[發明專利]橫向快速掃描共焦測量裝置及基于該裝置的光學元件表面輪廓測量方法

在審

• 申請號: 201710103553.3
• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN106908012A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 劉儉;王宇航;谷康;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 岳泉清

技術領域

本發明涉及一種橫向快速掃描共焦測量裝置及利用共焦顯微技術測量傾斜樣品表面面形的方法，屬于光學精密測量技術領域。

背景技術

現代光學系統的性能提升依賴于光學元器件的發展。大口徑高曲率光學元件如共形光學頭罩、離軸反射鏡等在國防軍事、空間探測等眾多領域中扮演著十分重要的角色，其面形精度直接影響了光學系統的性能。基于中介層散射的共焦測量方法，利用物理氣相沉積技術，在高曲率及大傾角樣品表面沉積一層易去除的納米級厚度中介層，構建了一個各向同性熒光散射表面，可以實現最大傾斜角度接近90°極限的復雜元件幾何形狀無損表征，因此基于中介層散射原理的共焦測量方法是一種解決高曲率測量的有效方法和途徑。但是由于共焦逐點測量時軸向掃描效率不高，導致對樣品長時間照明容易引起中介層熒光猝滅，影響最終的面形測量精度，成為了大口徑高曲率光學元件的制造及監測的重要難題之一。

發明內容

本發明目的是為了解決現有共焦逐點測量時軸向掃描效率低，導致對樣品長時間照明容易引起中介層熒光猝滅，影響最終的面形測量精度的問題，提供了一種橫向快速掃描共焦測量裝置及基于該裝置的光學元件表面輪廓測量方法。

本發明所述橫向快速掃描共焦測量裝置，該測量裝置包括照明模塊、掃描模塊、探測模塊和寬場成像模塊；

照明模塊按照照明光傳播方向依次為激光器、單模光纖、準直器、二向色鏡、分光棱鏡和物鏡；

探測模塊按照信號光傳播方向依次為物鏡、分光棱鏡、二向色鏡、濾光片、第一收集透鏡、多模光纖和光電倍增管；

掃描模塊包括二維掃描振鏡、掃描透鏡和管鏡；

寬場成像模塊包括CCD和第二收集透鏡；

激光器發出激光光束，激光光束通過單模光纖入射至準直器，經過準直器準直后形成平行光入射至二向色鏡，經過二向色鏡的透射光依次經過二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡、分光棱鏡和物鏡，在待測樣品上形成聚焦光斑；

待測樣品表面激發出的反射光通過物鏡入射至分光棱鏡，經過分光棱鏡的反射光入射至第二收集透鏡，經過第二收集透鏡后入射至CCD；經過分光棱鏡的透射光依次經過管鏡、掃描透鏡和二維掃描振鏡，入射至二向色鏡，經過二向色鏡的反射光依次經過濾光片和第一收集透鏡，通過多模光纖被光電倍增管收集。

本發明所述基于橫向快速掃描共焦測量裝置的光學元件表面輪廓測量方法，該測量方法的具體過程為：

步驟1、激光器發出激光光束，激光光束經過準直器后形成平行光，平行光經過掃描模塊、分光棱鏡和物鏡后，在待測樣品上形成聚焦光斑；

步驟2、待測樣品表面激發出的反射光經過物鏡、分光棱鏡、掃描模塊、二向色鏡、濾光片和第一收集透鏡，被光電倍增管收集，獲得初始位置的電壓值；

步驟3、根據電壓值獲得被測點的橫向包絡曲線，通過包絡解算獲得被測點的橫向坐標；

步驟4、通過調節掃描模塊的二維掃描振鏡，使聚焦光斑在待測樣品的表面產生橫向平移，通過光電倍增管獲得當前位置的電壓值；

步驟5、根據電壓值獲得光束橫向掃描時所有被測點的橫向包絡曲線，通過包絡解算獲得所有被測點的橫向坐標，形成表面輪廓掃描成像。

本發明的優點：本發明提出的橫向快速掃描共焦測量裝置及基于該裝置的光學元件表面輪廓測量方法，從被測樣品具有傾角的特點以及共焦測量光強響應本質出發，通過對樣品進行橫向掃描，得到橫向包絡曲線，根據橫向包絡曲線解算被測點橫向坐標，被測點縱向坐標由軸向位移執行器自身反饋系統得到。本發明通過光束快速橫向掃描方法進行樣品單點測量，提出了橫向掃描方法，不僅測量速度快，而且可以進行對高曲率大口徑的光學元件面形測量。本發明具有如下優點：

1、本發明通過快速橫向掃描共焦技術進行傾斜元件輪廓測量，提出了橫向掃描樣品提取橫向坐標的方法，將傳統共焦解算軸向包絡曲線解算軸向坐標，變為解算橫向包絡曲線解算橫向坐標，可以大大提高共焦逐點掃描測量速度，適用于傾斜樣品測量。

2、本發明能夠用于基于中介層散射共焦測量方法，能夠實現大口徑高曲率光學元件輪廓測量速度，同時能夠避免熒光物質長時間被激光照射而猝滅。

3、由于省略了機械軸向掃描裝置或多探測器，采用光學橫向掃描測量方法，為共焦逐點測量提供一種新思路，可以對大口徑光學元件輪廓進行快速高精度測量。

附圖說明

圖1是本發明所述橫向快速掃描共焦測量裝置的結構示意圖；

圖2是本發明所述基于橫向快速掃描共焦測量裝置的光學元件表面輪廓測量方法的原理框圖。

具體實施方式