本發(fā)明涉及一種基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法，屬于光學精密測量技術領域。

背景技術：

基于共聚焦顯微原理的輪廓掃描儀被廣泛地應用于大口徑光學元件的測量。但是由于數(shù)據(jù)解析時間的限制，現(xiàn)有大口徑光學元件的共聚焦輪廓測量方法采用步進掃描解析的方式來提取大口徑光學元件的輪廓，而采用步進掃描解析的方式降低了該方法的測量效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有大口徑光學元件的共聚焦輪廓測量方法的效率低的問題，提出了一種基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法。

本發(fā)明所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法基于大口徑光學元件母線輪廓測量裝置實現(xiàn)；

所述裝置包括共聚焦顯微單元1、氣浮平臺2和數(shù)據(jù)處理單元3；

聚焦顯微單元1包括激光器5、二向色鏡6、物鏡7、會聚透鏡8和光電探測器9；

待測大口徑光學元件4的受光面上設置有熒光膜，待測大口徑光學元件4固定設置在氣浮平臺2上；

激光器5發(fā)射的激光經(jīng)二向色鏡6的反射和物鏡7的聚光入射至待測大口徑光學元件4的受光面上，并在熒光膜上形成聚焦光斑，熒光膜上聚焦光斑處的激發(fā)光經(jīng)物鏡7的準直、二向色鏡6的透射和會聚透鏡8的聚光入射至光電探測器9的光信號接收端，光電探測器9的電信號輸出端與數(shù)據(jù)處理單元3的電信號輸入端相連；

數(shù)據(jù)處理單元3包括復合軸向包絡響應曲線生成模塊和動態(tài)復合運動模型模塊；

復合軸向包絡響應曲線生成模塊用于根據(jù)光電探測器9發(fā)來的電信號生成復合軸向包絡響應曲線，動態(tài)復合運動模型模塊用于根據(jù)復合軸向包絡響應曲線計算得到待測大口徑光學元件4的母線輪廓；

所述方法包括：

步驟一、建立三維直角坐標系，該三維直角坐標系的Z軸為待測大口徑光學元件4的矢高方向，X軸為Z軸方向光源下所述母線在氣浮平臺2上表面上的投影的長度方向；

步驟二、使激光器5發(fā)射的激光經(jīng)二向色鏡6的反射和物鏡7的聚光后沿Z軸方向入射至所述母線的一端并形成聚焦光斑；

步驟三、控制氣浮平臺2沿著X軸方向單向連續(xù)移動，使所述聚焦光斑沿著所述母線移動至所述母線的另一端；

步驟四、在實施步驟三的同時，激光器5自其初始位置沿Z軸方向以預設的位移朝向待測大口徑光學元件4做周期性的往返運動，當步驟三結束時，激光器5回到其初始位置；

步驟五、復合軸向包絡響應曲線生成模塊根據(jù)光電探測器9發(fā)來的電信號生成復合軸向包絡響應曲線；

步驟六、動態(tài)復合運動模型模塊根據(jù)復合軸向包絡響應曲線計算得到待測大口徑光學元件4的母線輪廓。

本發(fā)明所述的方法基于所述大口徑光學元件母線輪廓測量裝置對大口徑光學元件的母線輪廓進行測量，在測量過程中，氣浮平臺沿著X軸方向單向連續(xù)移動，使所述聚焦光斑沿著所述母線移動至所述母線的另一端，實現(xiàn)了X軸方向上的連續(xù)掃描和X、Z軸的動態(tài)復合掃描，替代了現(xiàn)有大口徑光學元件的共聚焦輪廓測量方法所采用的步進掃描。本發(fā)明所述的方法通過復合軸向包絡響應曲線生成模塊生成復合軸向包絡響應曲線，通過動態(tài)復合運動模型模塊根據(jù)復合軸向包絡響應曲線計算得到待測大口徑光學元件的母線輪廓，能夠大幅度地提升掃描速度，提高測量效率。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法進行更詳細的描述，其中：

圖1為實施例提及的大口徑光學元件母線輪廓測量裝置的結構示意圖；

圖2為實施例提及的現(xiàn)有基于共聚焦顯微原理的輪廓掃描儀的步進掃描模式下的共焦軸向包絡曲線圖；

圖3A為實施例提及的現(xiàn)有基于共聚焦顯微原理的輪廓掃描儀的步進掃描模式下的待測大口徑光學元件的X軸位移示意圖，t1至t5均為時刻；

圖3B為實施例提及的現(xiàn)有基于共聚焦顯微原理的輪廓掃描儀的步進掃描模式下的共聚焦顯微單元的Z軸位移示意圖；

圖4A為實施例提及的大口徑光學元件母線輪廓測量裝置的連續(xù)掃描模式下的待測大口徑光學元件的X軸位移示意圖，X_P為Z軸方向光源下待測大口徑光學元件的母線在氣浮平臺上表面上的投影的長度；

圖4B為實施例提及的大口徑光學元件母線輪廓測量裝置的連續(xù)掃描模式下的共聚焦顯微單元的Z軸位移示意圖，Z_P為預設的位移；

圖5為實施例提及的大口徑光學元件母線輪廓測量裝置的光路示意圖，其中實線光線為激光器的出射光，虛線光線為熒光膜的激發(fā)光。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法作進一步說明。

實施例一：下面結合圖1至圖5詳細地說明本實施例。

本實施例所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法基于大口徑光學元件母線輪廓測量裝置實現(xiàn)；

所述裝置包括共聚焦顯微單元1、氣浮平臺2和數(shù)據(jù)處理單元3；

聚焦顯微單元1包括激光器5、二向色鏡6、物鏡7、會聚透鏡8和光電探測器9；

待測大口徑光學元件4的受光面上設置有熒光膜，待測大口徑光學元件4固定設置在氣浮平臺2上；

激光器5發(fā)射的激光經(jīng)二向色鏡6的反射和物鏡7的聚光入射至待測大口徑光學元件4的受光面上，并在熒光膜上形成聚焦光斑，熒光膜上聚焦光斑處的激發(fā)光經(jīng)物鏡7的準直、二向色鏡6的透射和會聚透鏡8的聚光入射至光電探測器9的光信號接收端，光電探測器9的電信號輸出端與數(shù)據(jù)處理單元3的電信號輸入端相連；

數(shù)據(jù)處理單元3包括復合軸向包絡響應曲線生成模塊和動態(tài)復合運動模型模塊；

復合軸向包絡響應曲線生成模塊用于根據(jù)光電探測器9發(fā)來的電信號生成復合軸向包絡響應曲線，動態(tài)復合運動模型模塊用于根據(jù)復合軸向包絡響應曲線計算得到待測大口徑光學元件4的母線輪廓；

所述方法包括：

步驟一、建立三維直角坐標系，該三維直角坐標系的Z軸為待測大口徑光學元件4的矢高方向，X軸為Z軸方向光源下所述母線在氣浮平臺2上表面上的投影的長度方向；

步驟二、使激光器5發(fā)射的激光經(jīng)二向色鏡6的反射和物鏡7的聚光后沿Z軸方向入射至所述母線的一端并形成聚焦光斑；

步驟三、控制氣浮平臺2沿著X軸方向單向連續(xù)移動，使所述聚焦光斑沿著所述母線移動至所述母線的另一端；

步驟四、在實施步驟三的同時，激光器5自其初始位置沿Z軸方向以預設的位移朝向待測大口徑光學元件4做周期性的往返運動，當步驟三結束時，激光器5回到其初始位置；

步驟五、復合軸向包絡響應曲線生成模塊根據(jù)光電探測器9發(fā)來的電信號生成復合軸向包絡響應曲線；

步驟六、動態(tài)復合運動模型模塊根據(jù)復合軸向包絡響應曲線計算得到待測大口徑光學元件4的母線輪廓。

圖2為現(xiàn)有基于共聚焦顯微原理的輪廓掃描儀的步進掃描模式下的共焦軸向包絡曲線圖，共焦軸向包絡曲線的表達形式如下：

I(u)＝sinc²[u/(2π)] (1)

u＝4kz_s sin²(α/2) (2)

其中，I(u)為共焦軸向包絡值，u為共焦軸上的點值，sinc²為LabVIEW程序的擬合函數(shù)，k為常數(shù)，z_s為大口徑光學元件上被測點的Z軸數(shù)據(jù)，現(xiàn)有基于共聚焦顯微原理的輪廓掃描儀的激光發(fā)射端和激發(fā)光接收端的前端均設置有聚光物鏡，α為數(shù)值孔徑較小的聚光物鏡的數(shù)值孔徑；

如公式(1)和公式(2)所示，u為z_s的函數(shù)，而本實施例所述的方法采用X-Z軸的動態(tài)復合掃描方式對大口徑光學元件進行測量，因此本實施例中的復合軸向包絡響應曲線生成模塊生成的復合軸的點值u₁為Z軸數(shù)據(jù)z_s和X軸數(shù)據(jù)x_s的復合函數(shù)，因此動態(tài)復合運動模型模塊利用MATLAB建立動態(tài)復合運動模型，由復合包絡實時解算出位置信息，由于不需要步進等待解算，大大縮短了掃描時間。

現(xiàn)有基于共聚焦顯微原理的輪廓掃描儀的步進掃描模式如圖3A和圖3B所示，本實施例的大口徑光學元件母線輪廓測量裝置的連續(xù)掃描模式如圖4A和圖4B所示。

在本實施例中，激光器的發(fā)射波長為532nm，激光器發(fā)射的激光經(jīng)物鏡聚光后，其光功率小于80mW，本實施例所述的方法用于測量的大口徑光學元件的母線不超過180mm。

實施例二：下面結合圖5詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例一所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法作進一步的限定。

本實施例所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法，在激光器5與二向色鏡6之間依次設置有準直鏡10和光闌11，準直鏡10用于將激光器5發(fā)射的激光準直為平行光，所述平行光經(jīng)光闌11的通光孔入射至二向色鏡6的反射面。

實施例三：下面結合圖5詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例二所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法作進一步的限定。

本實施例所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法，在二向色鏡6與會聚透鏡8之間設置有可調(diào)濾光片12，在會聚透鏡8與光電探測器9之間設置有表面帶有微孔的隔光板13，經(jīng)會聚透鏡8聚光后的激發(fā)光經(jīng)隔光板13上的微孔入射至光電探測器9的光信號接收端。

實施例四：本實施例是對實施例一所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法作進一步的限定。

本實施例所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法，復合軸向包絡響應曲線生成模塊基于LabVIEW軟件實現(xiàn)。

實施例五：本實施例是對實施例四所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法作進一步的限定。

本實施例所述的基于共聚焦顯微原理的大口徑光學元件母線輪廓測量方法，動態(tài)復合運動模型模塊基于MATLAB軟件實現(xiàn)。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應該理解的是，這些實施例僅是本發(fā)明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，并且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應該理解的是，可以通過不同于原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。