[發明專利]基于色散共焦的自由曲面非接觸式測量系統

在審

• 申請號: 202010902736.3
• 申請日: 2020-09-01
• 公開（公告）號: CN111982027A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 明名;宿馨文;王建立;陳濤;宋士俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G01M11/02
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 寧曉丹

基于色散共焦的自由曲面非接觸式測量系統涉及自由曲面測量系統技術領域，解決了非接觸式檢測系統對自由曲面的測量誤差大的問題，包括：寬光譜光源、耦合透鏡組、半反半透分光鏡、聚焦鏡組、光闌、光譜測量系統和光譜探測器；被測元件和光闌均位于聚焦鏡組的焦點上；寬光譜光源的出射光依次經耦合透鏡組匯聚、經半反半透分光鏡反射、經聚焦鏡組透射、經被測元件反射、經聚焦鏡組透射、經半反半透分光鏡透射、穿過光闌、經光譜測量系統測量光譜后入射到光譜探測器；經半反半透分光鏡反射進入到聚焦鏡組的光束經聚焦鏡組透射得到不同顏色的聚焦點，聚焦點均位于聚焦鏡組光軸上。本發明減小了測量過程中的運動累積誤差。減提高了測量效率和測量精度。

技術領域

本發明涉及自由曲面測量系統技術領域，具體涉及基于色散共焦的自由曲面非接觸式測量系統。

背景技術

光學自由曲面具有優異的特性，例如非對稱性、靈活的空間布局，并能給出豐富的設計自由度。它能夠滿足現代光學系統的高性能光學特征參數，優異的成像質量等要求，其優勢體現在以下方面：

設計自由度更多，像差校正更好；

突破傳統光學系統的理念，能夠實現全新的光學結構；

減少光學元件數量，減輕系統重量，減小系統體積；

提升光學系統性能。

目前，自由曲面表面在基礎理論和應用設計等方面已相對成熟，但匹配處理和檢測技術遠遠落后。這是因為自由曲面的變化非常復雜，只能用點陣描述，這使得自由曲面的加工變得難以檢測。另一方面，傳統的加工檢測方法不具有普適性，檢測精度低，因此，迫切需要高效檢測技術的儲備。

自由曲面檢測面臨的困難較大，常見的非球面測量方法不適用，或者精度無法滿足要求，需做重大改進提高測量精度和效率。當前非球面測量中應用廣泛的光學干涉檢測法僅可以用于較非球面偏離不遠的自由曲面，無法用于一般意義的自由曲面，雖然可以進一步利用計算全息技術調整波前形狀，但需制備專用元件，搭建測試光路，準備時間長，成本高，無法實現在線檢測。

當前已有的檢測方法可分為接觸式檢測方法和非接觸式檢測方法兩種。其中接觸式檢測方法的代表為三坐標檢測法，非接觸式檢測方法的典型代表為多波長干涉測量法。

三坐標檢測法是目前世界公用的接觸式測量方法，它具有適用范圍大，可在線檢測的特點。三坐標測量法的優勢很多，但是，它是利用光柵尺的原理進行接觸測量，也存在以下缺點：采樣點密度少，速度慢；直接接觸工件表面，易破壞被測件光潔度；檢測頭的機構磨損和機械運動機構會影響測量準確性；檢測精度較低，常規三坐標檢測精度約1μm。

非接觸式檢測方法的測量速度大幅度提高，采樣點密度可以超過高分辨率干涉儀，利用非接觸的優點，還可以跟蹤反饋運動機構如導軌運動誤差并實時矯正測量數據，非常適用于自由曲面在線檢測。

目前，國內外研究并應用的非接觸式檢測方法主要是多波長干涉測量法。

多波長干涉測量的代表是Taylor Hobson的LuphoScan輪廓儀，它是一款基于多波長干涉技術(MWLI)的高精度測量系統。

該系統可以進行非球面、球面、平面和軸對稱自由曲面的面形誤差檢測。非接觸式測量特性使其具備包括高速測量、高靈活度能力，能用于帶拐點和尖點的輪廓，最大檢測口徑420mm?？蓲呙韪鞣N表面類型如透明材料、金屬部件和粗糙表面。該系統使用多個參考傳感器以及特殊的基準框架概念，布置了四個基于非接觸測量頭，分別用來矯正導軌誤差、旋轉端跳誤差、平移定位誤差，還有一個測量頭沿鏡面法線方向運動并測量高度，精度可在±50nm以上。

但是，該系統只能測量對稱光學元件，無法對非對稱自由曲面進行高精度非接觸式測量。同時，其測量頭需要一直沿著鏡面法線方向運動，測量效率大大降低，測量累積誤差隨之增加。

發明內容