一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置与方法与流程

本发明涉及大口径自由曲面样品表面轮廓的测量技术，具体涉及一种利用扫描透镜作为照明和成像镜头的测量大口径自由曲面样品表面形貌的装置和方法。

背景技术：

随着自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛的应用，精密加工制造行业对测量精度要求也越来越高，大口径自由曲面物体的表面轮廓测量受到越来越多的重视。对此类样品大部分采用两类检测方法，一类是非球面光学元件的检测方法，二是采用接触式测量。但这两类方法，前者不易测量自由度较多、尺寸较大的样品，后者测量速度慢，测量范围小且易损伤样品。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的测量大口径自由曲面的技术不易测量自由度较多、尺寸较大的样品，或测量速度慢、测量范围小且易损伤样品的问题，从而提供一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置与方法。

本发明所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置，包括照明系统、扫描系统和探测系统；

所述照明系统包括激光器、准直镜、光阑和PBS；

所述扫描系统包括一号高速数字扫描振镜、二号高速数字扫描振镜、扫描透镜和三维微位移载物台；

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PBS，由PBS透射的激光依次经所述一号高速数字扫描振镜和二号高速数字扫描振镜反射至所述扫描透镜，扫描透镜将激光聚焦至待测样品，所述待测样品置于三维微位移载物台上；

扫描系统和所述探测系统共用一号高速数字扫描振镜、二号高速数字扫描振镜和扫描透镜；

探测系统和照明系统共用PBS；

探测系统包括扫描透镜、二号高速数字扫描振镜、一号高速数字扫描振镜、PBS、滤光片、收集透镜、多模光纤和PMT；

待测样品表面激发出的荧光经扫描透镜依次透射至二号高速数字扫描振镜和一号高速数字扫描振镜，一号高速数字扫描振镜将荧光反射至PBS，PBS反射荧光，PBS反射的荧光依次经所述滤光片、收集透镜和多模光纤入射至所述PMT。

优选的是，所述扫描透镜的最大视场为50mm×50mm，Z方向最大测量范围为100mm。

优选的是，所述激光器发出的激光的波长为532nm。

优选的是，经所述扫描透镜透射后的激光功率大于0W且小于0.8W。

优选的是，所述扫描透镜的数值孔径小于0.1。

本发明所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量方法，该方法包括以下步骤；

步骤一、在待测样品的表面镀荧光膜；

步骤二、激光器发出的激光经准直镜后形成平行光，所述平行光经光阑入射至PBS，由PBS透射的激光依次经一号高速数字扫描振镜和二号高速数字扫描振镜反射至扫描透镜，扫描透镜将激光聚焦至待测样品；

步骤三、待测样品上的聚焦光斑激发表面荧光膜，其激发的荧光经收集透镜收集，并经多模光纤滤除杂散光，再经由PMT得到轴向响应曲线，根据轴向响应曲线确定待测样品上所测点的位置；

步骤四、三维微位移载物台带动待测样品三维移动；

重复步骤二至步骤四，直至得到待测样品的三维图像，完成测量。

优选的是，完成测量后，还包括将待测样品溶于有机溶剂，清洗荧光膜。

有益效果：本发明能够全貌测量大口径自由曲面物体的表面形貌，与现有技术相比，使用扫描透镜代替传统的物镜作为照明和成像镜头，加以两个高速数字扫描振镜组成的双振镜系统辅助，其扫描速度快，测量范围大，可以实现大口径自由曲面物体的测量。由于无需接触样品表面，因此可以避免对样品表面产生损伤；光路简单，成本低。

本发明适用于测量大口径自由曲面的表面轮廓。尤其适用于测量不对称、不规则、自由度较多的大口径自由曲面的表面轮廓。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置的结构示意图；

图2是具体实施方式六所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量方法的流程图。

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，本实施方式所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置，包括照明系统、扫描系统和探测系统；

所述照明系统包括激光器1、准直镜2、光阑3和PBS4；

所述扫描系统包括一号高速数字扫描振镜5、二号高速数字扫描振镜6、扫描透镜7和三维微位移载物台9；

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PBS4，由PBS4透射的激光依次经所述一号高速数字扫描振镜5和二号高速数字扫描振镜6反射至所述扫描透镜7，扫描透镜7将激光聚焦至待测样品8，所述待测样品8置于三维微位移载物台9上；

扫描系统和所述探测系统共用一号高速数字扫描振镜5、二号高速数字扫描振镜6和扫描透镜7；

探测系统和照明系统共用PBS4；

探测系统包括扫描透镜7、二号高速数字扫描振镜6、一号高速数字扫描振镜5、PBS4、滤光片10、收集透镜11、多模光纤12和PMT13；

待测样品8表面激发出的荧光经扫描透镜7依次透射至二号高速数字扫描振镜6和一号高速数字扫描振镜5，一号高速数字扫描振镜5将荧光反射至PBS4，PBS4反射荧光，PBS4反射的荧光依次经所述滤光片10、收集透镜11和多模光纤12入射至所述PMT13。

一号高速数字扫描振镜5和二号高速数字扫描振镜6构成双振镜系统，一号高速数字扫描振镜的尺寸与光斑大小有关，其尺寸大于光斑直径的2倍，二号高速数字扫描振镜6的尺寸受一号高速数字扫描振镜5的偏转角度及光斑直径影响。采用双振镜系统不仅扫描范围广而且扫描速度快。

本实施方式所述的装置可以提高测量范围，而且可以提高测量速度，不损坏样品表面，同时还可以降低测量成本。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置作进一步说明，本实施方式中，所述扫描透镜7的最大视场为50mm×50mm，Z方向最大测量范围为100mm，Z方向为扫描透镜7的轴向。

本实施方式的扫描透镜6可快速测量不规则、高曲率、大口径自由曲面样品。

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一种大口径自由曲面样品表面轮廓的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。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置作进一步说明，本实施方式中，经所述扫描透镜6透射后的激光功率大于0W且小于0.8W。

入射到待测样品7的激光功率小于800毫瓦级，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。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置作进一步说明，本实施方式中，所述扫描透镜6的数值孔径小于0.1。

扫描透镜6作为物镜使用，当其数值孔径小于0.1时，可以很大程度上提高测量的效率、扩大测量范围。

具体实施方式六：结合图2具体说明本实施方式，基于具体实施方式一所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤；

步骤一、在待测样品8的表面镀荧光膜；

步骤二、激光器1发出的激光经准直镜2后形成平行光，所述平行光经光阑3入射至PBS4，由PBS4透射的激光依次经一号高速数字扫描振镜5和二号高速数字扫描振镜6反射至扫描透镜7，扫描透镜7将激光聚焦至待测样品8；

步骤三、待测样品8上的聚焦光斑激发表面荧光膜，其激发的荧光经收集透镜11收集，并经多模光纤12滤除杂散光，再经由PMT13得到轴向响应曲线，根据轴向响应曲线确定待测样品8上所测点的位置；

步骤四、三维微位移载物台9带动待测样品8三维移动；

重复步骤二至步骤四，直至得到待测样品的三维图像，完成测量。

完成测量后，还包括将待测样品8溶于有机溶剂，清洗有机荧光膜。

激光器发出激光，经过准直镜和光阑之后形成平行光，再经过偏振分束器PBS、一号高速数字扫描振镜5、二号高速数字扫描振镜6和扫描透镜透射后在镀膜的样品上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发样品表面的荧光膜发出荧光；荧光膜激发出的荧光经过PMT(光电倍增管)收集后，通过轴向响应曲线顶点位置来确定待测样品8上所测点的位置；三维移动待测样品8，得到三维图像。清洗荧光膜，恢复待测样品镀膜前的状态。本实施方式的方法不损伤样品表面，实现无损测量。

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。