基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置与方法属于宏观轮廓测量技术，该装置包括超精密气浮转台、精密转角及测角系统，超精密直线气浮导轨、测长装置和倾斜度测量系统；倾斜度测量系统包括线偏振Ｈｅ－Ｎｅ激光器或半导体激光器、衍射元件、扫描头和图像接收单元；线偏振Ｈｅ－Ｎｅ激光器或半导体激光器与图像接收单元分别固定于基座横梁的两侧，扫描头固定于超精密直线气浮导轨上；所述扫描头中包括径向倾斜度测量子扫描头和切向倾斜度测量子扫描头，且均包含误差补偿光路，两个子扫描头所在工作平面正交；本发明专利技术还公开了一种基于超精密回转扫描的大口径非球面测量方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于轮廓测量装置与方法，主要涉及一种大口径非球面宏观轮廓测量技术。
技术介绍
非球面光学零件较之球面光学零件有更多的设计自由度，不仅在光学系统中可有效校正高级像差，显著提高光学系统成像质量，同时又可明显简化光学系统结构，扩展光学系统功能。因此，非球面镜得到了广泛的应用，而各类大口径非球面的优点则更为突出、需求更为迫切。 在非球面光学元件的加工过程中，对其表面面形的精确测量是非常重要的从某种意义上说，没有与加工精度相适应的高精度检测方法和仪器，非球面的精密和超精密加工就难以实现。目前，用于高精度非球面形状测量的方法很多，就其表现形式而言，可分为接触测量和非接触测量两种。接触式测量方法中，测量头固定在基座上，测量杆升降螺母调节测量杆的高低，以适当的位置开始测量。在输入被测工件的各个参数以及测量半径、测量步长后，轮廓仪即可开始工作。被测工件从工件左侧所需测量半径开始向整个测量口径方向移动，由测量头读出并由计算机记录各点的坐标值。具有代表性的接触式测量仪有德国Loh公司生产的接触式非球面或球面形状测量仪，能够测量直径达200mm的非球面，分辨力达3nm；英国Taylor hobson公司研制的Form Talysurf PGI 1240型非球面表面轮廓仪，X向最大行程为200mm，Y向最大行程为12.5mm，纵向分辨力(Z轴)达0.8nm。该方法的主要缺点是测头直接与被测表面接触，测量过程中可能会损毁被测表面，由此使得这类仪器难于在大口径非球面光学表面形状测量中发挥作用。 由于接触式轮廓测量方法存在上述缺点，使非接触式轮廓测量方法成为大口径非球面光学表面轮廓测量研究的主要内容。目前实现大型非球面表面轮廓非接触测量的方法基本上可以分为以下三类全口径干涉测量法、子口径拼接测量法和基于双细光束干涉的顺序扫描法。 全口径干涉测量法的实质就是通过补偿元件的使用，把平面波或球面波变成与被测非球面理想面形相一致的波面，以此波面作为标准波面与被检表面进行比较，通过几何光学方法或干涉法等手段观察二者之间的差别。该方法的主要缺点是补偿透镜制造困难；对不同被测工件，必须制作不同的补偿器件，使测量成本大为提高，效率降低、适用性差；ZYGO公司生产的干涉仪是目前各国公认的最具代表性的全口径干涉仪产品。其测量分辨率在不同口径范围内可以达到λ/20～λ/40不等，而且测量重复性很高，在小口径测量中重复性达到λ/3000。 子孔径干涉拼接测量法的主要原理是通过使用小口径的高精密干涉仪，每次仅检测非球面镜整个面形的一小部分(子孔径)，通过移动被测非球面或干涉仪，使得子孔径的检测范围覆盖整个被测非球面，在测量过程中，要使各小孔径之间有必要的重叠，然后采用拼接技术得到整个非球面的轮廓信息。该方法是近年来发展比较快的针对大口径非球面的测量技术，这种技术克服了传统干涉仪无法测量大口径非球面表面轮廓信息，同时也克服了不能测量大数值孔径光学元件的缺点。该技术的主要缺点是对运动机构的运动精度要求较高，孔径拼接过程会造成误差传递，从而降低了整个被测非球面轮廓检测精度，测量速度低。 基于双细光束干涉的顺序扫描法本质上是一个f-θ透镜系统，其基本工作原理是通过测量自被测表面反射回来的扫描光束的角度变化，而获得被测表面的倾斜度信息，再对测得的倾斜度信息进行数值积分，即可得到被测轮廓的面形高度信息。相比较而言，这类轮廓扫描仪由于扫描光束通常是非聚焦的激光束而不受测场深度问题的影响，可以广泛应用于大型光学表面的精密形状测量。顺序扫描法应用于非球面轮廓测量时有以下两个优点无需参考平面；无需高质量大孔径入射波前。但其主要缺点是扫描光束为相互分离的双细光束，对测量环境噪声，如测量现场的温度漂移、空气扰动等不具备鲁棒性；扫描头在移动过程中只能感测测点处的一维倾斜度信息，若实现对被测轮廓的三维测量，则必须附加相应的运动光学器件，如厚平板玻璃、Dove棱镜等及其相应的驱动机构，且不能同时对测点处的二维倾斜度信息进行采集。
技术实现思路
基于对现有各种大型非球面测量方法的分析，本专利技术采用顺序扫描法，同时为了克服目前基于双细光束干涉的检测技术与方法的不足，本专利技术提出了一种，充分利用回转基准运动精度高的特点，将回转基准运动与直线运动有机结合，以二维位相板为衍射器件，基于衍射准直技术的单准直细光束作为测量基准，在提高测量精度的同时，可有效提高测量系统对测量环境噪声的鲁棒性。 本专利技术的技术解决方案是一种基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置，包括超精密气浮转台、精密转角及测角系统、超精密直线气浮导轨、测长装置和倾斜度测量系统；倾斜度测量系统包括线偏振He-Ne激光器或半导体激光器、衍射元件、扫描头和图像接收单元；线偏振He-Ne激光器或半导体激光器与图像接收单元分别固定于基座横梁的两侧，扫描头固定于超精密直线气浮导轨上；扫描头中包括径向倾斜度测量子扫描头和切向倾斜度测量子扫描头，且均包含误差补偿光路，两个子扫描头所在工作平面正交；测长装置为双频激光干涉仪；精密转角及测角系统为测角仪；图像接收单元包括三个图像接收子单元，每个图像接收子单元均包含对应的FT透镜和CCD摄像机。 本专利技术还提供了一种基于超精密回转扫描的大口径非球面测量方法，所述方法包括以下步骤 (1)调整分光镜，使得摄像机接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整偏振分光镜，使得CCD摄像机接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整完毕后将分光镜和偏振分光镜固定，然后对该部件进行校准，校准后该部件在后续的回转扫描测量过程中不再对其进行调整； (2)调整线偏振片和λ/2波片，使切向子扫描头的CCD摄像机接收到的测量及参考光斑峰值近似相等，并与径向子扫描头的CCD摄像机接收到的测量光斑峰值近似相等； (3)调整线偏振片，使径向子扫描头的CCD摄像机接收到的测量及参考光斑峰值近似相等。 (4)调整线偏振片，避免切向及径向倾斜度测量子扫描头中的CCD摄像机接收到的光斑峰值达到CCD饱和值；调整线偏振片，避免光束角漂检测光路中的CCD摄像机接收到的光斑峰值达到CCD饱和值； (5)根据直角棱镜的光束折转特性，将直角棱镜作为子扫描头的测量反射镜，记录此时测量光斑极小值的位置坐标，作为径向倾斜度测量的零点；同理，将直角棱镜作为子扫描头的测量反射镜，记录此时测量光斑极小值的位置坐标，作为切向倾斜度测量的零点。 (6)将被测非球面镜吸附在吸盘上，驱动超精密直线气浮导轨，使扫描光束与被测非球面镜及气浮回转基准的轴线重合，记此时扫描光束为初始位置P0，倾斜度测量系统采集并记录此时被测顶点处的二维倾斜度信息；驱动超精密直线气浮导轨，将扫描光束精确定位到位置P1，驱动超精密气浮转台，使被测非球面镜围绕轴线旋转360°，细光束在被测表面的扫描轨迹记为环带1，旋转过程中，倾斜度测量系统采集并保存被测环带上n1个采样点处的二维倾斜度信息，再次驱动超精密直线气浮导轨，将扫描光束精确定位到位置P2，重复上述测量过程，可测量得到被测环带2上n2个采样点处的二维倾斜度信息，依此类推，可以得到被测表面N个环带上多个采样点处的二维倾斜度信息，径向及切向倾斜度测量结果分别记为{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(n本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置，包括超精密气浮转台（１３）、精密转角及测角系统（１）、超精密直线气浮导轨（５）、测长装置（６）和倾斜度测量系统，其特征在于倾斜度测量系统包括线偏振Ｈｅ－Ｎｅ激光器或半导体激光器（１６）、衍射元件（１８）、扫描头（３）和图像接收单元（１７）；线偏振Ｈｅ－Ｎｅ激光器或半导体激光器（１６）与图像接收单元（１７）分别固定于基座横梁的两侧，扫描头（３）固定于超精密直线气浮导轨（５）上；所述扫描头（３）中包括径向倾斜度测量子扫描头（３５）和切向倾斜度测量子扫描头（３６），两个子扫描头（３５）、（３６）所在工作平面正交，且均包含误差补偿光路。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，郎治国，刘俭，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。