横向快速扫描共焦测量装置及基于该装置的光学元件表面轮廓测量方法与流程

本发明涉及一种横向快速扫描共焦测量装置及利用共焦显微技术测量倾斜样品表面面形的方法，属于光学精密测量技术领域。

背景技术：

现代光学系统的性能提升依赖于光学元器件的发展。大口径高曲率光学元件如共形光学头罩、离轴反射镜等在国防军事、空间探测等众多领域中扮演着十分重要的角色，其面形精度直接影响了光学系统的性能。基于中介层散射的共焦测量方法，利用物理气相沉积技术，在高曲率及大倾角样品表面沉积一层易去除的纳米级厚度中介层，构建了一个各向同性荧光散射表面，可以实现最大倾斜角度接近90°极限的复杂元件几何形状无损表征，因此基于中介层散射原理的共焦测量方法是一种解决高曲率测量的有效方法和途径。但是由于共焦逐点测量时轴向扫描效率不高，导致对样品长时间照明容易引起中介层荧光猝灭，影响最终的面形测量精度，成为了大口径高曲率光学元件的制造及监测的重要难题之一。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有共焦逐点测量时轴向扫描效率低，导致对样品长时间照明容易引起中介层荧光猝灭，影响最终的面形测量精度的问题，提供了一种横向快速扫描共焦测量装置及基于该装置的光学元件表面轮廓测量方法。

本发明所述横向快速扫描共焦测量装置，该测量装置包括照明模块、扫描模块、探测模块和宽场成像模块；

照明模块按照照明光传播方向依次为激光器、单模光纤、准直器、二向色镜、分光棱镜和物镜；

探测模块按照信号光传播方向依次为物镜、分光棱镜、二向色镜、滤光片、第一收集透镜、多模光纤和光电倍增管；

扫描模块包括二维扫描振镜、扫描透镜和管镜；

宽场成像模块包括CCD和第二收集透镜；

激光器发出激光光束，激光光束通过单模光纤入射至准直器，经过准直器准直后形成平行光入射至二向色镜，经过二向色镜的透射光依次经过二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、分光棱镜和物镜，在待测样品上形成聚焦光斑；

待测样品表面激发出的反射光通过物镜入射至分光棱镜，经过分光棱镜的反射光入射至第二收集透镜，经过第二收集透镜后入射至CCD；经过分光棱镜的透射光依次经过管镜、扫描透镜和二维扫描振镜，入射至二向色镜，经过二向色镜的反射光依次经过滤光片和第一收集透镜，通过多模光纤被光电倍增管收集。

本发明所述基于横向快速扫描共焦测量装置的光学元件表面轮廓测量方法，该测量方法的具体过程为：

步骤1、激光器发出激光光束，激光光束经过准直器后形成平行光，平行光经过扫描模块、分光棱镜和物镜后，在待测样品上形成聚焦光斑；

步骤2、待测样品表面激发出的反射光经过物镜、分光棱镜、扫描模块、二向色镜、滤光片和第一收集透镜，被光电倍增管收集，获得初始位置的电压值；

步骤3、根据电压值获得被测点的横向包络曲线，通过包络解算获得被测点的横向坐标；

步骤4、通过调节扫描模块的二维扫描振镜，使聚焦光斑在待测样品的表面产生横向平移，通过光电倍增管获得当前位置的电压值；

步骤5、根据电压值获得光束横向扫描时所有被测点的横向包络曲线，通过包络解算获得所有被测点的横向坐标，形成表面轮廓扫描成像。

本发明的优点：本发明提出的横向快速扫描共焦测量装置及基于该装置的光学元件表面轮廓测量方法，从被测样品具有倾角的特点以及共焦测量光强响应本质出发，通过对样品进行横向扫描，得到横向包络曲线，根据横向包络曲线解算被测点横向坐标，被测点纵向坐标由轴向位移执行器自身反馈系统得到。本发明通过光束快速横向扫描方法进行样品单点测量，提出了横向扫描方法，不仅测量速度快，而且可以进行对高曲率大口径的光学元件面形测量。本发明具有如下优点：

1、本发明通过快速横向扫描共焦技术进行倾斜元件轮廓测量，提出了横向扫描样品提取横向坐标的方法，将传统共焦解算轴向包络曲线解算轴向坐标，变为解算横向包络曲线解算横向坐标，可以大大提高共焦逐点扫描测量速度，适用于倾斜样品测量。

2、本发明能够用于基于中介层散射共焦测量方法，能够实现大口径高曲率光学元件轮廓测量速度，同时能够避免荧光物质长时间被激光照射而猝灭。

3、由于省略了机械轴向扫描装置或多探测器，采用光学横向扫描测量方法，为共焦逐点测量提供一种新思路，可以对大口径光学元件轮廓进行快速高精度测量。

附图说明

图1是本发明所述横向快速扫描共焦测量装置的结构示意图；

图2是本发明所述基于横向快速扫描共焦测量装置的光学元件表面轮廓测量方法的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述横向快速扫描共焦测量装置，该测量装置包括照明模块、扫描模块、探测模块和宽场成像模块；

照明模块按照照明光传播方向依次为激光器1、单模光纤2、准直器3、二向色镜4、分光棱镜9和物镜10；

探测模块按照信号光传播方向依次为物镜10、分光棱镜9、二向色镜4、滤光片5、第一收集透镜15、多模光纤16和光电倍增管6；

扫描模块包括二维扫描振镜14、扫描透镜13和管镜12；

宽场成像模块包括CCD7和第二收集透镜8；

激光器1发出激光光束，激光光束通过单模光纤2入射至准直器3，经过准直器3准直后形成平行光入射至二向色镜4，经过二向色镜4的透射光依次经过二维扫描振镜14、扫描透镜13、管镜12、分光棱镜9和物镜10，在待测样品11上形成聚焦光斑；

待测样品11表面激发出的反射光通过物镜10入射至分光棱镜9，经过分光棱镜9的反射光入射至第二收集透镜8，经过第二收集透镜8后入射至CCD7；经过分光棱镜9的透射光依次经过管镜12、扫描透镜13和二维扫描振镜14，入射至二向色镜4，经过二向色镜4的反射光依次经过滤光片5和第一收集透镜15，通过多模光纤16被光电倍增管6收集。

本实施方式中，所述待测样品11可以是曲面样品，也可以是倾斜平面等带有倾角的样品。

本实施方式中，二维扫描振镜14还可以是任何能够使光束偏转的系统。

本实施方式中，第一收集透镜15的后焦面上设置有针孔。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述激光器1的发射波长为532nm，照明光经过物镜10后光功率小于30mW。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，多模光纤16位于第一收集透镜15的后焦面上。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，待测样品11安装在气浮直线导轨上。

本实施方式中，气浮直线导轨带动待测样品11横向移动，使待测样品11在不同位置时被测量，获得待测样品11的二维轮廓。

具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述基于横向快速扫描共焦测量装置的光学元件表面轮廓测量方法，该测量方法的具体过程为：

步骤1、激光器1发出激光光束，激光光束经过准直器3后形成平行光，平行光经过扫描模块、分光棱镜9和物镜10后，在待测样品11上形成聚焦光斑；

步骤2、待测样品11表面激发出的反射光经过物镜10、分光棱镜9、扫描模块、二向色镜4、滤光片5和第一收集透镜15，被光电倍增管6收集，获得初始位置的电压值；

步骤3、根据电压值获得被测点的横向包络曲线，通过包络解算获得被测点的横向坐标；

步骤4、通过调节扫描模块的二维扫描振镜14，使聚焦光斑在待测样品11的表面产生横向平移，通过光电倍增管6获得当前位置的电压值；

步骤5、根据电压值获得光束横向扫描时所有被测点的横向包络曲线，通过包络解算获得所有被测点的横向坐标，形成表面轮廓扫描成像。