與噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)高速在位測量，同步干涉儀的物光束通過貓眼反射鏡（代替了普通反射鏡）反射波長量級，也即納米量級，同時(shí)可避開環(huán)境振動(dòng)與噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)高速在位測量，同步干涉儀的物光束通過貓眼反射鏡（代替了普通反射鏡）反射，而貓眼反射鏡與探針粘連，因此探針獲得的面形信息就反映到貓眼反射鏡的位移上，進(jìn)而形成干涉條紋并通過計(jì)算機(jī)處理恢復(fù)非球面面形，其中貓眼反射鏡由非球面透鏡和高精度反射鏡構(gòu)成，使激光恒定聚焦，減少測量誤差。新型測量方法兼具接觸測量的靈活性和高精度特點(diǎn)，適用于微小非球面透鏡模具的在位納米級精度測量。新型測量方法兼具接觸測量的靈活性和高精度特點(diǎn)，適用于微小非球面透鏡模具的在位納米級精度測量。

本實(shí)用新型可為不同類型非球表面的微小透鏡模具提供快速靈活的、納米精度的在位檢測方案，為微小透鏡模具的面形誤差修正提供科學(xué)的依據(jù)，進(jìn)而為提高微小非球面透鏡模具的制造精度做鋪墊，同時(shí)也為完善光學(xué)干涉測量理論奠定基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本實(shí)用新型的有益效果：位移測量的精度可達(dá)納米量級，并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在位測量，測量過程可避開振動(dòng)噪聲的干擾，且測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性高。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型中氣浮軸承與接觸探針的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中1.半導(dǎo)體激光器，2.激光擴(kuò)束系統(tǒng)，3.貓眼反射鏡，4.反射鏡，5.偏振分光鏡，6.1/2λ波片，7.第一個(gè)1/4λ玻片，8.第二個(gè)1/4λ玻片，9. 第三個(gè)1/4λ玻片，10.分束光柵，11.空間濾波器，12.偏振片組，13.CCD相機(jī)，14. 接觸探針，15.氣浮軸承，16.軸承外圈，17.測量主軸，18.前端軸承，19.后端軸承，20.參考反射鏡，21.第一氣體進(jìn)口，22.第二氣體進(jìn)口，23.第三氣體進(jìn)口，24.段差A(yù)，25.段差B，26.待測模具。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但并不是對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制。

如圖1和2所示，一種混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)，包括接觸探針14、氣浮軸承15、光學(xué)干涉系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)和軟件處理系統(tǒng)。光學(xué)干涉系統(tǒng)包括：半導(dǎo)體激光器1、激光擴(kuò)束系統(tǒng)2、貓眼反射鏡3、反射鏡4、參考反射鏡20、偏振分光鏡5、1/2λ波片6、分束光柵10、空間濾波器11和偏振片組12以及三個(gè)1/4λ玻片。圖像采集處理系統(tǒng)包括：CCD相機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，軟件處理系統(tǒng)包括：相位計(jì)算模塊、面形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、曲面擬合模塊和誤差分析模塊。半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的激光通過 1/2λ波片6，形成圓偏振光，通過激光擴(kuò)束系統(tǒng)2放大，并被反射鏡4反射到偏振分光鏡5中，偏振分光鏡5將一部分偏振光束反射，通過第一個(gè)1/4λ玻片7改變偏振態(tài)，入射到貓眼反射鏡3中，形成物光，貓眼反射鏡3中的非球面透鏡將物光光束始終聚焦在其反射鏡面上，貓眼反射鏡3與接觸探針14粘連在一起，隨接觸探針14在待測模具26表面滑動(dòng)，接觸探針14由氣浮軸承15驅(qū)動(dòng)與控制，使得待測模具26表面形貌的變化信息編碼在物光中；

偏振分光鏡5將另外一部分光束透射，通過第二個(gè)1/4λ波片8，入射到參考個(gè)反射鏡20，并被參考個(gè)反射鏡20反射，形成參考光束；離開偏振分光鏡5后，參考光與物光相遇，通過空間濾波器11濾除雜散光，并被分束光柵11分成四束等光強(qiáng)的物-參混合光束，通過第三個(gè)1/4λ波片9和偏振片組12，形成四幅不同相移量的空間干涉條紋，并成像在 CCD相機(jī)13中，圖像采集卡將CCD 相機(jī)中的圖像模擬信號導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行干涉圖像處理，提取待測模具26表面的變化信息，實(shí)現(xiàn)非球面模具的形面測量。偏振片組12由偏振方向分別為 0°,45°,90°和 135°的四塊偏振片呈空間正方形排列組成，四副空間干涉條紋的相移量分別為 0、π/2、π和3π/2。

氣浮軸承15包括軸承外圈16、測量主軸17、設(shè)置在軸承外圈16和測量主軸17之間的前端軸承18和后端軸承19。前端軸承18和后端軸承19與軸承外圈16之間的間隙連通，后端軸承19與軸承外圈16之間的間隙處開有第三氣體進(jìn)口23，測量主軸17上設(shè)有段差A(yù)24和段差B25，軸承外圈16上設(shè)有配合段差A(yù)24的第一氣體進(jìn)口21和配合段差B25的第二氣體進(jìn)口22，接觸探針14通過測量主軸17粘結(jié)在貓眼反射鏡3上。

相位計(jì)算模塊：基于圖像匹配算法尋找多幅相移干涉圖中同一測量位置的光強(qiáng)值變化，根據(jù)不同的光強(qiáng)值采用最小二乘法從相移干涉圖中獲取相位圖；

面形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊：基于波面理論，建立相位值與位移值之間的關(guān)系；

曲面擬合模塊：采取最小二乘法或多項(xiàng)式法進(jìn)行曲面擬合，獲取最終的被測面形；計(jì)算擬合誤差。

誤差分析模塊：通過微分方法建立系統(tǒng)的誤差模型，對影響測量精度的誤差因素進(jìn)行分析并提出修正方法。

影響測量精度的誤差因素主要有:光學(xué)元件面形誤差、貓眼反射鏡的加工誤差、氣浮軸承的加工誤差、探針誤差、偏振片制造誤差、波片誤差、光束入射角誤差、CCD的非線性響應(yīng)誤差、多幅相移干涉圖的匹配誤差、干涉圖的后續(xù)軟件處理誤差。

在第三氣體進(jìn)口加入第三加壓氣體到前端氣浮軸承與后端氣浮軸承中，利用軸承中的空隙不同產(chǎn)生不同的壓力，使得測量主軸浮動(dòng)；在第一氣體進(jìn)口加入第一加壓氣體到測量主軸的氣浮通道中，在第二氣體進(jìn)口加入第二加壓氣體到測量主軸的氣浮通道中，利用段差 A與段差 B的面積差，使得前后兩端的壓力不同，從而可以驅(qū)動(dòng)測量主軸的軸向支撐或者在測量時(shí)的測量壓力的平衡。

半導(dǎo)體激光器波長為632.8nm。

一種混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)的測量方法，包括下述步驟：

1）由激光器發(fā)射的激光通過 1/2λ波片，形成圓偏振光，通過擴(kuò)束系統(tǒng)放大，并被第一個(gè)反射鏡反射到偏振分光鏡中，偏振分光鏡將一部分偏振光束反射，通過第一個(gè) 1/4λ改變偏振態(tài)，入射到貓眼反射鏡中，形成物光；

2）貓眼反射鏡中的非球面透鏡將物光束始終聚焦在其反射鏡面上，而貓眼反射鏡與接觸探針粘連在一起，隨探針在模具表面滑動(dòng)，探針由納米精度的氣浮軸承驅(qū)動(dòng)與控制，使得模具表面形貌的變化信息編碼在物光中；

3）偏振分光鏡將另外一部分光束透射，通過第二個(gè)1/4λ波片，入射到參考反射鏡，并被參考反射鏡反射，形成參考光束；

4）離開偏振分光鏡后，參考光與物光相遇，通過空間濾波器濾除雜散光，并被分束光柵分成四束等光強(qiáng)的物-參混合光束，通過第三個(gè)1/4λ波片和偏振片組，形成四幅相移量為 0、π/2、π和3π/2的空間干涉條紋，并成像在 CCD 中，CCD 與計(jì)算機(jī)相連，可在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行干涉圖像處理，提取模具表面的變化信息，實(shí)現(xiàn)非球面模具的形面測量。

一種混合式非球面透鏡模具的在位測量系統(tǒng)的測量檢驗(yàn)方法，包括下述步驟：

1）根據(jù)被測模具加工過程中回轉(zhuǎn)對稱的特點(diǎn)，采用測量系統(tǒng)測量在位測量模具的橫截面形狀，轉(zhuǎn)換不同方位進(jìn)行多次測量，根據(jù)對稱性恢復(fù)三維模具面形，通過曲面擬合方法重建全口徑面形，多次測量取均值；與理論值比較，分析其測量精度，并與 Tylor－HobsonPGI 非球面測量機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行對比，評價(jià)精度；

2）測試測量的速度，并分析影響測量速度的各項(xiàng)因素；

3）在機(jī)床上進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，模擬振動(dòng)環(huán)境下的測量，分析測量精度和抗振動(dòng)性能；

4）測量軟質(zhì)模具材料，測試探針與模具的接觸力，分析探針對模具表面的損傷情況；

5）選擇多個(gè)不同非球面度的模具，進(jìn)行上述類似的測量和分析；

6）通過改變光源，測試波長的改變對測量精度的影響。

本實(shí)施例主要分為微小非球面混合測量技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究、新型納米精度探針驅(qū)動(dòng)裝置研究及新型混合測量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究三大部分。

（1 ）微小非球面納米精度混合測量技術(shù)理論研究

對納米精度的探針-同步相移干涉混合式非球面測量技術(shù)進(jìn)行理論研究，主要內(nèi)容包括：掃描探針與貓眼反射鏡相結(jié)合，構(gòu)建測量方案的接觸系統(tǒng)，對貓眼反射鏡進(jìn)行光學(xué)理論分析；基于偏振干涉原理，構(gòu)建測量方案的光學(xué)反饋系統(tǒng)，進(jìn)行理論分析；對整個(gè)測量方案進(jìn)行理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)；對測量方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并建立誤差模型，分析理論誤差。

（2）新型混合測量技術(shù)的探針納米精度驅(qū)動(dòng)裝置研究

a)納米精度微小氣浮驅(qū)動(dòng)裝置研究。研究與分析基于微小探針測量的氣浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；納米精度微小氣浮支撐結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)；納米精度微小氣浮驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)與制造；微細(xì)氣流氣壓管道設(shè)計(jì)；微小探針與氣浮支撐的聯(lián)接；氣浮支撐與驅(qū)動(dòng)仿真優(yōu)化分析。

b)氣浮式微小接觸探針精確控制。研究與分析微小探針的氣浮驅(qū)動(dòng)與支撐方法分析；仿真與模擬在氣浮驅(qū)動(dòng)作用下探針測量；建立氣浮驅(qū)動(dòng)探針模型，確定氣浮控制與探針測量的關(guān)系；分析微細(xì)氣浮裝置對微小探針接觸測量的精度影響；針對氣浮驅(qū)動(dòng)的探針測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。從而通過模型優(yōu)化各個(gè)影響參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。

（3 ）研究新型混合測量系統(tǒng)的試驗(yàn)方案，進(jìn)行各項(xiàng)性能分析

根據(jù)理論模型，研究實(shí)際測量的試驗(yàn)方案；針對試驗(yàn)采集到的干涉圖特點(diǎn)，提出相應(yīng)的處理方法，編制程序并優(yōu)化算法。分析測量系統(tǒng)的測量精度、測量速度以及抗振動(dòng)性能；分析探針與被測模具表面的接觸力，評估探針對表面的劃傷情況。進(jìn)行試驗(yàn)測試。

本實(shí)施例的目標(biāo)為：

（1）構(gòu)建接觸探針—同步相移干涉混合式微小非球面納米精度測量系統(tǒng)，以納米精度的激光同步偏振干涉系統(tǒng)作為位移反饋系統(tǒng)，采用納米精度的氣浮軸承技術(shù)驅(qū)動(dòng)和控制探針，達(dá)到納米級非球面測量精度，實(shí)現(xiàn)在位測量；

（2）采用理論分析和試驗(yàn)兩種手段進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的高抗振性和低損傷接觸力，測量速度達(dá)到毫秒級。

本實(shí)用新型主要解決的技術(shù)問題

（1 ）同步相移干涉位移反饋系統(tǒng)的理論分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和誤差分析

同步相移干涉反饋系統(tǒng)的理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)是本實(shí)用新型實(shí)施的先決條件。為實(shí)現(xiàn)納米精度測量，采用相移干涉方案，而相移干涉可獲得干涉測量中的最高精度，即納米級精度；同步相移方案的采用可在瞬間獲取干涉圖，避免普通機(jī)床低頻振動(dòng)對干涉結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在位測量，因此對同步干涉位移反饋系統(tǒng)的理論分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和誤差分析是本課題面臨的關(guān)鍵問題之一。

（2 ）納米精度探針驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究

納米精度微小氣浮驅(qū)動(dòng)控制是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，采用氣浮軸承實(shí)現(xiàn)納米精度的探針驅(qū)動(dòng)，并與位移反饋系統(tǒng)配合，共同實(shí)現(xiàn)納米精度測量，同時(shí)以極小的控制力接觸被測表面，避免模具與探針磨損過快，因此對納米精度探針驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究是關(guān)鍵問題

（3 ）測量系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

在本實(shí)用新型中，試驗(yàn)測試是獲得模具面形測量精度、測量速度、抗振性能和探針接觸力的唯一途徑。如何針對加工后的模具面形特點(diǎn)實(shí)施試驗(yàn)方案，如何獲取該測量系統(tǒng)的真實(shí)測量參數(shù)，是決定實(shí)用新型成功實(shí)施的關(guān)鍵所在。因此，具體的測量試驗(yàn)方案與實(shí)施是本實(shí)用新型的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

本實(shí)用新型的特點(diǎn)是，將接觸探針與激光同步相移干涉技術(shù)相融合，通過研究新型納米精度位移反饋系統(tǒng)和納米精度微小氣浮驅(qū)動(dòng)裝置，構(gòu)建微小非球面模具面形測量的探針—激光干涉混合式在位測量系統(tǒng)，從而解決微小非球面模具加工的在位測量難題。實(shí)用新型的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）提出以接觸探針結(jié)合激光同步相移干涉技術(shù)形成混合式非球面測量方法，為微小非球面透鏡模具加工提供新型的納米精度在位測量技術(shù)。

現(xiàn)有接觸探針式非球面測量機(jī)采用激光三角測量原理實(shí)現(xiàn)位移反饋，測量精度受制于激光三角法本身的理論精度，而且測量過程易受機(jī)床、環(huán)境振動(dòng)的影響，而本實(shí)用新型所研究的測量系統(tǒng)可突破傳統(tǒng)的激光三角法，采用同步相移干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)位移反饋，位移測量的精度可達(dá)納米量級，并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在位測量，測量過程可避開振動(dòng)噪聲的干擾。

（2）率先在微小非球面在位測量系統(tǒng)中引入貓眼反射鏡，并采用非球面透鏡進(jìn)行

新型貓眼反射鏡的設(shè)計(jì)，提高了測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

（3）研究新型的納米精度氣浮軸承以實(shí)現(xiàn)探針的納米精度驅(qū)動(dòng)與控制

設(shè)計(jì)專用于納米測量的微型納米精度氣浮主軸，采用空氣軸承及空氣驅(qū)動(dòng)原理對測量主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)空氣主軸及軸承中的段差（面積差）產(chǎn)生壓力的不同，從而驅(qū)動(dòng)主軸軸向徑向的支撐，以及測量過程中測力的氣動(dòng)平衡。利用納米精度微小氣浮驅(qū)動(dòng)控制機(jī)制與氣浮式微小接觸探針精確控制方法，顯示了獨(dú)具的優(yōu)越性，突破了使用滾動(dòng)軸承或油膜軸承所不能解決的困難，達(dá)到納米精度控制，并最小化探針與模具工件的接觸力，減少非球面模具的表面劃傷。

本實(shí)用新型采用理論分析設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測量相結(jié)合的方法，提出氣浮探針-同步相移干涉相結(jié)合的混合式測量方法，并進(jìn)行理論分析（包括理論推導(dǎo)、光學(xué)設(shè)計(jì)、干涉圖處理算法設(shè)計(jì)和誤差分析等）、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測試（包括實(shí)驗(yàn)方案提出和實(shí)施、干涉圖編程處理和結(jié)果分析等），進(jìn)行測量精度、測量速度、抗振動(dòng)性能和接觸力分析。

本實(shí)用新型采用 Zemax 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對貓眼反射鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化貓眼反射鏡中的非球面透鏡參數(shù)；采用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件對氣浮軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；對位移反饋系統(tǒng)中的單個(gè)光學(xué)元件建模并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并評價(jià)整個(gè)測量系統(tǒng)的性能；對位移反饋系統(tǒng)整體進(jìn)行光學(xué)性能優(yōu)化；進(jìn)行光學(xué)仿真計(jì)算，為試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：光學(xué)隔振平臺(tái)、非球面透鏡模具超精密加工機(jī)等。