基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置及方法与流程

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及利用共焦显微技术测量大口径高曲率光学元件表面轮廓的技术。

背景技术：

随着光学加工和检测技术的不断发展，大口径光学元件已成为天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别、激光大气传输、惯性约束聚变(ICF)等领域中起支撑作用的关键部件之一，同时也是光学系统设计和超精密加工技术紧密结合的产物。大口径光学元件结合了以上各领域的特性，不仅在光学系统中可有效校正高级像差，显著提高光学系统成像质量，同时又可明显简化光学系统结构，扩展光学系统功能，被广泛应用于各类武器装备中，该类设备的研究发展方向是：小型化、轻量化、超视距、宽视场和高分辨力，而制约大口径光学元件加工水平的关键，取决于与制造要求相适应的检测方法和仪器；然而现有共焦测量方法很难检测出大口径高曲率光学样品的表面面形，而且测量速度慢、误差大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有测量大口径高曲率光学元件的方法检测难度大、测量速度慢、误差大的问题，从而提供基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置及方法。

本发明所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置，包括共焦显微系统和二维气浮运动平台；

所述共焦显微系统包括照明系统和探测系统；

所述照明系统包括激光器、准直镜、光阑、二向色镜和物镜；

所述激光器发出的激光经所述准直镜后形成平行光，所述平行光经所述光阑入射至所述二向色镜，二向色镜将激光反射至所述物镜，物镜将激光聚焦至待测样品，所述待测样品置于所述二维气浮运动平台上；

待测样品的表面镀有有机荧光膜；

照明系统和所述探测系统共用物镜和二向色镜；

所述探测系统包括物镜、二向色镜、滤光片转换器、汇聚透镜、针孔和光电探测器；

待测样品表面激发出的荧光经物镜透射至二向色镜，二向色镜透射的荧光依次经所述滤光片转换器、汇聚透镜和针孔入射至所述光电探测器。

优选的是，所述激光器发出的激光的波长为532nm。

优选的是，所述物镜透射的激光功率大于0mW且小于50mW。

优选的是，所述针孔位于汇聚透镜的后焦面上。

本发明所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在待测样品的表面镀有机荧光膜；

步骤二、光电探测器收集所述待测样品发出的荧光；

步骤三、物镜沿光轴方向运动，光电探测器得到轴向响应曲线，根据轴向响应曲线，确定待测样品的表面位置；

步骤四、二维气浮运动平台带动待测样品在垂直于光轴的二维平面移动；

重复步骤二至步骤三四，直至得到待测样品的三维表面轮廓，完成测量。

优选的是，所述有机荧光膜为罗丹明B薄膜。

有益效果：本发明能够实现高精度检测大口径高曲率光学元件的宏微结构，同现有测量技术相比，首先实现了大口径光学元件和微结构光学元件复用的轮廓检测，而且测量精度很高；同时本发明结合了中介层散射法测量高曲率光学面型的研究方法，兼顾实现了对高曲率样品面型的检测；同时省略了机械扫描装置或多探测器，因此又降低了成本。

本发明适用于测量大口径高曲率光学元件及微结构光学元件。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置的结构示意图；

图2是具体实施方式五的物镜及二维气浮运动平台扫描方向的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置，包括共焦显微系统和二维气浮运动平台7；

所述共焦显微系统包括照明系统和探测系统；

所述照明系统包括激光器1、准直镜2、光阑3、二向色镜4和物镜5；

所述激光器1发出的激光经所述准直镜2后形成平行光，所述平行光经所述光阑3入射至所述二向色镜4，二向色镜4将激光反射至所述物镜5，物镜5将激光聚焦至待测样品6，所述待测样品6置于所述二维气浮运动平台7上；

待测样品6的表面镀有有机荧光膜；

照明系统和所述探测系统共用物镜5和二向色镜4；

所述探测系统包括物镜5、二向色镜4、滤光片转换器8、汇聚透镜9、针孔10和光电探测器11；

待测样品6表面激发出的荧光经物镜5透射至二向色镜4，二向色镜4透射的荧光依次经所述滤光片转换器8、汇聚透镜9和针孔10入射至所述光电探测器11。

调整滤光片转换器8滤除绿激光。荧光经针孔10入射与光电探测器11连接的多模光纤12。当测量样品是微结构(纳米、微米级的光栅、沟槽等)时，待测样品的表面可以不镀有机荧光膜，装置中可以不含滤光片转换器8。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置作进一步说明，本实施方式中，所述激光器1发出的激光的波长为532nm。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置作进一步说明，本实施方式中，所述物镜5透射的激光功率大于0mW且小于50mW。

入射到待测样品7的激光功率小于50mW，保证了待测样品7的表面能激发出荧光，又不会破坏待测样品。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置作进一步说明，本实施方式中，所述针孔10位于汇聚透镜9的后焦面上。

后焦面上的光斑最小，光强最强，有利于提高测量精度。

具体实施方式五：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于具体实施方式一所述的共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓测量装置的扫描测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在待测样品6的表面镀有机荧光膜；

步骤二、光电探测器11收集所述待测样品6发出的荧光；

步骤三、物镜5沿光轴方向运动，光电探测器11得到轴向响应曲线，根据轴向响应曲线，确定待测样品6的表面位置；

步骤四、二维气浮运动平台7带动待测样品6在垂直于光轴的二维平面移动；

重复步骤二至步骤三四，直至得到待测样品6的三维表面轮廓，完成测量。

通过轴向响应曲线的顶点位置来确定被测样品表面位置。Z轴电机带动物镜做轴向扫描运动。如图2所示，物镜沿Z轴运动，如图中的双向箭头所示，二维气浮运动平台7带动待测样品7沿x轴和y轴移动，如图中交叉的双向箭头所示。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量方法作进一步说明，本实施方式中，所述有机荧光膜为罗丹明B薄膜。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。