[發明專利]基于法向跟蹤的自由曲面差動共焦測量方法及裝置

有效

• 申請號: 202010157099.1
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111288927B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 趙維謙;倪赫;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.基于法向跟蹤的自由曲面差動共焦測量方法，其特征在于：利用直徑小于物鏡入瞳的離軸且平行于光軸的準直光束入射至物鏡產生的斜照明聚焦光束來測量自由曲面樣品，通過改變離軸準直光束的離軸量來控制物鏡斜照明聚焦光束的傾斜角度，使物鏡斜照明聚焦光束與自由曲面的法線方向一致，從而使聚焦至自由曲面的照明光束原光路返回以實現共光路，并利用激光差動共焦測量方法對軸向焦點位置進行法向跟蹤探測，以獲得自由曲面樣品的形貌參數；

具體包括以下步驟：

步驟一：掃描控制器(22)控制二維精密位移臺(12)進行橫向位置掃描，對放置于二維精密位移臺(12)上的自由曲面樣品(11)的測量點M進行軸向位置測量，激光二極管光源(1)經過準直鏡(2)準直，準直光束經過X光學平板(6)和Y光學平板(8)折射后產生離軸量為r的離軸準直光束，離軸準直光束入射至物鏡(10)的入瞳；并且，離軸準直光束的平面光斑(27)直徑必須小于物鏡的入瞳(26)直徑；

步驟二：離軸準直光束經由物鏡(10)聚焦后照射至自由曲面樣品(11)，由自由曲面樣品(11)反射的光束依次經過物鏡(10)、Y光學平板(8)和X光學平板(6)后，一部分經由B分光鏡(4)反射，由四象限探測器(13)進行光斑位置探測，一部分經由A分光鏡(3)反射，由激光差動共焦探測模塊進行樣品的軸向焦點位置探測；

其中，X光學平板(6)和Y光學平板(8)的旋轉使入射光束產生離軸量r，法向控制器(20)根據四象限探測器(13)的探測信號對X電機(5)和Y電機(7)進行伺服控制，使得返回光的光束中心位置始終處于四象限探測器(13)的中心，即使得物鏡(10)斜照明聚焦光束的傾斜方向與自由曲面樣品(11)在該點的法線方向一致，從而使照射至自由曲面樣品(11)的探測光束按照原光路返回至激光差動共焦探測模塊；

步驟三：軸向控制器(21)控制物鏡驅動器(9)進行定焦跟蹤，沿原光路返回的探測光束進入差動共焦探測模塊，通過軸向控制器(21)控制物鏡驅動器(9)軸向運動，使得差動共焦軸向強度曲線(25)處于零點，此時物鏡(10)的聚焦點位于自由曲面表面，即物鏡驅動器(9)的軸向位置對應自由曲面樣品(11)的軸向坐標，掃描控制器(22)讀取物鏡驅動器(9)的軸向位置，即在法向跟蹤的前提下，利用激光差動共焦測量方法完成對測量點M的軸向位置的測量；

其中，激光差動共焦探測模塊由收集透鏡(14)、C分光鏡(17)、A針孔(15)、A光電探測器(16)、B針孔(18)和B光電探測器(19)組成；所述A針孔(15)位于收集透鏡(14)焦面前d距離處；所述B針孔(18)位于收集透鏡(14)焦面后d距離處；并且，安裝保證A光電探測器(16)和B光電探測器(19)的能夠收集透過A針孔(15)和B針孔(18)的全部光強；差動共焦軸向強度曲線(25)由A光電探測器(16)和B光電探測器(19)分別輸出的A共焦軸向強度曲線(23)和B共焦軸向強度曲線(24)差動相減得到；

步驟四：掃描控制器(22)控制二維精密位移臺(12)進行橫向位置掃描，對置于二維精密位移臺(12)上的自由曲面樣品(11)的下一坐標點進行軸向位置測量，重復步驟一至三，完成對整個自由曲面樣品(11)的測量。

2.基于法向跟蹤的自由曲面差動共焦測量裝置，其特征在于：包含激光二極管光源(1)、準直鏡(2)、A分光鏡(3)、B分光鏡(4)、X電機(5)、X光學平板(6)、Y電機(7)、Y光學平板(8)、物鏡驅動器(9)、物鏡(10)、自由曲面樣品(11)、二維精密位移臺(12)、四象限探測器(13)、收集透鏡(14)、A針孔(15)、A光電探測器(16)、C分光鏡(17)、B針孔(18)、B光電探測器(19)、法向控制器(20)、軸向控制器(21)和掃描控制器(22)；

自由曲面樣品(11)置于二維精密位移臺(12)上，并由物鏡驅動器(9)驅動物鏡(10)進行軸向位置跟蹤探測；激光二極管光源(1)位于準直鏡(2)的焦點處，準直出射的光束與物鏡(10)同軸；

X光學平板(6)、Y光學平板(8)及X電機(5)、Y電機(7)組成光束位移模塊；X光學平板(6)固定于X電機(5)轉軸上，Y光學平板(8)固定于Y電機(7)轉軸上，X電機(5)和Y電機(7)的放置均垂直于準直鏡(2)的光軸，保證X電機(5)和Y電機(7)正交，且準直鏡(2)的準直光束通過X光學平板(6)和Y光學平板(8)產生離軸位移；通過所述X電機(5)和Y電機(7)帶動X光學平板(6)和Y光學平板(8) 旋轉，對準直光束的離軸量進行調節；

在準直鏡(2)和光束位移模塊之間依次放置A分光鏡(3)和B分光鏡(4)，在B分光鏡(4)的反射光束光軸上放置四象限探測器(13)，在A分光鏡(3)的反射光束光軸上依次配置有收集透鏡(14)、A針孔(15)和A光電探測器(16)，在收集透鏡(14)與A針孔(15)之間配置有C分光鏡(17)，在C分光鏡(17)的反射光束光軸上依次配置B針孔(18)和B光電探測器(19)；所述A針孔(15)位于收集透鏡(14)焦面前d距離處；所述B針孔(18)位于收集透鏡(14)焦面后d距離處；并且，安裝保證A光電探測器(16)和B光電探測器(19)能夠收集透過A針孔(15)和B針孔(18)的全部光強；

法向控制器(20)采集四象限探測器(13)的信號，并根據四象限探測器(13)上的光斑位置對X電機(5)和Y電機(7)進行反饋控制，確保返回光束始終處于四象限探測器(13)的中心；

軸向控制器(21)讀取差動共焦模塊中的A光電探測器(16)和B光電探測器(19)的輸出信號，并將A光電探測器(16)和B光電探測器(19)分別輸出的A共焦軸向強度曲線(23)和B共焦軸向強度曲線(24)差動相減得到差動共焦軸向強度曲線(25)；通過軸向控制器(21)控制物鏡驅動器(9)驅動物鏡(10)軸向運動，使差動共焦軸向強度曲線(25)處于零點，即使得自由曲面樣品(11)的測量點M處于物鏡(10)的焦點，從而實現對自由曲面樣品(11)的定焦跟蹤；

掃描控制器(22)控制二維精密位移臺(12)進行二維掃描運動，并讀取物鏡驅動器(9)的軸向位置，通過掃描坐標與軸向位置數據重建出自由曲面樣品(11)的三維輪廓。