基于復(fù)合激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于復(fù)合激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法與系統(tǒng)屬于表面形貌測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于高數(shù)值孔徑、大曲率及具有小臺階特征的非球面元件表面形狀測量的超精密、高速干涉測量方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于非球面具有更多的設(shè)計自由度，使得光學(xué)系統(tǒng)具有更大的靈活性，能夠校正像差、改善像質(zhì)、擴(kuò)大視場，并使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、重量減輕，因此在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在天文望遠(yuǎn)鏡、深紫外光刻、激光武器光學(xué)系統(tǒng)、激光核聚變光學(xué)系統(tǒng)以及制導(dǎo)導(dǎo)彈的光學(xué)成像引導(dǎo)系統(tǒng)等高端技術(shù)領(lǐng)域。目前，非球面測量方法比較多，包括:接觸式掃描法、斐索干涉測量法、計算全息法和共焦掃描測量法等。
[0003]接觸式掃描法是最經(jīng)典的測量方法，測量過程中，機(jī)械測頭始終與被測表面保持接觸，表面上的結(jié)構(gòu)及面形變化會導(dǎo)致機(jī)械測頭發(fā)生垂直方向的位移，通過感知該位移即可以得到被測表面的面形輪廓信息。該方法具有可靠、方便的特性，但是由于測頭與被測表面直接接觸，因此存在損壞被測表面的風(fēng)險，不適用于軟表面、生物表面以及包含信息的器件表面等。
[0004]斐索干涉測量法與計算全息法本質(zhì)上相同，一般需引入零位補(bǔ)償技術(shù)，就是通過補(bǔ)償元件(計算全息板)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(biāo)準(zhǔn)波面與被測表面進(jìn)行比較，通過幾何光學(xué)方法或干涉法等手段觀察二者之間的差別。該方法不需掃描機(jī)構(gòu)，通過一次測量可以獲得被測表面的三維面形，測量速度快，空間分辨率高，測量精度高，非接觸測量等。但是其主要缺點(diǎn)是需要補(bǔ)償元件，且不同被測工件需要不同的補(bǔ)償元件，大大增加了測量成本和復(fù)雜程度，通用性非常差，嚴(yán)重限制了其測量范圍；另外，當(dāng)非球面曲率比較大時，將導(dǎo)致干涉條紋過密無法進(jìn)行測量。
[0005]共焦掃描測量法在探測器前有一個極小的針孔，只有當(dāng)物點(diǎn)位于焦點(diǎn)上時，反射光才能夠通過這個小孔被光電探測器收集，而焦點(diǎn)以外物體的反射光則會被屏蔽掉。在掃描過程中，隨著光學(xué)系統(tǒng)在垂直方向不斷運(yùn)動，測試樣品將以切片的形式被分層成像，這一過程被稱作光學(xué)層析。該方法不僅具有良好的垂直分辨率和水平分辨率等特點(diǎn)，而且具有良好的深度響應(yīng)特性，光強(qiáng)對比度高，抗散射光能力強(qiáng)；但對于高數(shù)值孔徑或曲率變化較大的表面，由于探測系統(tǒng)無法收集到足夠的回光，因此很難實現(xiàn)其表面的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有非球面測量方法的不足，本發(fā)明提出了一種基于復(fù)合激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法與系統(tǒng)，本方法采用復(fù)合式激光干涉測量原理進(jìn)行測量，并且激光干涉測頭具有旋轉(zhuǎn)功能，因此可以實現(xiàn)大口徑、高數(shù)值孔徑、大曲率及具有小臺階特征的非球面元件表面形狀的超精密、快速測量。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]一種基于復(fù)合激光干涉的法線跟蹤式非球面測量方法，其特征在于該方法步驟如下:
[0009](I)該方法主要包括掃描機(jī)構(gòu)、復(fù)合式干涉測頭和回轉(zhuǎn)工件臺三部分；掃描機(jī)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(jī)構(gòu)，復(fù)合式干涉測頭固定在該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，被測非球面放置在回轉(zhuǎn)工件臺上；
[0010](2)通過掃描機(jī)構(gòu)將復(fù)合式干涉測頭移動到被測非球面上的待測點(diǎn)，采用激光干涉儀記錄下此時旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心的X向和Z向位置坐標(biāo)，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(jī)構(gòu)中心始終符合阿貝原則，從而消除測量中的阿貝誤差；然后利用復(fù)合式干涉測頭對被測非球面進(jìn)行測量；
[0011](3)復(fù)合式干涉測頭采用兩個穩(wěn)頻激光器作為光源，波長分別為λ jP λ 2，兩穩(wěn)頻激光器的輸出光首先分別經(jīng)過一個光隔離器，以消除回光對穩(wěn)頻激光器的影響，然后兩輸出光分別經(jīng)過二分之一波片和光纖親合器后，被親合進(jìn)保偏光纖進(jìn)行合光與傳輸，同時通過調(diào)節(jié)光路中的兩個二分之一波片，使兩束激光的偏振方向相互垂直，并且其中一束激光的偏振方向與保偏光纖的快軸對齊，另一束激光的偏振方向與保偏光纖的慢軸對齊；
[0012](4)兩束激光經(jīng)保偏光纖合光傳輸后，被準(zhǔn)直成平行光束，平行光束被分光鏡分為兩部分，其中一部分被透鏡匯聚到參考鏡上作為參考光，另一部分被透鏡匯聚到被測非球面上作為測量光；
[0013](5)被測非球面的反射光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(yīng)的電信號，并將電信號送入信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理；當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，直至使復(fù)合式干涉測頭的測量光與被測非球面垂直，此時旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度記為Θ i，從而保證在測量過程中，復(fù)合式干涉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；
[0014](6)當(dāng)復(fù)合式干涉測頭的測量光與被測非球面垂直時，被測非球面的另一部分反射光與參考鏡的反射光重新在分光鏡處疊加形成干涉信號，該干涉信號由兩個正交偏振，波長分別為λ #卩λ 2的干涉分量組成，兩干涉分量被偏振分光鏡分尚成兩個獨(dú)立的干涉信號，并分別被光電探測器接收轉(zhuǎn)換成電信號1工和12，送入信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。
[0015](7)信號處理系統(tǒng)利用波長為λ 2的兩干涉信號可以對被測非球面進(jìn)行連續(xù)高精度干涉測量，但只能對連續(xù)表面進(jìn)行測量；同時，兩激光波長λ#Ρ λ 2結(jié)合可構(gòu)成一個合成波長Λ，其大小為Λ = X1X2Z(X1-X2);合成波長Λ均遠(yuǎn)大于λ 2，因此利用合成波長Λ可以擴(kuò)大了復(fù)合式干涉測頭的測量范圍，對高度小于Λ/2的臺階形狀可直接進(jìn)行測量；
[0016](8)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、IjP I 2，可以計算出被測非球面上待測點(diǎn)的坐標(biāo)值；
[0017](9)按照預(yù)先設(shè)定的掃描軌跡，掃描機(jī)構(gòu)將復(fù)合式干涉測頭移動到被測非球面的下一個待測點(diǎn)，在每個待測點(diǎn)都重復(fù)步驟⑵?⑶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(diǎn)的坐標(biāo)值可以獲得被測非球面的面形信息。
[0018]一種基于復(fù)合激光干涉的法線跟蹤式非球面測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括X向?qū)к墶向?qū)к?、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、復(fù)合式干涉測頭、被測非球面、回轉(zhuǎn)工作臺、Z向激光干涉儀、X向激光干涉儀；其中，X向?qū)к壟cZ向?qū)к壪嗷ゴ怪卑惭b，可以實現(xiàn)XZ平面內(nèi)的掃描，復(fù)合式干涉測頭通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定在Z向?qū)к壍哪┒耍梢詫崿F(xiàn)復(fù)合式干涉測頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，Z向激光干涉儀與X向激光干涉儀固定在Z向?qū)к壣?，且Z向激光干涉儀與X向激光干涉儀測量光的軸線方向均通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中心，被測非球面固定在回轉(zhuǎn)工作臺上；所述的復(fù)合式干涉測頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包括穩(wěn)頻激光器A、穩(wěn)頻激光器B、光隔離器A、光隔離器B、二分之一波片A、二分之一波片B、光纖親合器A、光纖親合器B、單模保偏光纖、準(zhǔn)直鏡組、分光鏡A、透鏡A、參考反射鏡、分光鏡B、透鏡B、透鏡C、位置傳感器、光電探測器A、透鏡D、偏振分光鏡、透鏡E、光電探測器B、信號處理卡，其中，穩(wěn)頻激光器A、光隔