基于自動跟蹤的自由曲面光學元件形貌測量系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種非接觸式光學三維形貌測量領域，尤其是涉及一種非球面和自由表面的測量。
【背景技術】
[0002]自由曲面光學元件由于其較小的畸變和較輕的質量等優點，有很大的市場前景和需求。目前，隨著超精密加工技術的發展(包括快刀伺服，慢刀伺服和微銑削等)，自由曲面加工已成為可能，自由曲面的先進制造技術為自由曲面的應用創造了前提，使自由曲面光學元件在很多領域得到廣泛應用，如航空航天。相對于制造加工技術的發展，自由曲面的測量方法并沒有很大的進展。當前的測量方法還是多采用接觸式測量，如Taylor Hobs1nPG1.但接觸式測量有可能對表面造成損傷。
[0003]因此采用光學非接觸式測量方法成為主流的研究方向。其中高精度，大量程和高軸向分辨率的位移傳感器是非接觸式測量自由曲面技術的關鍵。然而通常情況下，高精度的位移傳感器的量程比較短。為了解決高精度位移傳感器量程短的問題，許多研究已經在進行中。其中有兩種比較典型的方法。一種是采用軌跡規劃的方法來避免測量范圍超過傳感器的量程，比如RensHenselmans等人發明的NAN0MEF0S系統，Scott DeFisher等人發明的UltraSurfd系統以及Taylor Hobbson的LuphoScan系統。這些系統都有很好的性能。但這些系統所采用的軌跡跟蹤是個高難度的工作，它需要很復雜的算法和軟件支持，尤其是是當被測表面的設計參數未知時。除此之外，這些系統價格昂貴，導致我們很難用得起。為了克服軌跡規劃的缺點，第二種方法被設計用來測量較小斜率的自由曲面，比如AgustiPint0發明的PLuAPEX系統。取代了軌跡規劃，這種方法采用伺服單元實時的控制探頭的位置來跟蹤測量表面。最后根據跟蹤軌跡和跟蹤誤差得出被測曲面形狀。然而這種方法由于探頭的質量和體積等原因導致掃描速度較慢，而且伺服單元不能滿足快速和高精度測量的要求。

【發明內容】

[0004]本發明為了解決接觸式測量可能對表面造成的損傷問題，同時為了提高非接觸式的測量精度，測量范圍與掃描速度，而提出了一種基于自動跟蹤原理的自由曲面光學元件形貌測量方法。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于自動跟蹤原理的自由曲面光學元件形貌測量系統，該系統包括運動模塊、位置伺服模塊和雙頻激光干涉儀;其中，所述運動模塊包括轉臺、導軌、音圈電機、滑塊和機架;所述位置伺服模塊包括彩色共焦位移傳感器、信號調理器、自動跟蹤控制器、音圈電機驅動器、光柵尺和光柵尺讀數頭;所述雙頻激光干涉儀包括激光器、平面干涉鏡組和可移動反光鏡;所述音圈電機包括線圈和磁鋼；
[0006]待測光學元件放置在轉臺上，轉臺可沿X，Y方向做高精度運動;所述導軌、光柵尺讀數頭和音圈電機的磁鋼固定于機架上;所述彩色共焦位移傳感器、音圈電機的線圈和可移動反光鏡固定在滑塊上，滑塊放置在導軌上，可沿導軌直線滑動;所述彩色共焦位移傳感器、信號調理器、自動跟蹤控制器和音圈電機驅動器依次相連;所述音圈電機驅動器與音圈電機的線圈連接，驅動線圈產生磁場，該磁場與磁鋼產生的恒定磁場相互作用產生推力推動滑塊沿導軌直線運動；
[0007]所述平面干涉鏡組位于可移動反光鏡正上方，所述激光器發出雙頻激光信號作用于平面干涉鏡組，一束作為測量光，一束作為參考光；當滑塊移動時，可移動反光鏡返回的測量光的頻率發生變化，參考光頻率不變，從而測得彩色共焦位移傳感器的運動跟蹤軌跡信號；
[0008]所述彩色共焦位移傳感器輸出包含其與待測光學元件表面實際距離值的光譜信號，經信號調理器處理輸出連續模擬電信號，將實際距離值和目標距離值之差作為跟蹤誤差輸入到自動跟蹤控制器中進行PID控制，輸出音圈電機驅動器的控制信號，音圈電機驅動器發送運動指令給音圈電機，音圈電機驅動滑塊沿導軌滑動，從而帶動彩色共焦位移傳感器和可移動反射鏡一起運動，同時光柵尺讀數頭將測得的實時運動數據再反饋給音圈電機驅動器，從而形成閉環控制。
[0009]進一步地，所述光柵尺和光柵尺讀數頭分辨率為20nm;所述自動跟蹤控制器為積分分離式PID控制器;所述音圈電機驅動器為COPLEY電機驅動器。
[0010]進一步地，所述雙頻激光干涉儀采用ag i I e n t平面干涉儀，其真空波長為632.991354nm，波長精度±0.lppm，波長穩定性:±0.002ppm(I小時)。
[0011]進一步地，所述彩色共焦位移傳感器采用STIL的彩色共焦位移傳感器，其工作距離為20mm，最大傾斜角度為±21°，測量范圍為4.0mm。
[0012]進一步地，所述導軌采用米思米直線導軌，其精度達到um級，基本額定動負載1400N，基本額定靜負載2200N。
[0013]進一步地，所述平面干涉鏡組包括偏振分光棱鏡、固定反射鏡、參考鏡和1/4λ玻片;所述激光器發出的雙頻激光信號，經過偏振分光棱鏡分成兩束不同頻率的光，一束作為測量光(頻率Π)，一束作為參考光(頻率f2);測量光經過1/4λ玻片后入射到可移動反光鏡再返回經過1/4λ玻片和固定反射鏡后又再一次入射在可移動反光鏡上，然后原路返回經偏振分光棱鏡后入射到激光器;當滑塊移動時，會導致返回的測量光的頻率發生變化，即變為f!± △ d;同時參考光經偏振分光棱鏡與1/4λ玻片后入射到參考鏡，然后反射光先后經偏振分光棱鏡、固定反射鏡和偏振分光棱鏡再次入射到參考鏡，然后經反射后被激光器接收；因為參考鏡固定不動，所以此時頻率不變，為f2;激光器經處理后可得出Ad，從而根據Ad換算出彩色共焦位移傳感器的運動跟蹤軌跡信號。
[0014]—種利用上述系統測量自由曲面光學元件形貌的方法，該方法包括以下步驟:
[0015](I)將待測光學元件放置在轉臺上，轉臺沿X，Y方向做S形掃描運動；
[0016](2)在自動跟蹤控制器中設定彩色共焦位移傳感器與待測光學元件的目標距離；
[0017](3)通過彩色共焦位移傳感器測量其與待測光學元件的實際距離值，將實際距離值和目標距離值之差作為跟蹤誤差輸入到自動跟蹤控制器中進行PID控制，輸出音圈電機驅動器的控制信號；
[0018](4)音圈電機驅動器發送運動指令給音圈電機，音圈電機驅動滑塊沿導軌滑動，從而帶動彩色共焦位移傳感器和可移動反射鏡一起運動，此時通過雙頻激光干涉儀測量彩色共焦位移傳感器的運動跟蹤軌跡信號，同時光柵尺讀數頭將測得的實時運動數據再反饋給音圈電機驅動器，從而形成閉環控制；
[0019](5)最后把彩色共焦位移傳感器輸出的實際距離值和雙頻激光干涉儀測得的運動跟蹤軌跡疊加后得出待測光學元件的實際形狀。
[0020]本發明的有益效果是:采用探頭自動跟蹤的測量方法來擬合被測光學元件的形貌，能有效解決現有測量方法中探頭不動帶來的無法測量PV值較大的問題。同時采用彩色共焦測量原理，能使測量精度和分辨率都達到納米級，測量量程達到1mm，彌補了現有探頭對被測光學元件有可能造成損傷、精度不高和量程有限的問題。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發明自由曲面光學元件形貌測量系統的原理框圖；
[0022]圖2是數據采集與處理的原理圖；
[0023]圖3是PID控制算法流程圖；
[0024]圖4是測量凹鏡的效果圖；
[0025]圖中，轉臺1、測光學元件2、機架3、滑塊4、音圈電機5、可移動反光鏡6、導軌7、光柵尺8、光柵尺讀數頭9、彩色共焦位移傳感器10、信號調理器11、自動跟蹤控制器12、音圈電機驅動器13、參考鏡14、固定反射鏡15、偏振分光棱鏡16、激光器17、I/4λ玻片18、環境補償器19、波長補償器20。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步闡述。
[0027]如圖1所示，本發明一種基于自動跟蹤原理的自由曲面光學元件形貌測量系統，該系統包括運動模塊、位置伺服模塊和雙頻激光干涉儀;其中，所述運動模塊包括轉臺1、導軌
7、音圈電機5、滑塊4和機架3;所述位置伺服模塊包括彩色共焦位移傳感器10、信號調理器
11、自動跟蹤控制器12、音圈電機驅動器13、光柵尺8和光柵尺讀數頭9;所述雙頻激光干涉儀包括激光器17、平面干涉鏡組和可移動反光鏡6;所述音圈電機5包括線圈和磁鋼；
[0028]待測光學元件2放置在轉臺I上，轉臺I可沿X，Y方向做高精度運動;所述導軌7、光柵尺讀數頭9和音圈電機5的磁鋼固定于機架3上;所述彩色共焦位移傳感器10、音圈電機5的線圈和可移動反光鏡6固定在滑塊4上，滑塊4放置在導軌7上，可沿導軌7直線滑動;所述彩色共焦位移傳感器10、信號調理器11、自動跟蹤控制器12和音圈電機驅動器13依次相連；所述音圈電機驅動器13與音圈電機5的線圈連接，驅動線圈產生磁場，該磁場與磁鋼產生的恒定磁場相互作用產生推力推動滑塊4沿導軌7直線運動；
[0029]所述平面干涉鏡組位于可移動反光鏡6正上方，所述激光器17發出雙頻激光信號作用于平面干涉鏡組，一束作為測量光，一束作為參考光；當滑塊4移動時，可移動反光鏡6返回的測量光的頻率發生變化，參考光頻率不變，從而測得彩色共焦位移傳感器10的運動跟蹤軌跡信號；
[0030]所述彩色共焦位移傳感器10輸出包含其與待測光學元件2表面實際距離值的光譜信號，經信號調理器11處理輸出連續模擬電信號，將實際距離值和目標距離值之差作為跟蹤誤差輸入到自動跟蹤控制器12中進行PID控制，輸出音圈電機驅動器13的控制信號，音圈電機驅動器13發送運動指令給音圈電機5，音圈電機5驅動滑塊4沿導軌7滑動，從而帶動彩色共焦位移傳感器10和可移動反射鏡6—起運動，同時光柵尺讀數頭9將測得的實時運動數據再反饋給音圈電機驅動器13，從而形成閉環控制。
[003