压电陶瓷14、分光镜A 15、透镜A 16、位置传感器17、光电探测器A 18、针孔A 19、透镜B 20、分光镜B 21、透镜C 22、针孔B 23、光电探测器B 24、信号处理卡25 ;其中，激光器9、准直镜组10、偏振分光镜11、四分之一波片12和物镜13依次同轴放置，物镜13固定在压电陶瓷14上，在偏振分光镜11的反射方向依次放置分光镜A 15、透镜A 16和位置传感器17，在分光镜A 15的反射方向依次放置分光镜B 21、透镜B 20、针孔A 19和光电探测器A 18，在分光镜B 21的反射方向依次放置透镜C 22、针孔B 23和光电探测器B 24，压电陶瓷14、位置传感器17、光电探测器A 18、光电探测器B 24均与信号处理卡25相连。
[0024]一种法线跟踪式差动共焦非球面测量方法，其特征在于该方法步骤如下:
[0025](I)该方法主要包括扫描机构、差动共焦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，差动共焦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；
[0026](2)通过扫描机构将差动共焦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Xl、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；然后利用差动共焦测头对被测非球面进行测量；
[0027](3)差动共焦测头采用激光器作为光源，激光器的输出光为线偏振光，经准直扩束后变为平行光束，平行光束依次透过偏振分光镜与四分之一波片，然后被物镜汇聚到被测非球面上，被测非球面的反射光经四分之一波片后被偏振分光镜反射；
[0028](4)反射光的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O ;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，直至使差动共焦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Θi，从而在测量过程中，保证差动共焦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；
[0029](5)当差动共焦测头的测量光与被测非球面垂直时，反射光的另一部分被平均分为两份，并分别经过透镜、针孔后被光电探测器接收，一个针孔位于透镜焦点前，另一个针孔位于透镜焦点后，两个针孔关于透镜焦点对称分布，两光电探测器分别输出光强信号In
工2;
[0030](6)当两光强信号Ip I2相等时，表明物镜的焦点正好落在被测非球面上，当两光强信号I1、12不相等时，表明物镜的焦点偏离了被测非球面，然后根据两光强信号的差值，通过改变压电陶瓷的驱动电压V沿轴向调节差动共焦测头与被测非球面之间的距离，直至两光强?目号I1' I2相等；
[0031](7)最终信号处理系统通过分析测量过程中记录的Xl、Z1, Θ ” V、IjP I 2，可以计算出被测非球面上待测点的坐标值；
[0032](8)按照预先设定的扫描轨迹，扫描机构将差动共焦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⑵?(7)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。
【主权项】
1.一种法线跟踪式差动共焦非球面测量方法，其特征在于该方法步骤如下: (1)该方法主要包括扫描机构、差动共焦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，差动共焦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)通过扫描机构将差动共焦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Xl、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；然后利用差动共焦测头对被测非球面进行测量； (3)差动共焦测头采用激光器作为光源，激光器的输出光为线偏振光，经准直扩束后变为平行光束，平行光束依次透过偏振分光镜与四分之一波片，然后被物镜汇聚到被测非球面上，被测非球面的反射光经四分之一波片后被偏振分光镜反射； (4)反射光的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O ;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O，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，直至使差动共焦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Θ i，从而在测量过程中，保证差动共焦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； (5)当差动共焦测头的测量光与被测非球面垂直时，反射光的另一部分被平均分为两份，并分别经过透镜、针孔后被光电探测器接收，一个针孔位于透镜焦点前，另一个针孔位于透镜焦点后，两个针孔关于透镜焦点对称分布，两光电探测器分别输出光强信号I2; (6)当两光强信号I1'I2相等时，表明物镜的焦点正好落在被测非球面上，当两光强信号1:、12不相等时，表明物镜的焦点偏离了被测非球面，然后根据两光强信号的差值，通过改变压电陶瓷的驱动电压V沿轴向调节差动共焦测头与被测非球面之间的距离，直至两光强信号Ip I2相等； (7)最终信号处理系统通过分析测量过程中记录的Xl、Z1,Θ 1、V、IjP I 2，可以计算出被测非球面上待测点的坐标值； (8)按照预先设定的扫描轨迹，扫描机构将差动共焦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⑵?(7)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。
2.一种法线跟踪式差动共焦非球面测量系统，其特征在于，该系统包括X向导轨(I)、Z向导轨(2)、旋转机构(3)、差动共焦测头(4)、被测非球面(5)、回转工作台(6)、Z向激光干涉仪⑵、X向激光干涉仪⑶；其中，X向导轨⑴与Z向导轨⑵相互垂直安装，可以实现XZ平面内的扫描，差动共焦测头(4)通过旋转机构(3)固定在Z向导轨(2)的末端，可以实现差动共焦测头(4)的旋转运动，Z向激光干涉仪(7)与X向激光干涉仪(8)固定在Z向导轨(2)上，且Z向激光干涉仪(7)与X向激光干涉仪(8)测量光的轴线方向均通过旋转机构(3)的中心，被测非球面(5)固定在回转工作台(6)上；所述的差动共焦测头(4)结构较复杂，包括激光器(9)、准直镜组(10)、偏振分光镜(11)、四分之一波片(12)、物镜(13)、压电陶瓷(14)、分光镜A(15)、透镜A(16)、位置传感器(17)、光电探测器A(18)、针孔A (19)、透镜B (20)、分光镜B (21)、透镜C (22)、针孔B (23)、光电探测器B (24)、信号处理卡(25);其中，激光器(9)、准直镜组(10)、偏振分光镜(11)、四分之一波片(12)和物镜(13)依次同轴放置，物镜(13)固定在压电陶瓷(14)上，在偏振分光镜(11)的反射方向依次放置分光镜A(15)、透镜A(16)和位置传感器(17)，在分光镜A(15)的反射方向依次放置分光镜B (21)、透镜B (20)、针孔A (19)和光电探测器A (18)，在分光镜B (21)的反射方向依次放置透镜C(22)、针孔B(23)和光电探测器B(24)，压电陶瓷(14)、位置传感器(17)、光电探测器A(18)、光电探测器B(24)均与信号处理卡(25)相连。
【专利摘要】法线跟踪式差动共焦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、差动共焦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，差动共焦测头通过旋转机构固定在Z向导轨末端，该测头采用跟踪式差动共焦技术进行测量，利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、高数值孔径及大曲率非球面元件表面形状的超精密测量。
【IPC分类】G01B11-24
【公开号】CN104848802
【申请号】CN201510313752
【发明人】康岩辉, 刁晓飞, 崔建军, 黄杨, 连笑怡
【申请人】中国计量科学研究院
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年6月10日