基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置與方法，所述裝置由共焦顯微模塊、直線運(yùn)動平臺模塊和被測樣品構(gòu)成，所述的共焦顯微模塊的照明模塊按照照明光傳播方向依次為：激光器、準(zhǔn)直鏡、光闌、分光棱鏡和物鏡；探測模塊按照信號光傳播方向依次為：物鏡、分光棱鏡、濾光片、收集透鏡、針孔和光電探測器；所述的照明模塊、探測模塊共用物鏡與分光棱鏡；所述的直線運(yùn)動平臺模塊為氣浮直線導(dǎo)軌；所述的被測樣品為非球面諧衍射元件的待測樣品。本發(fā)明首次通過共焦技術(shù)進(jìn)行大口徑諧衍射元件輪廓測量，提出了曲面基底臺階高度計算方法，不僅擬合精度高，而且可以進(jìn)行對宏微結(jié)合的復(fù)雜面形的測量。
【專利說明】
基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置與 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種利用共焦顯微技術(shù)測量大口徑非球 面諧衍射樣品表面輪廓的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的性能提升依賴于光學(xué)元器件的發(fā)展。衍射光學(xué)元件其表面具有豐 富的結(jié)構(gòu)特征，具有負(fù)色散、負(fù)熱差的特性，為光學(xué)系統(tǒng)提供了更多的設(shè)計自由度，因此被 廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)，尤其是紅外光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中。非球面基底諧衍射元件是在非球 面上設(shè)計諧衍射面，其母線輪廓是宏觀的非球面上疊加微米級臺階而形成的離散曲線，因 此干設(shè)測量法不適合測量此類樣品。非球面基底諧衍射元件是回轉(zhuǎn)對稱加工而成，目前用 來測量此類元件輪廓的成熟的產(chǎn)品原理是機(jī)械觸針法。機(jī)械觸針式測量法測量速度快、測 量精度較高，技術(shù)比較成熟，但是機(jī)械觸針法的橫向分辨力不高、受限于觸針大小，并且機(jī) 械觸針容易劃傷光學(xué)元件表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射 樣品測量裝置與方法，從非球面基底諧衍射元件的自身輪廓特點出發(fā)，W共焦掃描原理作 為測量手段，研究了曲面基底臺階高度算法，實現(xiàn)了對非球面基底諧衍射光學(xué)元件母線輪 廓的非接觸無損測量。
[0004] 本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實現(xiàn)的：
[0005] -種基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置，包括共焦顯微模 塊、直線運(yùn)動平臺模塊和被測樣品，其中：
[0006] 所述的共焦顯微模塊由照明模塊和探測模塊兩部分構(gòu)成；
[0007] 所述的照明模塊按照照明光傳播方向依次為:激光器、準(zhǔn)直鏡、光闊、分光棱鏡和 物鏡；
[000引所述的探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡、分光棱鏡、濾光片、收集透鏡、 針孔和光電探測器；
[0009] 所述的照明模塊、探測模塊共用物鏡與分光棱鏡；
[0010] 所述的直線運(yùn)動平臺模塊為氣浮直線導(dǎo)軌；
[0011] 所述的照明模塊中激光器發(fā)出激光光束，激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡之后形成平行光， 再經(jīng)過分光棱鏡反射和物鏡透射后，在被測樣品上形成聚焦光斑；
[0012] 所述的被測樣品表面反射的光束依次經(jīng)過物鏡、分光棱鏡、濾光片、收集透鏡和針 孔后，被光電探測器收集；
[0013] 所述的氣浮直線導(dǎo)軌帶動被測樣品橫向移動，使被測樣品不同位置被測量，得到 被測樣品的二維輪廓；
[0014] 所述的被測樣品為非球面諧衍射元件的待測樣品。
[0015] -種利用上述基于共焦顯微技術(shù)的非球面諧衍射樣品測量裝置測量非球面諧衍 射樣品的方法，采用多項式回歸算法計算曲面基底臺階高度，采用Le venberg-Mar quard t算 法擬合非球面基底參數(shù)，具體實施步驟如下：
[0016] 步驟a、激光器發(fā)出激發(fā)光，激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡之后形成平行光，平行光束經(jīng) 過分光棱鏡反射和物鏡透射后在被測樣品上形成聚焦光斑；
[0017] 步驟b、聚焦光斑反射經(jīng)過物鏡、分光棱鏡、濾光片、收集透鏡和針孔后，被光電探 測器收集，通過軸向響應(yīng)曲線頂點位置來確定被測樣品表面位置；
[0018] 步驟C、氣浮直線導(dǎo)軌帶動被測樣品二維移動，形成表面輪廓掃描成像；
[0019] 步驟d、采用多項式回歸算法計算曲面基底臺階高度，提取非球面基底，擬合出最 后樣品的非球面曲線；
[0020] 步驟日、對分離臺階后的非球面基底數(shù)據(jù)采用Levenberg-Marquar化算法進(jìn)行非球 面擬合，得到被測元件輪廓曲線及輪廓誤差。
[0021 ]本發(fā)明具有如下有益效果：
[0022] 1、本發(fā)明首次通過共焦技術(shù)進(jìn)行大口徑諧衍射元件輪廓測量，提出了曲面基底臺 階高度計算方法，不僅擬合精度高，而且可W進(jìn)行對宏微結(jié)合的復(fù)雜面形的測量。
[0023] 2、本發(fā)明能夠測量非球面諧衍射元件表面二維輪廓同時對局部臺階部位進(jìn)行Ξ 維輪廓掃描，同現(xiàn)有方法相比，由于無需結(jié)合機(jī)械掃描與多角度探測器技術(shù)，因此可W避免 機(jī)械掃描與多角度探測器技術(shù)帶來的不確定度，提高測量精度。
[0024] 3、由于省略了機(jī)械掃描裝置或多探測器，采用光學(xué)非接觸式測量方法，因此又避 免了對被測樣品的損傷。
【附圖說明】
[0025] 圖1為大口徑非球面諧衍射樣品輪廓測量裝置；
[0026] 圖2為本發(fā)明基于共焦顯微技術(shù)的非球面諧衍射元件測量裝置中共焦顯微模塊結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明基于共焦顯微技術(shù)的非球面諧衍射元件測量方法流程圖；
[00%]圖4為非球面諧衍射元件的輪廓測量數(shù)據(jù)。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
【具體實施方式】 [0030] 一：如圖1和2所示，本實施方式提供的基于共焦顯微技術(shù)的光滑大 曲率樣品測量裝置包括共焦顯微模塊A、直線運(yùn)動平臺模塊B和被測樣品7,其中：
[0031] 所述的共焦顯微模塊A由照明模塊和探測模塊兩部分構(gòu)成；
[0032] 所述的照明模塊按照照明光傳播方向依次為:激光器1、準(zhǔn)直鏡3、光闊4、分光棱鏡 5和物鏡6;
[0033] 所述的探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡6、分光棱鏡5、濾光片9、收集透 鏡10、針孔11和光電探測器12;
[0034] 所述的照明模塊、探測模塊共用物鏡6與分光棱鏡5;
[0035] 所述的直線運(yùn)動平臺模塊B為氣浮直線導(dǎo)軌8;
[0036] 所述的照明模塊中激光器1發(fā)出激光光束2,激光光束2經(jīng)過準(zhǔn)直鏡3之后形成平行 光，再經(jīng)過分光棱鏡5反射和物鏡6透射后，在被測樣品7上形成聚焦光斑；
[0037] 所述的被測樣品7表面激發(fā)出的反射光依次經(jīng)過物鏡6、分光棱鏡5、濾光片9、收集 透鏡10和針孔11后，被光電探測器12收集；
[0038] 所述的氣浮直線導(dǎo)軌8帶動被測樣品7橫向移動，使被測樣品7不同位置被測量，得 到被測樣品7的二維輪廓；
[0039] 所述的被測樣品7為非球面諧衍射元件的待測樣品。
[0040] 本實施方式中，所述的激光器1發(fā)射波長范圍為532nm，照明光經(jīng)過物鏡后光功率 小于lOOmW。
[0041] 本實施方式中，所述的針孔11位于收集透鏡10的后焦面上。
[0042] 本實施方式中，所述的被測樣品7 口徑最大為120mm，失高最大為12mm。
【具體實施方式】 [0043] 二:本實施方式提供了一種基于共焦技術(shù)的非球面諧衍射元件測量 方法，用于非球面諧衍射元件的表面輪廓。如圖3所示，具體實施步驟如下：
[0044] 步驟a、本實施方式選擇的被測樣品7是非球面基底諧衍射元件，其母線輪廓是宏 觀的非球面上疊加微米級臺階而形成的離散曲線的特殊衍射原件；
[0045] 步驟b、激光器1發(fā)出激發(fā)光，激光光束2經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡3之后形成平行光，平行光束 經(jīng)過分光棱鏡5反射和物鏡6透射后在被測樣品7上形成聚焦光斑；
[0046] 步驟C、聚焦光斑反射經(jīng)過光電探測器12收集后，通過軸向響應(yīng)曲線頂點位置來確 定被測樣品7的表面位置；
[0047] 步驟d、氣浮直線導(dǎo)軌8帶動被測樣品7二維移動，形成表面輪廓掃描成像；
[0048] 步驟e、非球面諧衍射元件是非球面基底上疊加臺階項而形成的特殊的宏微結(jié)合 的復(fù)雜輪廓，運(yùn)里我們采用多項式回歸計算法計算曲面基底臺階高度，提取非球面基底。
[0049] 對于一實際非球面諧衍射元件的輪廓測量數(shù)據(jù)如圖4所示，其非球面基底加工公 式為：
[(K)加 ]
[0051] 式中，Z1為非球面失高，C為非球面頂點曲率，k為二次曲線常數(shù)，A、B為非球面高次 項系數(shù)，Pi、P2為衍射表面系數(shù)。
[0052] 首先，選取臺階附近上下表面穩(wěn)定的數(shù)據(jù)測量點，采用多項式回歸法計算臺階高 度，其公式為：
[0化3] z = ao+aix+a巧2+...+anxn+h · 5。
[0化4] 其中，ao，ai，日2......an和h是待定參數(shù)，ao，ai，日2......日。為多項式系數(shù)，2h為臺階高 度。在臺階下表面δ = + 1，在臺上表面δ = -1。計算時采用二次多項式回歸計算，得到的環(huán)帶 臺階高度如表1所示。然后用各個環(huán)帶面減去相應(yīng)的臺階高度，得到連續(xù)的非球面基底。
[0055] 表1環(huán)帶臺階計算結(jié)果(μηι)
[0化6]
[0057] 步驟f、對分離臺階后的非球面基底數(shù)據(jù)采用Levenberg-Marquar化算法進(jìn)行非球 面擬合，得到的結(jié)果見表2。
[0058] 表巧巧求面系數(shù)擬合結(jié)果 [0化9]
【主權(quán)項】
1. 一種基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置，其特征在于所述裝置 由共焦顯微模塊、直線運(yùn)動平臺模塊和被測樣品構(gòu)成，其中： 所述的共焦顯微模塊由照明模塊和探測模塊兩部分構(gòu)成； 所述的照明模塊按照照明光傳播方向依次為:激光器、準(zhǔn)直鏡、光闌、分光棱鏡和物鏡； 所述的探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡、分光棱鏡、濾光片、收集透鏡、針孔 和光電探測器； 所述的照明模塊、探測模塊共用物鏡與分光棱鏡； 所述的直線運(yùn)動平臺模塊為氣浮直線導(dǎo)軌； 所述的照明模塊中激光器發(fā)出激光光束，激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡之后形成平行光，再經(jīng) 過分光棱鏡反射和物鏡透射后，在被測樣品上形成聚焦光斑； 所述的被測樣品表面反射的光束依次經(jīng)過物鏡、分光棱鏡、濾光片、收集透鏡和針孔 后，被光電探測器收集； 所述的氣浮直線導(dǎo)軌帶動被測樣品橫向移動，使被測樣品不同位置被測量，得到被測 樣品的二維輪廓； 所述的被測樣品為非球面諧衍射元件的待測樣品。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置，其 特征在于所述的激光器發(fā)射波長范圍為532nm，照明光經(jīng)過物鏡后光功率小于lOOmW。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置，其 特征在于所述的針孔位于收集透鏡的后焦面上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置，其 特征在于所述的被測樣品口徑最大為120mm，失高最大為12mm。5. -種利用權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍 射樣品測量裝置測量非球面諧衍射樣品的方法，其特征在于所述方法步驟如下： 步驟a、激光器發(fā)出激發(fā)光，激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡之后形成平行光，平行光束經(jīng)過分 光棱鏡反射和物鏡透射后在被測樣品上形成聚焦光斑； 步驟b、聚焦光斑反射經(jīng)過物鏡、分光棱鏡、濾光片、收集透鏡和針孔后，被光電探測器 收集，通過軸向響應(yīng)曲線頂點位置來確定被測樣品表面位置； 步驟c、氣浮直線導(dǎo)軌帶動被測樣品二維移動，形成表面輪廓掃描成像； 步驟d、采用多項式回歸算法計算曲面基底臺階高度，提取非球面基底； 步驟e、對分離臺階后的非球面基底數(shù)據(jù)采用Levenberg-Marquardt算法進(jìn)行非球面擬 合，得到被測元件輪廓曲線及輪廓誤差。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用基于共焦顯微技術(shù)的大口徑非球面諧衍射樣品測量裝置 測量非球面諧衍射樣品的方法，其特征在于所述步驟d的具體步驟如下： 首先選取臺階附近上下表面穩(wěn)定的數(shù)據(jù)測量點，采用多項式回歸法計算臺階高度，其 公式為： z = ao+aix+a2X2+---+anxn+h · δ, 式中，ao，ai，a2......an為多項式系數(shù)，2h為臺階高度，在臺階下表面δ =+1，在臺上表面δ =-1，計算時采用二次多項式回歸計算，得到環(huán)帶臺階高度； 然后用各個環(huán)帶面減去相應(yīng)的臺階高度，得到連續(xù)的非球面基底。
【文檔編號】G01B11/24GK105823433SQ201610273360
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】劉儉, 譚久彬, 谷康, 王宇航, 牛斌
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)