法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法与装置

1.法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法，其特征在于：利用PSD反馈的法向跟踪系统对被测自由曲面样品(8)进行大角度范围内法向跟踪，利用后置分光瞳差动共焦传感器对被测自由曲面样品(8)进行高精度、高稳定性轴向定焦，实现自由曲面表面轮廓的大倾角高精度测量，包括以下步骤，步骤一、被测自由曲面样品(8)放置在载物台(5)上，对被测自由曲面样品(8)进行去倾斜去偏心的位姿调整，通过三维运动控制系统实现被测自由曲面样品(8)纳米级精确位移扫描；步骤二、激光光源(9)产生的光束通过扩束镜(10)为平行光束，平行光束经过偏振分光镜(11)的反射光再经过1/4波片(12)和物镜(14)照射在被测自由曲面样品(8)上；步骤三、被测自由曲面样品(8)的反射光依次经过物镜(14)、1/4波片(12)后，再经偏振分光镜(11)的透射光束进入分光镜(15)分束，经分光镜(15)的反射光束进入(16)感光区域进行光斑质心位置探测，经分光镜(15)的透射光束经过收集透镜(17)会聚，收集透镜(17)会聚的光束有一半被D型光阑(18)遮挡，另一半光束通过D型光阑(18)进入中继镜(19)进行放大，再通过物理双针孔(20)后被二象限光电探测器(21)接收；步骤四、计算机(22)通过数据采集模块(24)检测的PSD信号强度，计算出PSD靶面光斑质心偏离靶面中心的距离ΔL，根据光学原理算出存在的几何关系ΔL＝f*tan 2β，其中f是物镜的焦距，从而计算出传感器测头偏离被测点法线方向的角度 然后控制系统(23)控制传感器测头(4)转动相应角度β，使PSD光斑质心始终处于靶面中心，实现传感器测头(4)测量光束光轴方向与自由曲面样品被探测点表面局部倾角法线方向一致，实现传感器测头(4)的法向跟踪；步骤五、计算机(22)通过控制系统(23)控制传感器测头(4)上下移动，使测量物镜(14)的焦点在被测自由曲面样品(8)轮廓表面上下移动，计算机(22)通过数据采集模块(24)读取传感器测头(4)中的光电探测器(21)的信号，再将检测的差动共焦信号的前焦信号(26)和后焦信号(27)进行归一化相减处理得到后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(28)，测得的差动共焦轴向强度曲线(28)零点对应的物镜轴向位置即被测自由曲面样品的轴向坐标，在步骤四实现法向跟踪的前提下，利用后置分光瞳差动共焦测量方法完成对测量点M的轴向位置测量；步骤六、在完成对测量点M的轴向位置测量后，重复步骤一至五，对被测自由曲面样品下一坐标点进行轴向位置测量，按照预设扫描轨迹进行扫描测量，直至完成全部扫描点，实现自由曲面三维面型轮廓的大倾角高精度测量。 2.法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量装置，用于实现上述法向跟踪后置分光瞳差动共焦自由曲面测量方法，其特征在于：包括传感器测头(4)、三维运动控制系统、计算机软件处理模块；传感器测头，包括激光光源(9)、扩束镜(10)、偏振分光镜(11)、1/4波片(12)、物镜(14)、分光镜(15)、PSD(16)、收集透镜(17)、D型光阑(18)、中继镜(19)、双针孔(20)、二象限光电探测器(21)；激光光源(9)产生激光光束，沿着激光光束方向依次放置扩束镜(10)和偏振分光镜(11)，偏振分光镜(11)反射光束方向依次放置1/4波片(12)和物镜(14)；控制系统(23)使物镜(14)焦点在被测自由曲面样品(8)表面；被测自由曲面样品(8)反射的测量光束被物镜(14)探测，沿测量光束方向依次放置1/4波片(12)、PSD(16)、分光镜(15)、收集透镜(17)，测量光束通过分光镜(15)的反射光束进入PSD(16)感光区域进行光斑质心位置探测，计算机(22)软件算法处理实现传感器测头(4)的法向跟踪；测量光束通过分光镜(15)的透射光进入收集透镜(17)进行汇聚，D型光阑(18)放置在收集透镜(17)与收集透镜焦点之间，在收集透镜(17)后面放置中继镜(19)进行光束放大，收集透镜(17)的焦点与中继镜(19)的焦点重合，在中继镜(19)后面依次放置双物理针孔(20)和光电探测器(21)，双针孔(20)放在在中继镜(19)的焦平面上，光电探测器(21)的位置必须能够收集透过双针孔(20)的全部光强，以检测得到横向差动共焦信号的前焦信号(26)和后焦信号(27)；三维运动控制系统，其特征在于：包括R向运动控制模块(1)、Z向运动控制模块(2)、传感器转轴(3)运动控制模块、气浮回转主轴(6)运动控制模块和音圈电机运动控制模块(13)；R向运动控制模块(1)承载着Z向运动控制模块(2)、传感器转轴(3)运动控制模块和传感器测头(4)；Z向运动控制模块(2)承载着传感器转轴(3)和传感器测头(4)；传感器转轴(3)端面上承载着传感器测头(4)；R向运动控制模块(1)、Z向运动控制模块(2)和传感器转轴(3)保持两两位置正交关系；R向运动控制模块(1)驱动传感器测头(4)进行法向测量平面内的横向运动，Z向运动控制模块(2)驱动传感器测头(4)进行法向测量平面内的轴向运动，以实现后置分光瞳差动共焦测头在测量平面内进行大行程二维位移移动；气浮回转主轴(6)固定在大理石基准台面7上，载物台(5)固定在气浮回转主轴(6)端面上，气浮回转主轴(6)的回转运动将载物台(5)带动承载的被测自由曲面样品(8)一起进行精确回转位移移动；传感器测头(4)固定在传感器转轴(3)运动控制模块端面，传感器转轴(3)运动控制模块的角度转动将实现传感器测头(4)对被测自由曲面样品(8)被测点的法向位置跟踪；物镜(14)固定在传感器测头(4)的音圈电机运动控制模块(13)上，控制系统(23)控制音圈电机运动控制模块(13)运动从而实现物镜(14)的轴向微位移移动；计算机软件处理模块，包括数据采集模块(24)和控制软件；计算机(22)通过控制系统(23)实现系统的三维纳米级运动位移控制，根据采集的PSD信号经过算法处理控制传感器转轴(3)实现传感器测头(4)的法向跟踪，根据采集的后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(28)控制传感器测头(4)进行轴向定焦跟踪，计算机(22)对采集的信号进行算法处理，从而实现被测自由曲面样品(8)表面轮廓的大角度高精度测量。