一种接触式辅助定位激光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，具体涉及一种接触式辅助定位激光干涉测量系统。


背景技术：

2.非接触式轮廓测量技术已被越来越关注，光学干涉原理是非接触测量应用最多的一种方式。在本领域中，单波长干涉测量精度最高，但在测量台阶、段差等会存在相位模糊的问题、测量精度无法突破λ/2且测量范围较小。白光干涉显微技术测量范围大于单波长但是测量效率低，测量面形的尺寸和倾角相对较小，对大口径、大倾角面形的测量适用性较差，如果要对整个面形进行测量，需要进行视场拼接。激光干涉移相显微测量技术的测量精度高于白光干涉技术，但是测量大口径面形时，测量精度受机械移动精度的制约，机械轴误差大多在微米级范围。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出一种接触式辅助定位多波长激光干涉测量系统基于干涉技术测量位移的参考系组件反映测量头的相对位移，消除了带动测量头运动的机械装置的机械误差，使测量精度幅度提高至纳米级别，且系统精度、测量距离和灵活性都有较大提升。
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：
5.一种接触式辅助定位激光干涉测量系统，包括：光源、测量头、运动组件及参考系组件；
6.所述光源用于产生单色光；
7.所述参考系组件包括参考面及参考测量头；所述参考测量头和参考面之一形成所述测量头的位置参考；
8.所述运动组件带动所述测量头和/或所述被测物进体行运动，使所述被测物体的被测区域处于所述测量头的探测范围内；
9.所述测量头和所述参考测量头至少之一为接触式测量头；
10.所述接触式测量头基于所述单色光照射在触针上，接收所述触针反射的所述单色光，使触针所反射的所述单色光与一部分入射至所述测量头的所述单色光产生干涉；
11.测量时，所述触针的末端接触所述参考面或所述被测物体，所述触针随所述参考面或被测物体的表面形状起/伏运动。
12.进一步的，所述干涉测量系统还包括计算模块；所述计算模块基于所述参考测量头所产生的干涉条纹的变化规律确定所述测量头与所述参考面之间的相对位移信息；基于所述测量头与所述被测物体产生相对位置变化时所述测量头所产生的干涉条纹的变化规律、所述位置参考及所述相对位移信息，确定所述被测物体的表面形状。
13.进一步的，所述接触式测量头包括：
14.第一光线传递口，连接所述光源及所述计算模块；
15.第一准直透镜，设置在所述第一光线传递口的出射光路上，光轴与所述第一光线传递口同轴；
16.第一分光镜，设置在所述第一准直透镜的出射光路上，反光面与所述第一准直透镜光轴的夹角为45
°
；
17.反光镜，设置在所述第一分光镜反射自所述第一准直透镜处传来的所述单色光的出射光路上，与所述第一准直透镜的光轴平行设置；
18.触针，设置在所述第一分光镜的透射光光路上。
19.进一步的，所述分光镜所透射的所述平行光到达所述触针并被所述触针反射到达所述第一光线传递口的所述单色光形成测量光；经所述反光镜反射至所述第一分光镜并到达所述第一光线传递口的所述平行光形成参考光；
20.所述测量光与所述参考光之间相互干涉形成所述干涉条纹。
21.进一步的，所述接触式测量头还包括姿态感知光路；所述姿态感知光路感知所述触针的姿态。
22.进一步的，所述姿态感知光路包括：
23.第二光线传递口，用于出射探测光；
24.第二准直透镜，设置在所述第二光线传递口的出射光路上，光轴与所述第二光线传递口同轴；
25.第二分光镜，设置在所述第二准直透镜的出射光路上，反光面与所述第二准直透镜光轴的夹角为45
°
；
26.第一聚焦透镜，设置在所述第二分光镜反射自所述第二分光镜处传来的所述探测光的出射光路上；
27.第一探测器，设置在所述第一聚焦透镜的出射光路上；
28.第三分光镜，设置在所述第二分光镜的透射出射光路上；反光面与所述第一准直透镜光轴的夹角为45
°
；
29.第二聚焦透镜，设置在所述第二分光镜反射自所述第二准直透镜处传来的探测光的出射光路上；
30.第三探测器，设置在所述第二聚焦透镜的出射光路上；
31.其中：所述反光面设置在所述第三分光镜的反射出射光路上；所述第一探测器及第二探测器基于所接收的所述探测光的光照强度变化和/或光照位置变化感知所述触针的姿态变化。
32.进一步的，所述触针为t型触针，顶部为平面反光面，底部为探针；所述平面反光面垂直于所述探针的轴线。
33.进一步的，所述平面反光面平行于所述第二聚焦透镜的光轴，设置在所述第三分光镜的反射光出射光路上。
34.进一步的，所述干涉测量系统还包括执行机构；所述执行机构基于所述姿态感知光路的感知结果调整所述接触式测量头，使所述探针的中轴与所述第一准直透镜的光轴平行或重合。
35.进一步的，所述第一探测器为四象限位置探测器，用于感知光斑位置变化；所述第二探测器用于探测光照强度。
36.采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：
37.本发明采用基于干涉技术测量位移的参考系组件反应测量头的相对位移，消除了带动测量头运动的机械装置的机械误差，使测量精度幅度提高至纳米级。
38.本发明的接触式测量头可显著增大测量头的移动距离，实现大口径面形的测量；
39.本发明所建立参考系使得测量结果无需视场拼接，测量效率高。
附图说明
40.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，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公开的一些实施例，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。
41.图1为本发明具体实施方式中一种接触式辅助定位激光干涉测量系统的结构示意图；
42.图2为本发明具体实施方式中另一种接触式辅助定位激光干涉测量系统的结构示意图；
43.图3为本发明具体实施方式中接触式测量头的外部轮廓示意图；
44.图4为本发明具体实施方式中接触式测量头的内部结构示意图；
45.图5为本发明具体实施方式中一种测量头的内部结构示意图；
46.图6为本发明具体实施方式中另一种测量头的内部结构示意图；
47.其中：1、支撑框架；2、第一参考测量头；3、第一参考面；4、第三参考面；5、第二参考面；6、第二参考测量头；7、第一机械臂；8、第三参考测量头；9、第一转轴；10、第二机械臂；11、测量头；12、被测物体；13、第二旋转轴；14、光源；15、探测器模块；16、信号线；17、计算模块；18、位移台；19、触针；20、第一镜筒；21、第二镜筒；22、第一光线传递口；23、第一探测器；24、第三镜筒；25、第二光线传递口；26、第二探测器；27、触针支撑模块；28、第三分光镜；29、入射光线一；30、反光镜；31、反射光线一；32、第一准直透镜；33、第一分光镜；34、第一聚焦透镜；35、第二准直透镜；36、第二分光镜；37、第二聚焦透镜；38、第三聚焦透镜；39、pzt模块；40、光纤；41、入射光线二；42、反射光线二；43、光纤端面；44、第三准直透镜。
具体实施方式
48.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
49.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，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公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开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，在没有背离本公开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。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
50.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。基于本公开，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。
51.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公开的基本构想，图式中仅显示与本公开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。
52.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。
53.在本发明的一个实施例中，提出一种接触式辅助定位激光干涉测量系统，如图1、2所示包括：光源14、测量头11、运动组件及参考系组件；
54.光源14用于产生至少两种不同波长的单色光；
55.参考系组件包括参考面及参考测量头；参考测量头和参考面之一形成测量头11的位置参考；
56.运动组件带动测量头11和/或被测物进体行运动，使被测物体12的被测区域处于测量头11的探测范围内；
57.测量头11和参考测量头至少之一为接触式测量头；
58.接触式测量头基于光源14的单色光照射在触针19上，接收触针19反射的单色光，使触针19所反射的单色光与一部分入射至接触式测量头内的单色光产生干涉；
59.测量时，触针19的末端接触参考面或被测物体12，触针19随参考面或被测物体12的表面形状起/伏运动。
60.在本实施例中，光源14为激光光源14，单色光至少为两组，与测量头11或参考测量头可基于光纤40或其他方式进行光线传递，测量头11根据需求选择两组单色光的波长组合。
61.本实施例中，参考面和参考测量头之一随测量头11移动，之另一形成位置参考；在测量过程中，基于位置参考建立三维坐标系；测量头11在三维坐标系内移动时，将参考测量头所感知的参考测量头-参考面之间的位置变化带入此三维坐标系中，可实现对测量头11的精准定位。
62.本实施例接触式测量头的基本原理为：基于接触式测量头内部的光学组件，先对单色光进行分光，分光的一部分经由探头反射至接收口，一部分经过镜面反射反射回同一接收口；使这两部分光具备光程差，接收口收到后使这两部分光相互干涉生成干涉条纹，根据干涉条纹的变化规律即可计算出触针19的位移距离，这种测量方式精度高于λ/2，实现了纳米精度的测量(5～0.05nm)。
63.同时，本实施例的测量头11可采用非接触式测量头，基于光源14的单色光照射在被测物体12上，接收被测物体12反射的单色光，使被测物体12所反射的单色光与一部分入射至被测物体12的单色光产生干涉；而非接触式测量头采用至少两种单色光进行测量头11与被测物体12之间的相对位移测量。
64.本实施例的干涉测量系统还包括计算模块17；计算模块17基于参考测量头所产生
的干涉条纹的变化规律确定测量头11与参考面之间的相对位移信息；基于测量头11与被测物体12产生相对位置变化时测量头11所产生的干涉条纹的变化规律、位置参考及相对位移信息，确定被测物体12的表面形状。
65.测量头11在测量不同类型的物体面形(尤其是大口径、大倾角面形)时，由于需要直线移动或旋转运动，需要用到运动组件(如线性位移台18、旋转台等)，此时会引入机械轴误差，随着位移距离的增大，引入的测量误差也会增大，本实施例可通过接触式干涉参考测量头的计算结果来补偿机械移动引入的误差，可实现高精度的误差补偿，尤其是对大范围移动距离精度的补偿，使测量结果更加准确。
66.在本实施例中，参考系组件的数量至少与测量头11的移动维数相当。当测量头11的运动包括俯仰运动时，还需要增加用以反应测量头11俯仰变化的参考系组件。
67.在一个实施例中，如图3所示，接触式测量头包括：
68.第一光线传递口22，连接光源14及计算模块17；
69.第一准直透镜32，设置在第一光线传递口22的出射光路上，光轴与第一光线传递口22同轴；
70.第一分光镜33，设置在第一准直透镜32的出射光路上，反光面与第一准直透镜32光轴的夹角为45
°
；
71.反光镜30，设置在第一分光镜33反射自第一准直透镜32处传来的单色光的出射光路上，与第一准直透镜32的光轴平行设置；
72.触针19，设置在第一分光镜33的透射光光路上。
73.本实施例的第一光线传递口22发散传输一组单色光，第一准直透镜32、第一分光镜33、反光镜30及触针19的组合方式能够完成上述实施例的功能即可，此处不作限定。在本实施例中，分光镜所透射的平行光到达触针19并被触针19反射到达第一光线传递口22的单色光形成测量光；经反光镜30反射至第一分光镜33并到达第一光线传递口22的平行光形成参考光；
74.测量光与参考光之间由于存在光程差产生干涉。
75.当触针19沿被测物体12或参考面的面型进行滑动时，触针19与第一光线传递口22之间的光程产生变化，而反光镜30与第一光线传递口22之间的光程不变，即上述光程差产生变化，自第一光线传递口22处接收的测量光及参考光之间经光栅后产生一直变化的干涉条纹。
76.在一个实施例中，接触式测量头还包括姿态感知光路；姿态感知光路感知触针19的姿态。
77.姿态感知光路包括：
78.第二光线传递口25，用于出射探测光；
79.第二准直透镜35，设置在第二光线传递口25的出射光路上，光轴与第二光线传递口25同轴；
80.第二分光镜36，设置在第二准直透镜35的出射光路上，反光面与第二准直透镜35光轴的夹角为45
°
；
81.第一聚焦透镜34，设置在第二分光镜36反射自第二分光镜36处传来的探测光的出射光路上；
82.第一探测器23，设置在第一聚焦透镜34的出射光路上；
83.第三分光镜28，设置在第二分光镜36的透射出射光路上；反光面与第一准直透镜32光轴的夹角为45
°
；
84.第二聚焦透镜37，设置在第二分光镜36反射自第二准直透镜35处传来的探测光的出射光路上；
85.第二探测器，设置在第二聚焦透镜37的出射光路上；
86.其中：反光面设置在第三分光镜28的反射出射光路上；第一探测器23及第二探测器26基于所接收的探测光的光照强度变化和/或光照位置变化感知触针19的姿态变化和/或光线传递口25入射光强度的变化。
87.在一个实施例中，第二探测器26用于监控光线传递口25入射光强度的变化，通过伺服控制使入射光线强度维持在一个稳定的范围。
88.本实施例中，为了保证测量的精准度，触针19需要做仅垂直于第一准直透镜32光轴或重合第一准直透镜32光轴的上下运动，触针19在探测过程中由于外力干扰会产生倾斜于第一准直透镜32光轴方向的运动。本实施例第一探测器23为四象限位置探测器，用于感知光斑位置变化；所述第二探测器26用于探测光照强度首先记录触针19在理想位置条件下第一探测器23与第二探测器26所探测的结果并记录，当触针19的位姿产生变化时，通过两个探测器所接收到的探测光之间的变化情况与上述结果相比对并计算，能够得出触针19的位姿变化情况。
89.在一个实施例中，触针19为t型触针19，顶部为平面反光面，底部为探针。
90.在一个实施例中，平面反光面垂直于探针的轴线，设置在第三分光镜28的反射光出射光路上。
91.在一个实施例中，平面反光面平行于第二聚焦透镜37的光轴。
92.在一个实施例中，干涉测量系统还包括执行机构；执行机构基于姿态感知光路调整接触式测量头，使探针的中轴与第一准直透镜32的光轴平行或重合。
93.第一探测器23为四象限位置探测器。
94.如图3、4所示，本实施例的第一准直透镜32、第一分光镜33、第三分光镜28、触针19支撑模块以及触针19均安装在第一镜筒20中；本实施例的反光镜30安装在第二镜筒21中；第二准直透镜35、第二分光镜36、第一探测器23、第一聚焦透镜34及第二聚焦透镜37安装在第三镜筒24中。
95.在一个实施例中，如图1、2所示，运动组件包括第一机械臂7、第二机械臂10、第一旋转部以及第二旋转部；
96.测量头11安装在第一旋转部上，第一旋转部带动测量头11沿第一转轴9旋转；
97.第一机械臂7带动旋转部进行横轴运动，第二机械臂10带动旋转部进行与横轴运动相垂直的纵轴运动；
98.被测物安装在第二旋转部上，第二旋转部带动被测物体12沿第二转轴旋转。
99.在如图1所示的实施例中，接触式辅助定位多波长激光干涉测量系统的原理是：由光源14(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)发出的多波长(≥2个波长)单色光，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)传输到测量头11和第
一参考测量头2、第二参考测量头6、第三参考测量头8，参考测量头为接触式测量头时，仅采用一组单色光，单色光一部分入射光在测量头内经参考面(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12或者第一参考面3、触针19、第二参考面5反射返回，作为测量光，参考光与测量光相遇后发生干涉，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模块17，在计算模块17中完成进一步处理，得到被测物体12三维形貌的偏差数据，并进行数据显示。
100.测量头11：用于测量被测物体12的三维形貌；
101.第一参考测量头2、第二参考测量头6、第三参考测量头8：用于测量机械轴位移距离，精确定位测量头11或被测物体12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。
102.第一参考测量头2：补偿第二机械臂10(可进行水平向往复运动)水平向移动时产生的机械误差。
103.第二参考测量头6：补偿第一机械臂7(可进行垂向往复运动)垂向移动时产生的机械误差。
104.第三参考测量头8：补偿第一转轴9(可做旋转运动)旋转时产生的机械误差。
105.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)，并在测量头11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)。
106.其中，第三参考面4和测量头11固定在第一机械臂7上，绕第一转轴9旋转，实现被测物体12的三维面形扫描测量，第一转轴9在旋转时会产生机械扰动，进而产生测量误差，为了补偿该误差，采用接触式辅助定位第三参考测量头8补偿该误差，第三参考测量头8的触针19与第三参考面4接触，当第三参考面4在转动过程中出现机械振动时，触针19会捕捉到该振动位移，将捕捉到的振动信号做进一步处理，即可用于补偿第一转轴9转动时引入的振动误差。
107.其中，接触式辅助定位第三参考测量头8的原理是：如图3、4所示，图3是触针式参考测量头轮廓图，图4是内部结构图。其中，由光源14发出的单色光，经信号线16传输到第一光线传递口22，入射光线一29经第一准直透镜32转换为平行光后被第一分光镜33分光，一部分光反射后照射到反光镜30后返回，反射光线一31作为参考光，一部分光透射后照射到第三分光镜28上，透射后进一步照射到触针19的顶部，触针19呈t字形，顶部对入射光具有较高的反射率，经触针19反射后，反射光作为测量光，测量光与反射光线一31相遇发射干涉，因为触针19可以上下移动，当第三参考面4上下移动时(第三参考面4在绕第一转轴9旋转时，会出现机械扰动，该扰动与测量头11的测量精度有直接的联系，需要被补偿)，触针19也随之上下移动，导致测量光线与反射光线一31的光程差发生变化，进而通过分析干涉信号即可获得第三参考面4的微小位移情况，进一步确定测量头11的振动情况，将该振动误差补偿后，即可获得测量头11的精确位置。
108.另外，为了能够准确测量被测物体12的三维形貌，测量头11需要绕第一转轴9旋转，测量头11的光轴要始终与被测物体12不同位置处面形的法线平行或重合，为了提高测量精度，要求触针19的轴线始终处于垂直方向上，但是在实际测量过程中，触针19受第三参
考面4旋转摩擦力的影响，可能会发生偏转，造成触针19出现测量误差，为了补偿该误差，需要通过伺服调节来补偿，即当触针19出现偏转时，系统可以监测该偏转角，然后反馈给第三参考测量头8的执行机构，该机构将带动第三参考测量头8在水平方向移动，当触针19的轴线处于垂向时，执行机构停止移动，通过该伺服机构，触针19可准确测量第三参考面4在转动时的垂向位移，进而通过函数关系算出测量头11沿轴线方向的位移量，因此可实时补偿测量头11转动时的轴向误差。具体原理如下：由光源14发出的单色光，经信号线16传输到第二光线传递口，由第二准直透镜35准直后进入第二分光镜36，一部分光被反射，由第二探测器26探测到，该信号被称为参考信号，通过检测该信号的大小，可以实时监控入射光强的大小，进而反馈到光源控制器，进行调控，从而使入射光强始终稳定在一个稳态范围。另外一部分光透射后照射到第三分光镜28上，反射后照射到触针19的顶部，第三参考面4如果是圆弧面，理论上触针19将始终保持垂向姿态，当测量头11转动时，触针19受摩擦力影响可能会出现微小转动，导致触针19顶部出现倾斜，经触针19顶部反射的光，又被第三分光镜28反射，进一步被第二分光镜36反射，经第一聚焦透镜34后，照射到第一探测器23上，第一探测器23是四象限位置探测器，当触针19旋转后，光斑照射到第一探测器23的位置会发生变化，光斑位置的变化与角度的变化之间有直接联系，计算出光斑在第一探测器23上的位置，即可获得角度值，从而可实时监控触针19的转角，然后反馈给第三参考测量头8的执行机构，执行机构通过动作(即带动考测量头三8向触针19偏转的方向移动，从而使第三参考测量头8的轴线与触针19的轴线重合)，使第三参考测量头8的轴线与触针19的轴线始终重合，消除因触针19旋转带来的测量偏差。
109.其中，为了测量被测物体12的三维形貌，由于测量头11需要在水平向和垂向进行大范围移动，第一机械臂7(垂向移动)和第二机械臂10(水平向移动)在移动过程中会引入定位误差，为了补偿该误差，采用了两个参考测量头，分别为第一参考测量头2和第二参考测量头6，将第一参考面3固定在第二机械臂10上，将第二参考面5固定在第一机械臂7上，第一参考测量头2和第二参考测量头6可实时测量测量头11在水平向和垂向移动的距离，从而精确辅助定位测量头11在空间中的位置。其中，第一参考测量头2、第二参考测量头6和测量头11可采用非接触式测量头结构，如图5所示，测量头11可采用聚焦式测量头，由光源14发出的多波长单色光，经信号线16传输到光纤40中，一部分入射光41经光纤端面43反射，作为参考光，一部分透射光经第三聚焦透镜38聚焦后，照射在被测物体12上，经被测物体反射后，作为测量光，参考光与测量光相遇，发生干涉，pzt模块39带动光纤40往复运动，使参考光与测量光之间的光程差发生变化，从而可以实现相移测量，干涉信号经后续处理分析后，反演出被测物体12的三维形貌信息。另外，如图6所示，对于第一参考测量头2、第二参考测量头6，可采用准直式测量头，采用第三准直透镜44将光线准直。
110.在如图2所示的实施例中，第一参考测量头2、第二参考测量头6安装在测量平台上，此时，测量头11只需要在空间中绕第一转轴9做旋转运动，第二转轴13带动被测物体12做旋转运动，从而实现整个面形形貌的测量，位移台18可带动被测物体12进行水平方向和垂直方向的移动，由第一参考测量头2、第二参考测量头6来分别补偿垂向和水平向的机械移动误差，第一参考面3、第二参考面5固定不动，第一参考测量头2、第二参考测量头6可以随着位移台18移动。
111.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。