一种集成式干涉测量头及一种干涉测量系统的制作方法

1.本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种集成式干涉测量头及一种干涉测量系统。


背景技术：

2.为了完成被测物体三维形貌的测量，集成式干涉测量头需要进行水平向、垂向、旋转等多个自由度的移动，这些移动的进行需要精密位移台的配合，因为机械轴移动存在机械误差(通常误差在微米级，甚至更大，对于纳米精度的测量仪器来讲，误差太大)，所以需要通过光学测量手段进行误差补偿。由于多个自由度的误差均需要补偿，这就导致在一个测量系统中需要多个测量头，包括形貌测量头和参考测量头。为了进行高精度形貌测量，需要进行相位调制(即移相干涉测量技术)，又因相位调制的需要，单个测量头需要采用单个pzt(压电陶瓷，在干涉测量领域，是目前市场上主流的相位调制模块)模块，多个测量头需要采用多个pzt模块，由于pzt模块存在迟滞性、蠕动性等不足，这会导致测量头在测量过程中引入移相误差，这也是测量系统的重要误差源之一，所以pzt模块数量的增加会导致误差因素的增加，导致误差补偿难度增加，校准难度增大。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出一种集成式干涉测量头，将两组干涉测量组件集成在一起，一组进行对被测物体的形貌测量，另一组实现第一组的位置反馈，能够更好补偿机械移动误差；同时本发明采用一组pzt模块同时实现两组测量组件的干涉相位调节，能够减少了pzt模块数量。本发明整体上缩小了干涉测量系统的体积、降低了机械误差及相位误差的补偿难度、提高了三维形貌测量精度。
4.为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：
5.一种集成式干涉测量头，包括：
6.第一光线入口，用于点出射及点接收光线；
7.第二光线入口，用于点出射及点接收光线；
8.第一准直透镜，焦点设置在所述第一光线入口处；
9.第二准直透镜，焦点设置在所述第二光线入口处；
10.第一分光镜，将所述第一准直透镜的出射光路部分透射部分反射，反射的所述光线的至少一部分原路返回至所述第一准直透镜，透射的所述光线传递至第一被测物；
11.第二分光镜，将所述第二准直透镜的出射光路部分透射部分反射，反射的所述光线的至少一部分原路返回至所述第二准直透镜的光轴，透射的所述光线传递至第二被测物；
12.其中：所述集成式干涉测量头还包括pzt模块；所述pzt模块带动所述第一分光镜及第二分光镜做移动方式相同的直线运动，调节所述第一分光镜与所述第一准直透镜之间的光程及所述第二分光镜与所述第二准直透镜之间的光程。
13.进一步的，所述集成式干涉测量头还包括第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置在所述第一分光镜的透射出射光路上。
14.进一步的，所述集成式干涉测量头还包括第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置在所述第二分光镜的透射出射光路上。
15.进一步的，所述第一聚焦透镜与所述第二聚焦透镜的光轴重合。
16.进一步的，所述集成式干涉测量头还包括第一反射镜；所述第一准直透镜的光轴垂直于所述第一分光镜的反射面；所述第一反射镜实现所述分光镜与所述第一准直透镜之间的所述光线的相互传递。
17.进一步的，所述集成式干涉测量头还包括第二反射镜；所述第二准直透镜的光轴垂直于所述第二分光镜的反射面；所述第二反射镜实现所述分光镜与所述第二准直透镜之间的所述光线的相互传递。
18.进一步的，所述第一被测物为位置参考面；所述位置参考面形成所述集成式干涉测量头的坐标参考；所述集成式干涉测量头测量所述第二被测物的形貌。
19.进一步的，所述集成式干涉测量头安装在一转轴上；所述位置参考面为圆弧面。
20.进一步的，所述光线由至少两组单色光组成。
21.同时，本发明还提出一种干涉测量系统，包括上述集成式干涉测量头，还包括运动组件及参考系组件；所述运动部带动所述集成式干涉测量头和/或所述第二被测物体进行运动，使所述第二被测物的被测区域处于所述测量头的探测范围内；
22.所述参考系组件包括至少一组参考测量头及至少一组坐标参考面，所述参考测量头基于所述单色光照射在所述坐标参考面上，接收所述坐标参考面反射的所述单色光，使坐标参考面所反射的所述单色光与一部分入射至所述参考测量头的所述单色光产生干涉；
23.所述第一光线入口、第一准直透镜和第一分光镜和/或第一聚焦透镜组成一组所述参考测量头；所述位置参考面形成一组所述坐标参考面。
24.采用上述技术方案，本发明还能够带来以下有益效果：
25.本发明设置第一聚焦透镜和/或第二聚焦透镜，将光线转化为汇聚光进行形貌测量和/或对集成式干涉测量头的位置标定；能够提高光线利用率、进一步提高测量精度以及扩大测量范围；
26.本发明的第一聚焦透镜与第二聚焦透镜同轴设置，能够进一步缩小体积；
27.本发明设置第一反射镜和/或第二反射镜，将第一准直透镜和/或第二准直透镜的光轴设置为垂直于分光镜的反光面，能够缩短测量头的长度；
28.本发明的集成式干涉测量头安装在转轴上，并将位置参考面设置为曲面，在集成式干涉测量头需要旋转的工况中避免了转轴的机械误差所导致的测量结果不精确；
29.本发明的光线采用由至少两组单色光组成，可以将测量范围突破λ/2，并实现纳米精度的测量(5～0.05nm)。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
31.图1为本发明具体实施方式中一种集成式干涉测量头的光路结构示意图；
32.图2为本发明具体实施方式中另一种集成式干涉测量头的光路结构示意图；
33.图3为本发明具体实施方式中一种干涉测量装置的结构示意图；
34.图4为本发明具体实施方式中另一种参考测量头的结构示意图；
35.其中：1、支撑框架；2、参考面一；3、机械臂一；4、参考测量头一；5、旋转轴一；6、对物测量头；7、被测物体；8、旋转轴二；9、参考面二；10、位移台；11、参考测量头二；12、参考测量头三；13、参考面三；14、光源；15、探测器模块；16、信号线；17、计算机；18、第二聚焦透镜；19、第二分光镜；20、第一反射镜；21、pzt模块；22、入射光线；23、反射光线；24、第一准直透镜；25、第二准直透镜；26、腔体；27、透镜四；28、光纤；29、第二反射镜；30、第一分光镜；31、第一聚焦透镜；32、第一光线入口；33、第二光线入口。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
37.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
39.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
40.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
41.在本发明的一个实施例中，提出一种集成式干涉测量头，如图1、2所示，包括：
42.第一光线入口32，用于点出射及点接收光线；
43.第二光线入口33，用于点出射及点接收光线；
44.第一准直透镜24，焦点设置在第一光线入口32处；
45.第二准直透镜25，焦点设置在第二光线入口33处；
46.第一分光镜30，将第一准直透镜24的出射光路部分透射部分反射，反射的光线的
至少一部分原路返回至第一准直透镜24，透射的光线传递至第一被测物；
47.第二分光镜19，将第二准直透镜25的出射光路部分透射部分反射，反射的光线的至少一部分原路返回至第二准直透镜25的光轴，透射的光线传递至第二被测物；
48.其中：集成式干涉测量头还包括pzt模块21；pzt模块21带动第一分光镜30及第二分光镜19做移动方式相同的直线运动，调节第一分光镜30与参考面一2之间的光程及第二分光镜19与被测物体7之间的光程。
49.上述光学组件的具体位置本实施例不作限定。
50.在本实施例中，第一组干涉测量组件包括第一光线入口32、第一准直透镜24以及第一分光镜30；第一光线入口32将光线发送至第一准直透镜24后被折射为平行光，平行光传递至第一分光镜30，第一分光镜30的反射面与平行光垂向设置，使一部分光线原路返回，最终到达第一准直透镜24，第一准直透镜24将第一分光镜30反射过来的平行光形成参考光，之后将参考光折射为汇聚光传递到第一光线入口32中；经第一分光镜30透射的光线传递至第一被测物后由第一被测物反射，再经第一分光镜30透射的光形成测量光，最终到达第一准直透镜24处，由第一准直透镜24汇聚至第一光线出口；由于测量光与参考光之间具有光程差会在第一分光镜30处干涉并出现干涉条纹，当第一被测物与第一分光镜30之间的距离产生变化时，干涉条纹也产生变化，探测器模块15探测干涉条纹，基于干涉条纹的变化规律便能得到第一分光镜30与被测物之间的距离变化，根据距离变化得出第一测量物的形貌。
51.第二组干涉测量组件包括第二光线入口33、第二准直透镜25以及第二分光镜19；第二光线入口33将光线发送至第二准直透镜25后被折射为平行光，平行光传递至第二分光镜19，第二分光镜19的反射面与平行光垂向设置，使一部分光线原路返回，最终到达第二准直透镜25，第二准直透镜25将第二分光镜19反射过来的平行光形成参考光，之后将参考光折射为汇聚光传递到第二光线入口33中；经第二分光镜19透射的光线传递至第二被测物后由第二被测物反射，再经第二分光镜19透射的光形成测量光，最终到达第二准直透镜25处，由第二准直透镜25汇聚至第二光线出口；由于测量光与参考光之间具有光程差会干涉并出现干涉条纹，当第二被测物与第二分光镜19之间的距离产生变化时，干涉条纹也产生变化，探测器模块15探测干涉条纹，基于干涉条纹的变化规律便能得到第二分光镜19与被测物之间的距离变化，根据距离变化得出第二测量物的形貌。
52.本实施例的两组干涉测量组件集成在一起，可选择一组进行对被测物体7的形貌测量，另一组实现第一组的位置反馈，能够更好补偿机械移动误差；
53.相位调制的需要，两组干涉测量组件均需要采用pzt(压电陶瓷)模块来调整相位差及光程差，以便于实现准确测量。因为pzt模块21存在迟滞性、蠕动性等不足，这会导致测量头在测量过程中引入误差，这也是系统的重要误差源之一，所以pzt模块21数量的增加会引入更多的误差因素，导致误差补偿难度大，校准难度大。本实施例通过一组pzt同时实现两组测量组件的干涉相位调节能够减少pzt模块21的数量，减少误差因素进而降低测量难度、提高测量精度。
54.同时，本实施例也可选择使两组测量组件均用来测量被测物体7或均进行位置反馈。
55.在一个实施例中，如图1所示，集成式干涉测量头还包括第一聚焦透镜31，第一聚
焦透镜31设置在第一分光镜30的透射出射光路上。
56.在一个实施例中，如图1所示，集成式干涉测量头还包括第二聚焦透镜18，第一聚焦透镜31设置在第二分光镜19的透射出射光路上。
57.以上两个实施例设置第一聚焦透镜31和/或第二聚焦透镜18，将光线转化为汇聚光进行形貌测量和/或对集成式干涉测量头的位置标定；能够提高光线利用率、进一步提高测量精度以及扩大测量范围。
58.在一个实施例中，第一聚焦透镜31与第二聚焦透镜18的光轴重合，第一聚焦透镜31与第二聚焦透镜18同轴设置，能够减少集成式干涉测量头的径向体积，使集成式干涉测量头更加紧凑，具有较高的灵活性进而增加测量范围。
59.在一个实施例中，如图1所示，集成式干涉测量头还包括第一反射镜20；第一准直透镜24的光轴垂直于第一分光镜30的反射面；第一反射镜20实现分光镜与第一准直透镜24之间的光线的相互传递。
60.在一个实施例中，如图1所示，集成式干涉测量头还包括第二反射镜29；第二准直透镜25的光轴垂直于第二分光镜19的反射面；第二反射镜29实现分光镜与第二准直透镜25之间的光线的相互传递。
61.以上实施例设置第一反射镜20和/或第二反射镜29，将第一准直透镜24和/或第二准直透镜25的光轴设置为垂直于分光镜的反光面，能够缩短两个分光镜之间的距离，进而减少集成式干涉测量头的轴向长度，使集成式干涉测量头更加紧凑，具有较高的灵活性进而增加测量范围。
62.在一个实施例中，第一被测物为位置参考面，即如图3所示的参考面一2；位置参考面形成集成式干涉测量头的坐标参考；集成式干涉测量头测量第二被测物的形貌。
63.在一个实施例中，如图3所示，集成式干涉测量头安装在一转轴上，即如图3所示的旋转头一；位置参考面为圆弧面。本实施例采用圆弧面作为位置参考，能够有效消除集成式干涉测量头测量时由转轴带来的机械误差。
64.在一个实施例中，光线由至少两组单色光组成。本实施例可以将测量范围突破λ/2，并实现纳米精度的测量(5～0.05nm)。
65.在一个实施例中，如图3所示，提出一种干涉测量系统，基于上述集成式干涉测量头实现，还包括运动组件及参考系组件；运动部带动集成式干涉测量头和/或第二被测物体进行运动，使第二被测物的被测区域处于对物测量头6的探测范围内；
66.参考系组件包括至少一组参考测量头及至少一组坐标参考面，参考测量头基于单色光照射在坐标参考面上，接收坐标参考面反射的单色光，使坐标参考面所反射的单色光与一部分入射至参考测量头的单色光产生干涉；
67.第一光线入口32、第一准直透镜和第一分光镜30和/或第一聚焦透镜31组成一组参考测量头；位置参考面形成一组坐标参考面。
68.如图3所示，本实施例干涉测量系统的原理是：由光源14发出的多波长单色光(光源模块包含多种单色光，在可见光或红外光波长范围内，可通过控制系统进行不同波长单色光的自由组合输出)，经信号线16(该信号线包含可传输光信号、电信号的光纤、电线等，示意图中做了简化处理)传输到对物测量头6和参考测量头一4、参考测量头二11、参考测量头三12。一部分入射光在测量头内经参考面(即镜面面形(粗糙度非常小)，可近似认为是一
种理想面形，不会引入显著的测量误差)反射返回，作为参考光，另一部分入射光经被测物体7或者参考面一2、参考面二9、参考面三13反射返回，作为测量光，参考光与测量光在测量头内相遇后发生干涉，干涉信号经信号线16传输到探测器模块15，采集的信号被控制系统初步处理后传输到计算机17，在计算机17中完成进一步处理，得到被测物体7三维形貌的偏差数据，并进行数据显示。
69.对物测量头6：用于测量被测物体7的三维形貌；
70.参考测量头一4、参考测量头二11、参考测量头三12：用于测量机械轴位移距离，精确定位对物测量头6或被测物体7在空间中的位置，所测数据可用于补偿机械轴移动时引入的误差。
71.参考测量头一4：补偿旋转轴一5旋转时产生的机械误差。
72.参考测量头二11：补偿位移台10垂向移动时产生的机械误差。
73.参考测量头三12：补偿位移台10水平向移动时产生的机械误差。
74.误差补偿：参考测量头测量出机械轴位移距离(因为机械轴位移精度低，对物体的空间位置定位不准，需要光学手段来精确定位物体的空间位置)，并在对物测量头6的测量数据中减去或加上该数值(或者进行其它方式的计算)。
75.其中，对物测量头6和参考测量头一4是一种集成式干涉测量头，为了完成被测物体7表面不同曲率处形貌的测量，对物测量头6需要围绕旋转轴一5进行旋转，旋转轴一5是机械轴，在旋转时由于机械扰动导致对物测量头6的测量数据存在误差，需要补偿，因此引入参考测量头一4。将对物测量头6和参考测量头一4同轴集成，根据阿贝原理，可以提高测量精度。在实际测量中，参考测量头一4与参考面一2(将参考面一2固定在机械臂一3上，不转动)之间的距离是固定的(可预先进行校准)，当对物测量头6和参考测量头一4进行旋转测量时，由于机械扰动的存在，参考测量头一4与参考面一2之间的距离会出现微小变化，该变化会直接影响系统的测量精度。因此，需要在对物测量头6的测量数据中扣除考测量头一4的测量数据，以补偿机械转动时引入的误差。
76.其中，第一种集成式干涉测量头的结构如图1所示，入射光线22(实线)首先经第一准直透镜24准直，然后由第一反射镜20反射，然后通过第二分光镜19，部分光被反射回来，作为参考光，部分光透射后经第二聚焦透镜18聚焦后，分别照射到被测物体7和参考面一2上，然后返回，作为测量光，参考光与测量光相遇，发生干涉，干涉信号经信号线16传输到探测器模块15(不同测头、不同波长的干涉信号被分别探测和处理)。
77.另外，为了完成被测物体7形貌的三维扫描，需要对被测物体7进行水平向和垂向移动，该动作由位移台10完成，位移台10在水平向和垂向移动过程中存在机械移动误差，需要补偿，因此分别安装了参考测量头二11、参考测量头三12，分别实时监控水平向和垂向的移动距离。此外，被测物体7还要进行旋转，才能完成形貌测量，由旋转轴二8旋转完成(也可通过增加参考测量头来实时监控旋转时引入的跳动、偏移等误差)。
78.其中，参考测量头二11、参考测量头三12的内部结构如图4所示，原理为：部分入射光线22(实线)经光纤28的端面反射，作为参考光，部分光线透过端面，经透镜四27准直后与参考面二9(或参考面三13)相遇，并被反射，作为测量光，参考光与测量光相遇，发生干涉，干涉信号经信号线16传输到探测器模块15。其中pzt模块21带动光纤28上下移动，改变参考光与测量光之间的光程差，完成相位调制。
79.在一个实施例中，如图2所示，将集成式干涉测量头的光路进一步简化，即将信号线16置入对物测量头6与参考测量头一4的内部，腔体26中填充胶体，将信号线16、第二准直透镜25固定在一起，确保入射光路与反射光路的稳定性，pzt模块21带动第二分光镜19上下移动，改变参考光与测量光之间的光程差，完成移相干涉测量，腔体26、信号线16、第二准直透镜25固定不动。
80.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。