壓電陶瓷14、分光鏡A 15、透鏡A 16、位置傳感器17、光電探測器A 18、針孔A 19、透鏡B 20、分光鏡B 21、透鏡C 22、針孔B 23、光電探測器B 24、信號處理卡25 ;其中，激光器9、準直鏡組10、偏振分光鏡11、四分之一波片12和物鏡13依次同軸放置，物鏡13固定在壓電陶瓷14上，在偏振分光鏡11的反射方向依次放置分光鏡A 15、透鏡A 16和位置傳感器17，在分光鏡A 15的反射方向依次放置分光鏡B 21、透鏡B 20、針孔A 19和光電探測器A 18，在分光鏡B 21的反射方向依次放置透鏡C 22、針孔B 23和光電探測器B 24，壓電陶瓷14、位置傳感器17、光電探測器A 18、光電探測器B 24均與信號處理卡25相連。
[0024]一種法線跟蹤式差動共焦非球面測量方法，其特征在于該方法步驟如下:
[0025](I)該方法主要包括掃描機構(gòu)、差動共焦測頭和回轉(zhuǎn)工件臺三部分；掃描機構(gòu)采用X向?qū)к壟cZ向?qū)к墝崿F(xiàn)XZ平面內(nèi)掃描，Z向?qū)к壞┒藥в行D(zhuǎn)機構(gòu)，差動共焦測頭固定在該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，可以進行回轉(zhuǎn)運動，被測非球面放置在回轉(zhuǎn)工件臺上；
[0026](2)通過掃描機構(gòu)將差動共焦測頭移動到被測非球面上的待測點，采用激光干涉儀記錄下此時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中心的X向和Z向位置坐標，分別記為Xl、Z1，在移動過程中激光干涉儀的測量光與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中心始終符合阿貝原則，從而消除測量中的阿貝誤差；然后利用差動共焦測頭對被測非球面進行測量；
[0027](3)差動共焦測頭采用激光器作為光源，激光器的輸出光為線偏振光，經(jīng)準直擴束后變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束依次透過偏振分光鏡與四分之一波片，然后被物鏡匯聚到被測非球面上，被測非球面的反射光經(jīng)四分之一波片后被偏振分光鏡反射；
[0028](4)反射光的一部分被透鏡匯聚到位置傳感器上，將會聚光斑的位置轉(zhuǎn)換成相應的電信號，并將電信號送入信號處理系統(tǒng)進行處理；當測量光與被測非球面垂直時，會聚光斑位于傳感器中心，輸出電信號為O ;當測量光與被測非球面不垂直時，會聚光斑則偏離傳感器中心，輸出電信號不為0，將輸出電信號送入信號處理系統(tǒng)進行處理，信號處理系統(tǒng)輸出一個控制信號來調(diào)節(jié)Z向?qū)к壞┒诵D(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，直至使差動共焦測頭的測量光與被測非球面垂直，此時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的角度記為Θi，從而在測量過程中，保證差動共焦測頭的測量光與被測非球面始終保持垂直，不受被測非球面曲率的影響；
[0029](5)當差動共焦測頭的測量光與被測非球面垂直時，反射光的另一部分被平均分為兩份，并分別經(jīng)過透鏡、針孔后被光電探測器接收，一個針孔位于透鏡焦點前，另一個針孔位于透鏡焦點后，兩個針孔關于透鏡焦點對稱分布，兩光電探測器分別輸出光強信號In
工2;
[0030](6)當兩光強信號Ip I2相等時，表明物鏡的焦點正好落在被測非球面上，當兩光強信號I1、12不相等時，表明物鏡的焦點偏離了被測非球面，然后根據(jù)兩光強信號的差值，通過改變壓電陶瓷的驅(qū)動電壓V沿軸向調(diào)節(jié)差動共焦測頭與被測非球面之間的距離，直至兩光強?目號I1' I2相等；
[0031](7)最終信號處理系統(tǒng)通過分析測量過程中記錄的Xl、Z1, Θ ” V、IjP I 2，可以計算出被測非球面上待測點的坐標值；
[0032](8)按照預先設定的掃描軌跡，掃描機構(gòu)將差動共焦測頭移動到被測非球面的下一個待測點，在每個待測點都重復步驟⑵?(7)的測量過程，直至完成整個掃描軌跡的測量，通過綜合掃描軌跡上所有測量點的坐標值可以獲得被測非球面的面形信息。
【主權項】
1.一種法線跟蹤式差動共焦非球面測量方法，其特征在于該方法步驟如下: (1)該方法主要包括掃描機構(gòu)、差動共焦測頭和回轉(zhuǎn)工件臺三部分；掃描機構(gòu)采用X向?qū)к壟cZ向?qū)к墝崿F(xiàn)XZ平面內(nèi)掃描，Z向?qū)к壞┒藥в行D(zhuǎn)機構(gòu)，差動共焦測頭固定在該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，可以進行回轉(zhuǎn)運動，被測非球面放置在回轉(zhuǎn)工件臺上； (2)通過掃描機構(gòu)將差動共焦測頭移動到被測非球面上的待測點，采用激光干涉儀記錄下此時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中心的X向和Z向位置坐標，分別記為Xl、Z1，在移動過程中激光干涉儀的測量光與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中心始終符合阿貝原則，從而消除測量中的阿貝誤差；然后利用差動共焦測頭對被測非球面進行測量； (3)差動共焦測頭采用激光器作為光源，激光器的輸出光為線偏振光，經(jīng)準直擴束后變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束依次透過偏振分光鏡與四分之一波片，然后被物鏡匯聚到被測非球面上，被測非球面的反射光經(jīng)四分之一波片后被偏振分光鏡反射； (4)反射光的一部分被透鏡匯聚到位置傳感器上，將會聚光斑的位置轉(zhuǎn)換成相應的電信號，并將電信號送入信號處理系統(tǒng)進行處理；當測量光與被測非球面垂直時，會聚光斑位于傳感器中心，輸出電信號為O ;當測量光與被測非球面不垂直時，會聚光斑則偏離傳感器中心，輸出電信號不為O，將輸出電信號送入信號處理系統(tǒng)進行處理，信號處理系統(tǒng)輸出一個控制信號來調(diào)節(jié)Z向?qū)к壞┒诵D(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，直至使差動共焦測頭的測量光與被測非球面垂直，此時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的角度記為Θ i，從而在測量過程中，保證差動共焦測頭的測量光與被測非球面始終保持垂直，不受被測非球面曲率的影響； (5)當差動共焦測頭的測量光與被測非球面垂直時，反射光的另一部分被平均分為兩份，并分別經(jīng)過透鏡、針孔后被光電探測器接收，一個針孔位于透鏡焦點前，另一個針孔位于透鏡焦點后，兩個針孔關于透鏡焦點對稱分布，兩光電探測器分別輸出光強信號I2; (6)當兩光強信號I1'I2相等時，表明物鏡的焦點正好落在被測非球面上，當兩光強信號1:、12不相等時，表明物鏡的焦點偏離了被測非球面，然后根據(jù)兩光強信號的差值，通過改變壓電陶瓷的驅(qū)動電壓V沿軸向調(diào)節(jié)差動共焦測頭與被測非球面之間的距離，直至兩光強信號Ip I2相等； (7)最終信號處理系統(tǒng)通過分析測量過程中記錄的Xl、Z1,Θ 1、V、IjP I 2，可以計算出被測非球面上待測點的坐標值； (8)按照預先設定的掃描軌跡，掃描機構(gòu)將差動共焦測頭移動到被測非球面的下一個待測點，在每個待測點都重復步驟⑵?(7)的測量過程，直至完成整個掃描軌跡的測量，通過綜合掃描軌跡上所有測量點的坐標值可以獲得被測非球面的面形信息。
2.一種法線跟蹤式差動共焦非球面測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括X向?qū)к?I)、Z向?qū)к?2)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(3)、差動共焦測頭(4)、被測非球面(5)、回轉(zhuǎn)工作臺(6)、Z向激光干涉儀⑵、X向激光干涉儀⑶；其中，X向?qū)к墷排cZ向?qū)к墷葡嗷ゴ怪卑惭b，可以實現(xiàn)XZ平面內(nèi)的掃描，差動共焦測頭(4)通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(3)固定在Z向?qū)к?2)的末端，可以實現(xiàn)差動共焦測頭(4)的旋轉(zhuǎn)運動，Z向激光干涉儀(7)與X向激光干涉儀(8)固定在Z向?qū)к?2)上，且Z向激光干涉儀(7)與X向激光干涉儀(8)測量光的軸線方向均通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(3)的中心，被測非球面(5)固定在回轉(zhuǎn)工作臺(6)上；所述的差動共焦測頭(4)結(jié)構(gòu)較復雜，包括激光器(9)、準直鏡組(10)、偏振分光鏡(11)、四分之一波片(12)、物鏡(13)、壓電陶瓷(14)、分光鏡A(15)、透鏡A(16)、位置傳感器(17)、光電探測器A(18)、針孔A (19)、透鏡B (20)、分光鏡B (21)、透鏡C (22)、針孔B (23)、光電探測器B (24)、信號處理卡(25);其中，激光器(9)、準直鏡組(10)、偏振分光鏡(11)、四分之一波片(12)和物鏡(13)依次同軸放置，物鏡(13)固定在壓電陶瓷(14)上，在偏振分光鏡(11)的反射方向依次放置分光鏡A(15)、透鏡A(16)和位置傳感器(17)，在分光鏡A(15)的反射方向依次放置分光鏡B (21)、透鏡B (20)、針孔A (19)和光電探測器A (18)，在分光鏡B (21)的反射方向依次放置透鏡C(22)、針孔B(23)和光電探測器B(24)，壓電陶瓷(14)、位置傳感器(17)、光電探測器A(18)、光電探測器B(24)均與信號處理卡(25)相連。
【專利摘要】法線跟蹤式差動共焦非球面測量方法與系統(tǒng)屬于表面形貌測量技術領域；本發(fā)明包括掃描機構(gòu)、差動共焦測頭和回轉(zhuǎn)工件臺三部分，被測非球面放置在回轉(zhuǎn)工件臺上，掃描機構(gòu)采用X向?qū)к壟cZ向?qū)к墝崿F(xiàn)XZ平面內(nèi)掃描，差動共焦測頭通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)固定在Z向?qū)к壞┒?，該測頭采用跟蹤式差動共焦技術進行測量，利用位置傳感器來測量被測非球面表面的斜率變化并實時調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使測頭與被測非球面表面始終保持垂直，從而保證測頭接收到足夠的光信號；因此，本發(fā)明可以實現(xiàn)大口徑、高數(shù)值孔徑及大曲率非球面元件表面形狀的超精密測量。
【IPC分類】G01B11-24
【公開號】CN104848802
【申請?zhí)枴緾N201510313752
【發(fā)明人】康巖輝, 刁曉飛, 崔建軍, 黃楊, 連笑怡
【申請人】中國計量科學研究院
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年6月10日