专利名称：基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置与方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
基于对现有各种大型非球面测量方法的分析，本发明采用顺序扫描法，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，本发明提出了一种基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置与方法，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。
本发明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。
本发明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(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}(nl表示第i个环带的采样点数)，其中，相邻环带间沿超精密直线气浮导轨运动方向的间隔取为1mm，不同环带上相邻采样点沿环带圆周方向的间距取为1mm； (7)以被测非球面镜的初始测点为原点建立参考坐标系XYZO，其中，OY轴与气浮回转基准的轴线重合，OX轴与超精密直线气浮导轨的运动方向平行，将倾斜度测量结果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}换算成参考坐标系XYZO中的对应斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}； (8)根据各个环带采样点处的切向斜率信息{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}，采用数值积分方法中的三次样条插值法重构出各个环带沿圆周方向的轮廓高度变化，根据各环带的径向斜率信息{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRi(nl)，...，KRN(nN)}，采用同样的数值方法可得到各环带沿径向的轮廓高度变化，再采用数据融合处理技术，即可得到被测大口径非球面镜在选定参考坐标系XYZO中的三维轮廓高度信息。
本发明具有以下特点及良好效果 充分利用了回转基准运动精度高的技术优势，将回转基准运动与直线运动相结合，减小了运动机构对倾斜度测量结果的影响，进而提高了被测非球面的测量精度，这是区别于现有技术的创新点之一。
扫描头中集成了两个可测量一维倾斜度的子扫描头，并以同一基于衍射准直技术的单准直细光束为测量基准，实现了同时对测点处径向与切向倾斜度的测量，这是区别于现有技术的创新点之二。
测量基准采用基于衍射准直技术的单细光束，衍射部件为二维位相板，生成的测量光斑中心对称，对比度大大提高，有利于提高倾斜度测量分辨率和对测量环境噪声的抑制能力，这是区别于现有技术的创新点之三。
图1基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置结构示意图 图2倾斜度测量系统结构示意图 图3衍射元件的结构示意图 图4衍射准直光束的光斑图样分布 图5A径向倾斜度测量子扫描头中光束角漂引起的倾斜度测量误差分离示意图 图5B径向倾斜度测量子扫描头中分光镜转动引起的倾斜度测量误差分离示意图 图6A切向倾斜度测量子扫描头中光束角漂引起的倾斜度测量误差分离示意图 图6B切向倾斜度测量子扫描头中偏振分光镜的转动引起的倾斜度测量误差分离示意图 图7回转扫描测量过程示意图 图8A测量及参考光斑完全重合无法分辨时的示意图 图8B测量及参考光斑完全分离时的示意图 图9A径向倾斜度测量子扫描头中参考直角棱镜换成平面反射镜时由光束角漂引起的倾斜度测量误差分离示意图 图9B径向倾斜度测量子扫描头中参考直角棱镜换成平面反射镜时由分光镜的转动引起的倾斜度测量误差分离示意图 图10光源换成半导体激光器时的示意图 图中1精密转角及测角系统，2被测非球面镜，3扫描头，4吸盘，5超精密直线气浮导轨，6测长装置，7误差分离转台，8回转工作台，9气浮回转基准，10大理石基座，11主轴伺服电机，12钢筋水泥基座，13超精密气浮转台，14二级伺服地基，15扫描光束，16线偏振He-Ne激光器或半导体激光器，17图像接收单元，18二维位相板，19、37分光镜，20、21、28、50线偏振片，22直角棱镜，27、38、40、41、49平面反射镜，23、39五角棱镜，24λ/2波片，25偏振分光镜，26λ/4波片，29、31、33FT透镜，30、32、34CCD摄像机，35径向倾斜度测量子扫描头，36切向倾斜度测量子扫描头，42被测环带，43径向倾斜度测量子扫描头的参考光束，44径向倾斜度测量子扫描头的测量光束，45切向倾斜度测量子扫描头的参考光束，46切向倾斜度测量子扫描头的测量光束，47玻璃基片，48增透膜
具体实施例方式 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述 参见图1，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；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；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；其中，于衍射元件18为二维位相板；测长装置(6)为双频激光干涉仪；精密转角及测角系统1为测角仪；图像接收单元包括三个f—θ系统，f—θ系统1包括FT透镜29和CCD摄像机30，f—θ系统2包括FT透镜31和CCD摄像机32，f—θ系统3包括FT透镜33和CCD摄像机34。
参见图2，倾斜度测量系统的工作原理如下线偏振He-Ne激光器16发出的准直激光束垂直入射至二维位相板18上，该位相板的相位分布如下 制作方法是在玻璃基片47的一、三象限镀λ/2厚的增透膜48，二、四象限不度膜，使一、三象限与二、四象限的透过光束产生的位相差为π，参见图3，其后生成的衍射准直光束即为倾斜度测量系统的测量基准光束，衍射光斑图样参见图4。此基准光束首先被分光镜19分为两路，反射光束经反射镜41反射后再经过线偏振片50入射至由FT透镜33和CCD摄像机34组成的图像接收子单元，以光斑极小值为基准来监测准直光束的角漂量，透射光束通过线偏振片20后入射至分光镜37；透射光束经五角棱镜23折转90°，透过λ/2波片24入射至偏振分光镜(PBS)25，分成两束线偏振光，振动方向平行于o2z2轴的光分量被偏振分光镜25反射，振动方向平行于o2x2轴的光分量将透过偏振分光镜25；透过光束通过线偏振片28后作为扫描光束入射至测点，自测点返回的携带被测二维倾斜度信息的光束经过线偏振片28后再次入射至偏振分光镜25，反射光束经五角棱镜39折转90°后被反射镜40反射，直接入射至由FT透镜31和CCD摄像机32组成的图像接收子单元，以光斑极小值坐标作为子扫描头36的测量信号；偏振分光镜25的透射光束经过λ/2波片24后被五角棱镜23折转90°，再经分光镜37和反射镜38反射后入射至由FT透镜29和CCD摄像机30组成的图像接收子单元，以光斑的极小值坐标作为为子扫描头35的测量信号；五角棱镜23的出射光束入射至偏振分光镜25时的反射线偏振光束经过λ/4波片26后变成圆偏振光，被反射镜27反射后圆偏振光的旋向发生改变，透过λ/4波片26后再次变成线偏振光，并且偏振方向与入射的线偏振光的偏振方向正交，根据偏振分光镜的光学特性，此时线偏振光将完全透过偏振分光镜25，经五角棱镜39折转90°，再经反射镜40反射后入射至由FT透镜31和CCD摄像机32组成的数据采集及图像接收子单元，以光斑的极小值坐标作为子扫描头36的参考信号；自光源发出的衍射准直光束入射至分光镜37时的反射光束经过线偏振片21后被直角棱镜22原路返回，透过线偏振片21和分光棱镜37后被反射镜38反射，入射至由FT透镜29和CCD摄像机30组成的图像接收子单元，以光斑的极小值坐标作为子扫描头35的参考信号。其中，λ/2波片24用于调整子扫描头36中测量与参考光斑之间的相对强度，线偏振片21用于调整子扫描头35中测量与参考光斑的相对光强；λ/4波片26用于将入射的线偏振光变成圆偏振光，并将返回的圆偏振光变成线偏振光；线偏振片28用于改变返回测量光束的振动方向，进而改变两个子扫描头35、36中测量光束的相对强度；线偏振片20用于调整测量基准光束的总强度。
需要特别强调的是，分光镜37、25应设计成可进行一维角度调节的，以调整子扫描头35、36中测量及参考光斑的初始位置。子扫描头35、36中的参考光路用于补偿扫描过程中基准光束角漂及由振动引起的分光镜37、25的转动所引起的径向及切向倾斜度测量误差，光束角漂引起的径向倾斜度测量误差补偿原理参见图5A，分光镜37的转动引起的径向倾斜度测量误差补偿原理参见图5B。由图中分析可得对于径向倾斜度测量，为抵偿基准光束角漂的影响，要求在测量信号中加上参考信号，为消除扫描头振动对分光镜37的影响，要求在测量信号中减去参考信号；同理，参见图6，对切向倾斜度测量，为抵偿基准光束角漂的影响，要求在测量信号中减去参考信号，为消除扫描头振动对偏振分光镜25的影响，要求在测量信号中加上参考信号。由此可见，采用单一参考光路不能同时补偿所有的误差源，因此，通过分光镜19将基准光束的角漂误差分离出来以便于采用单一参考光路能够同时补偿上述两项误差源。
参见图1和图7，测量的基本过程如下被测非球面镜2吸附在吸盘4上，吸盘4放置在误差分离转台7上，误差分离转台7放置在回转工作台8上，误差分离转台7既可随回转工作台8转动，又可通过吸盘4带动被测非球面镜2旋转；回转工作台8安装在大理石基座10上，并且和气浮回转基准9相连接，设计制造时要保证回转工作台8与气浮回转基准9同轴；扫描头3固定在超精密直线气浮导轨5上，并可随超精密直线气浮导轨5作一维直线运动，设计制造时要保证扫描光束与导轨的运动方向垂直。整个装置的工作过程参见图1，调整分光镜37，使得CCD摄像机30接收到的测量光斑与参考光斑完全分离，调整偏振分光镜25，使得CCD摄像机32接收到的测量光斑与参考光斑完全分离，参见图8；调整完毕后将分光镜37和偏振分光镜25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。调整线偏振片28和λ/2波片24，使子扫描头36的CCD摄像机32接收到的测量及参考光斑峰值近似相等，并与子扫描头35的CCD摄像机30接收到的测量光斑峰值近似相等；调整线偏振片21，使子扫描头35的CCD摄像机30接收到的测量及参考光斑峰值近似相等。调整线偏振片20，避免子扫描头35和36的CCD摄像机30、32接收到的光斑峰值达到CCD的饱和值；调整线偏振片50，避免CCD摄像机34接收到的光斑峰值达到CCD的饱和值。根据直角棱镜的光束折转特性，将直角棱镜作为子扫描头35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36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。将被测非球面镜2吸附在吸盘4上，驱动超精密直线气浮导轨5，使扫描光束15与被测非球面镜2及气浮回转基准9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5，将扫描光束精确定位到位置P1，驱动气浮回转基准9，使被测非球面镜2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5，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(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}(nl表示第i个轮廓环带的采样点数)，其中，相邻环带间沿超精密直线气浮导轨运动方向的间隔取为1mm，不同环带上相邻采样点沿环带圆周方向的间距取为1mm。以被测非球面镜2的初始测点为原点建立参考坐标系XYZO，其中，OY轴与气浮回转基准9的轴线重合，OX轴与超精密直线气浮导轨5的运动方向平行，将倾斜度测量结果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}换算成参考坐标系XYZO中的对应斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}。根据各个环带采样点处的切向斜率信息{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}，采用数值积分方法中的三次样条插值法重构出各个环带沿圆周方向的轮廓高度变化，根据各环带的径向斜率信息{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}，采用同样的数值方法可得到各环带沿径向的轮廓高度变化，再采用数据融合处理技术，即可得到被测大口径非球面镜2在选定参考坐标系XYZO中的三维轮廓高度信息。
实施例1 调整分光镜37，使得CCD摄像机30接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整偏振分光镜25，使得CCD摄像机32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37和偏振分光镜25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。调整线偏振片28和λ/2波片24，使子扫描头36的CCD摄像机32接收到的测量及参考光斑峰值近似相等，并与子扫描头35的CCD摄像机30接收到的测量光斑峰值近似相等；调整线偏振片21，使子扫描头35的CCD摄像机30接收到的测量及参考光斑峰值近似相等。调整线偏振片20，避免子扫描头35和36的CCD摄像机30、32接收到的光斑峰值达到CCD的饱和值；调整线偏振片50，避免CCD摄像机34接收到的光斑峰值达到CCD的饱和值。根据直角棱镜的光束折转特性，将直角棱镜作为子扫描头35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36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。将被测非球面镜2吸附在吸盘4上，驱动超精密直线气浮导轨5，使扫描光束15与被测非球面镜2及气浮回转基准9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5，将扫描光束精确定位到位置P1，驱动气浮回转基准9，使被测非球面镜2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5，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(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}(nl表示第i个轮廓环带的采样点数)，其中，相邻环带间沿超精密直线气浮导轨运动方向的间隔取为1mm，不同环带上相邻采样点沿环带圆周方向的间距取为1mm。以被测非球面镜2的初始测点为原点建立参考坐标系XYZO，其中，OY轴与气浮回转基准9的轴线重合，OX轴与超精密直线气浮导轨5的运动方向平行，将倾斜度测量结果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARl(nl)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATl(nl)，...，ATN(nN)}换算成参考坐标系XYZO中的对应斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(nl)，...，KTN(nN)}。根据各个环带采样点处的切向斜率信息{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTl(n1)，...，KTN(nN)}，采用数值积分方法中的三次样条插值法重构出各个环带沿圆周方向的轮廓高度变化，根据各环带的径向斜率信息{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRl(nl)，...，KRN(nN)}，采用同样的数值方法可得到各环带沿径向的轮廓高度变化，再采用数据融合处理技术，即可得到被测大口径非球面镜2在选定参考坐标系XYZO中的三维轮廓高度信息。
本实施例中，光源为线偏振He-Ne激光器，光束直径为1mm，各光学元件的表面粗糙度为λ/4，分光棱镜19、25、37的反射光束偏角误差≤5′，透射光束偏角误差≤3′，四个直角通光表面均镀有窄带多层增透膜，五角棱镜23、39的光束转角误差≤3′，线偏振片20、21、28、50的削光比为100，λ/4波片26和λ/2波片24的延迟精度为λ/300，傅立叶透镜30、32、33的等效焦距为500mm。实验结果表明，倾斜度测量系统在测量分辨力达到0.05″的情况下，测量稳定性优于0.1″/h，测量不确定度优于0.2″，非球面镜轮廓高度测量不确定度可达λ/20，实现了大口径近平面非球面镜的高精度测量。
实施例2 参见图2和图9，直角棱镜22也可采用平面镜49，由图9A可知，为补偿子扫描头35中由角漂引起的倾斜度测量误差，需将测量信号减去参考信号，参见图9B，为补偿子扫描头35中分光镜37的振动引起的倾斜度测量误差，需将测量信号加上参考信号。在这种情况下，光束在子扫描头36中的传播路径不发生变化，不影响其误差补偿方式及测量结果。
实施例3 参见图1和图10，线偏振He-Ne激光器也可采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板18，本实施例的其它部件及工作原理同均与实施例1相同。
实施例4 参见图1和图10，线偏振He-Ne激光器也可采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板18，本实施例的其它部件及工作原理同均与实施例2相同。
实施例5 如图1所示，光源采用线偏振He-Ne激光器16，线偏振片28采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理同均与实施例1相同。
实施例6 如图1所示，光源采用线偏振He-Ne激光器16，线偏振片28采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理同均与实施例2相同。
实施例7 参见图1和图10，光源采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板18，线偏振片28采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例1相同。
实施例8 参见图1和图10，光源采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板18，线偏振片28采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例2相同。
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求1所述的基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置，其特征在于衍射元件(18)为二维位相板。
3.根据权利要求1所述的基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置，其特征在于所述测长装置(6)为双频激光干涉仪。
4.根据权利要求1所述的基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置，其特征在于所述精密转角及测角系统(1)为测角仪。
5.根据权利要求1所述的基于超精密回转扫描的大口径非球面测量装置，其特征在于图像接收单元(17)包括三个图像接收子单元，图像接收子单元A包括FT透镜(29)和CCD摄像机(30)，图像接收子单元B包括FT透镜(31)和CCD摄像机(32)，图像接收子单元C包括FT透镜(33)和CCD摄像机(34)。
6.一种基于超精密回转扫描的大口径非球面测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤
(1)调整分光镜(37)，使得CCD摄像机(30)接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整偏振分光镜(25)，使得CCD摄像机(32)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(37)和偏振分光镜(25)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(28)和λ/2波片(24)，使切向倾斜度测量子扫描头(36)的CCD摄像机(32)接收到的测量及参考光斑峰值近似相等，并与径向倾斜度测量子扫描头(35)的CCD摄像机(30)接收到的测量光斑峰值近似相等；
(3)调整线偏振片(21)，使径向倾斜度测量子扫描头(35)的CCD摄像机(30)接收到的测量及参考光斑峰值近似相等；
(4)调整线偏振片(20)，避免子扫描头(35)和(36)的CCD摄像机(30)、(32)接收到的光斑峰值达到CCD的饱和值；调整线偏振片(50)，避免CCD摄像机(34)接收到的光斑峰值达到CCD的饱和值；
(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(35)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(36)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(2)吸附在吸盘(4)上，驱动超精密直线气浮导轨(5)，使扫描光束(15)与被测非球面镜(2)及气浮回转基准(9)的轴线重合，记此时扫描光束的位置为初始位置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(5)，将扫描光束精确定位到位置P1，驱动超精密气浮转台(13)，使被测非球面镜(2)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(5)，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，可以得到被测非球面镜(2)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)，...，ARi(ni)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATi(ni)，...，ATN(nN)}(ni表示第i个环带的采样点数)，其中，相邻环带间沿超精密直线气浮导轨(5)运动方向的间隔取为1mm，不同环带上相邻采样点沿环带圆周方向的间距取为1mm；
(7)以被测非球面镜(2)的初始测点为原点建立参考坐标系XYZO，其中，OY轴与气浮回转基准(9)的轴线重合，OX轴与超精密直线气浮导轨(5)的运动方向平行，将倾斜度测量结果{AR0(n0)，AR1(n1)，...，ARi(ni)，...，ARN(nN)}、{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATi(ni)，...，ATN(nN)}换算成参考坐标系XYZO中的对应斜率值{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRi(ni)，...，KRN(nN)}、{KT0(n0)，KT1(n1)，...，KTi(ni)，...，KTN(nN)}；
(8)根据各个环带采样点处的切向斜率信息{AT0(n0)，AT1(n1)，...，ATi(ni)，...，ATN(nN)}，采用数值积分方法中的三次样条插值法重构出各个环带沿圆周方向的轮廓高度变化，根据各环带的径向斜率信息{KR0(n0)，KR1(n1)，...，KRi(ni)，...，KRN(nN)}，采用同样的数值方法可得到各环带沿径向的轮廓高度变化，再采用数据融合处理技术，即可得到被测大口径非球面镜(2)在选定参考坐标系XYZO中的三维轮廓高度信息。
全文摘要
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。
文档编号G01B11/24GK101377410SQ20081013728
公开日2009年3月4日 申请日期2008年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者谭久彬, 郎治国, 俭 刘 申请人:哈尔滨工业大学