基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统

摘要

基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统属于表面形貌测量技术领域；本发明包括扫描机构、多波长激光干涉测头和回转工件台三部分，被测非球面放置在回转工件台上，扫描机构采用X向导轨与Z向导轨实现XZ平面内扫描，多波长激光干涉测头通过旋转机构固定在Z向导轨末端，该测头采用多波长干涉技术，可以进行绝对距离测量，实现对台阶形状的直接测量同时保留干涉测量高精度、可溯源的特点；该测头采用位置传感器来测量被测非球面表面的斜率变化并实时调节旋转机构，使测头与被测非球面表面始终保持垂直，从而保证测头接收到足够的光信号；因此，本发明可以实现大口径、高数值孔径、大曲率及具有台阶特征的非球面元件表面形状的超精密、快速测量。

主权项

一种基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法，其特征在于该方法步骤如下：(1)该方法主要包括扫描机构、多波长干涉测头和回转工件台三部分；扫描机构采用X向导轨与Z向导轨实现XZ平面内扫描，Z向导轨末端带有旋转机构，多波长干涉测头固定在该旋转机构上，可以进行回转运动，被测非球面放置在回转工件台上；(2)通过扫描机构将多波长干涉测头移动到被测非球面上的待测点，采用激光干涉仪记录下此时旋转机构中心的X向和Z向位置坐标，分别记为x₁、z₁，在移动过程中激光干涉仪的测量光与旋转机构中心始终符合阿贝原则，从而消除测量中的阿贝误差；然后利用多波长干涉测头对被测非球面进行测量；(3)多波长干涉测头采用三个稳频激光器作为光源，波长分别为λ₁、λ₂和λ₃，三台稳频激光器的输出光首先分别经过一个光隔离器，以消除回光对稳频激光器的影响，然后被声光移频器调制，调制频率分别为f₁、f₂和f₃；三束输出光分别被耦合进同一个保偏光纤进行合光与传输，通过调节三束输出光的偏振方向使其与保偏光纤的快轴方向相匹配；(4)三束激光经保偏光纤合光传输后被准直成同轴平行光束，平行光束被分光镜分为两部分，其中一部分被透镜汇聚到参考镜上作为参考光，另一部分被透镜汇聚到被测非球面上作为测量光；(5)被测非球面的反射光一部分被透镜汇聚到位置传感器上，将会聚光斑的位置转换成相应的电信号，并将电信号送入信号处理系统进行处理；当测量光与被测非球面垂直时，会聚光斑位于传感器中心，输出电信号为0；当测量光与被测非球面不垂直时，会聚光斑则偏离传感器中心，输出电信号不为0，将输出电信号送入信号处理系统进行处理，信号处理系统输出一个控制信号来调节Z向导轨末端旋转机构的旋转角度，直至使多波长干涉测头的测量光与被测非球面垂直，此时旋转机构的角度记为θ₁，从而保证在测量过程中，多波长干涉测头的测量光与被测非球面始终保持垂直，不受被测非球面曲率的影响；(6)当多波长干涉测头的测量光与被测非球面垂直时，被测非球面的另一部分反射光与参考镜的反射光重新在分光镜处叠加形成干涉信号，该干涉信号由波长为λ₁、λ₂和λ₃的三个干涉分量组成，该干涉信号被光电探测器接收转换成电信号；由于三个干涉分量具有不同的调制频率，其大小分别为f₁、f₂和f₃，利用锁相放大技术将三个干涉分量分离，获得波长为λ₁、λ₂和λ₃的三个独立干涉信号I₁、I₂和I₃，并送入信号处理系统进行处理；(7)通过对三个激光波长λ₁、λ₂和λ₃进行组合可以构成两个合成波长Λ₁和Λ₂，其大小分别为：Λ₁＝λ₁λ₂/(λ₁‑λ₂)，Λ₂＝λ₁λ₃/(λ₁‑λ₃)，合成波长Λ₁、Λ₂与任意一个激光波长可以构成一个三级波长链，实现绝对距离测量，扩大多波长干涉测头的测量范围，并对台阶形状可直接进行测量，台阶高度要小于最大合成波长的一半；(8)最终信号处理系统通过分析测量过程中记录的x₁、z₁、θ₁、I₁、I₂和I₃，可以计算出被测非球面上待测点的坐标值；(9)按照预先设定的扫描轨迹，扫描机构将多波长干涉测头移动到被测非球面的下一个待测点，在每个待测点都重复步骤(2)～(8)的测量过程，直至完成整个扫描轨迹的测量，通过综合扫描轨迹上所有测量点的坐标值可以获得被测非球面的面形信息。