本发明专利技术公开了一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，包括线偏振激光源模块、物镜、分光器模块、自聚焦伺服模块、离焦量测量模块、角度测量模块和机架；本发明专利技术通过将一束能量呈高斯分布的线偏振激光聚焦到被测表面上，从反射光中提取被测表面的离焦量并以此作为自聚焦伺服单元的反馈信号实现自动聚焦，同时在对焦的过程中完成对被测面倾角的测量，有效消除了表面倾角对探头灵敏度的影响；能够通过测得的离焦量消除伺服跟踪误差造成的形貌测量误差，实现了纳米级的精度和毫米级的量程，本发明专利技术结合高精度运动机构能够实现对自由曲面轮廓的精密扫描测量。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，包括线偏振激光源模块、物镜、分光器模块、自聚焦伺服模块、离焦量测量模块、角度测量模块和机架；本专利技术通过将一束能量呈高斯分布的线偏振激光聚焦到被测表面上，从反射光中提取被测表面的离焦量并以此作为自聚焦伺服单元的反馈信号实现自动聚焦，同时在对焦的过程中完成对被测面倾角的测量，有效消除了表面倾角对探头灵敏度的影响；能够通过测得的离焦量消除伺服跟踪误差造成的形貌测量误差，实现了纳米级的精度和毫米级的量程，本专利技术结合高精度运动机构能够实现对自由曲面轮廓的精密扫描测量。【专利说明】用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头
本专利技术涉及形貌测量领域，尤其涉及一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头。
技术介绍
现代光学技术的迅猛发展，对光学零件提出了越来越高的要求，如高分辨率对地观测光学系统、光刻机物镜、激光核聚变光学系统中，不但要求光学零件具有高的面形精度，面形也越来越复杂，传统的球面光学元件已经无法满足要求，于此同时，某些场合要求系统小巧轻便，而传统的球面光学元件往往需要构建透镜组，使得结构十分复杂臃肿。由于非球面和自由曲面光学系统的设计具有更大的灵活性，能够在矫正像差、改善像质、扩大视场和增大作用距离的同时，有效简化系统的结构，减轻系统的质量，因此在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。随着现代超精密加工工艺的不断进步，单点金刚石切削或精密磨削等技术可以直接加工面型复杂的非球面或自由曲面。但是与先进的加工技术对应的检测技术还相对薄弱，精密的轮廓检测手段的缺乏，在很大程度上制约了超精密加工技术在光学领域的应用。目前使用的检测手段还是以接触式的轮廓仪为主，例如日本松下公司的UA3P和Canon公司的CSSP等，这种接触式的仪器虽然有较高的精度，但是有可能损伤被测表面而且检测速度慢，对于大尺寸高精度的光学元件来说，接触式测量方法显然不能满足要求。要达到不损伤表面，并获得高测量效率，必须采用非接触式的方法。但是现有的非接触式轮廓仪大多只适合于测量平面或球面，如Fizeau型激光干涉仪等，对于非球面或自由曲面，现有的轮廓仪大多需要采用拼接等方法，这样以来仪器操作繁琐，数据处理困难，且适用性有限，无法测量偏离球面较大的非球面。因此，开发一款满足下列要求的高精度轮廓仪具有十分重要的意义:(1)高精度，(2)通用性，(3)非接触，(4)测量范围大，(5)测量效率高。目前市面上还很少有满足上述要求的测量仪，现有的为数不多的非接触轮廓测量仪中最先进的当数荷兰应用科学研究院开发的NAN0MEF0S，该系统采用了非接触式光学探头，并用干涉测量法和电容式传感器十分精确的检测探头和被测面的相对位置，可以实现直径500_的非球面或自由曲面的非接触式测量，测量的不确定度为30nm。但是这套系统十分庞大复杂，而且十分昂贵，不适于生产线使用。搭建一套高精度的适用于自由曲面轮廓测量的系统，测量探头是最为关键的部分之一，要实现大范围的精密或超精密无损测量，探头需要是非接触式的，且探头的分辨率需要达到纳米级，测量范围要达到毫米级，扫描探针(SPM或AFM等)或干涉探头等是无法满足这一要求的。目前市面上的光学位移传感器虽然可以做到纳米级的分辨率，但是量程远远不够，而且高精度和大量程往往不能兼顾，这是无法用于高精度形貌测量的，因此研发一种能够兼顾高精度和大量程的探头对于光学元件的形貌测量具有十分重要的意义，也是十分迫切的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的:一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，包括线偏振激光源模块、物镜、分光器模块、自聚焦伺服模块、离焦量测量模块、角度测量模块和机架；其中，所述线偏振激光源模块包括半导体激光器、第一光纤耦合器、单模光纤、第二光纤稱合器、光纤准直器和偏振器；分光器模块包括偏振分光棱镜、1/4 λ玻片、转向镜和非偏振分光棱镜；自聚焦伺服模块包括音圈电机、超精密导轨及滑块、光栅尺及光栅尺读数头、聚焦控制器、音圈电机驱动器，其中，音圈电机由线圈和磁钢组成；离焦量测量模块包括第一双胶合透镜和四象限光电探测器；角度测量模块包括由第二双胶合透镜、第三双胶合透镜构成的双胶合透镜组和位置敏感探测器； 所述位置敏感探测器、第三双胶合透镜、第二双胶合透镜、第一双胶合透镜、转向镜、非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4 λ玻片、超精密导轨、磁钢、光栅尺读数头、音圈电机驱动器，偏振器、第二光纤稱合器、光纤准直器、单模光纤、第一光纤稱合器、半导体激光器、聚焦控制器、四象限光电探测器均固定于机架上；所述半导体激光器与第一光纤耦合器相连，单模光纤的一端与第一光纤耦合器相连，另一端与第二光纤耦合器相连，半导体激光器输出的光通过第一光纤耦合器耦合到单模光纤中，再通过第二光纤耦合器输入到光纤准直器中，光束经光纤准直器准直后经过偏振器成为S偏振光，S偏振光被偏振分光棱镜反射,经过1/4λ玻片后,S偏振光变为圆偏振光,光束经过物镜后汇聚于一点,若被测表面光滑,光束被反射回物镜中，并再次经过1/4λ玻片，圆偏振光变为P偏振光,光束透射过偏振分光棱镜后被非偏振分光棱镜分为两束光，一束光被第一双胶合透镜汇聚于四象限光电传感器上，另一束光经过转向镜后方向发生度旋转并入射到由第二双胶合透镜和第三双胶合透镜构成的透镜组中，第二双胶合透镜和第三双胶合透镜的焦点重合，通过透镜组的光垂直入射到位置敏感探测器上； 四象限光电传感器与聚焦控制器相连，聚焦控制器与音圈电机驱动器相连，物镜、线圈和光栅尺固定在滑块上；聚焦控制器输出与离焦量成线性关系的信号驱动音圈电机驱动器，音圈电机驱动器驱动音圈电机的线圈产生磁场，该磁场与磁钢产生的恒定磁场相互作用产生推力推动线圈和滑块沿超精密导轨直线运动。进一步地，所述物镜为无限远校正的平场消色差金相显微物镜。进一步地，所述半导体激光器的输出功率为20mW，波长为635nm ;所述光纤准直器为固定焦距非球面光纤准直器；所述偏振器为消光比大于1000:1的复合薄膜偏振片。进一步地，所述偏振分光棱镜的消光比大于1000:1;所述1/4λ玻片为零级1/4 λ玻片；所述非偏振分光棱镜为50:50非偏振分光棱镜；所述转向镜为保护银镀膜且反射率大于97.5%的转向镜。进一步地，所述光栅尺及光栅尺读数头分辨率为20nm ;所述聚焦控制器为积分分离式PID控制器；所述音圈电机驱动器为COPLEY电机驱动器。进一步地，所述角度测量模块利用双胶合透镜组使光束垂直入射到位置敏感探测器上，并利用如下所述的角度测量算法得到待测表面的倾角: (I)同时记录四象限光电探测器和位置敏感探测器的输出量；(2)在自动对焦的过程中，物镜的焦点在待测表面上下运动，当焦点正好位于待测表面时，四象限光电探测器的输出为零，且此时位置敏感探测器的输出只与倾角有关，提取四象限光电探测器输出为零的点对应的位置敏感探测器的输出量Fx和Fy ； (3)根据步骤(2)得到的位置敏感探测器的输出量Fx和Fy，反推待测表面的倾角，即待测表面在四象限光电探测器输出为零的点处的单位法向量(a，b，C)，其与Fx和Fy的关系如下本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，其特征在于，包括线偏振激光源模块、物镜（12）、分光器模块、自聚焦伺服模块、离焦量测量模块、角度测量模块和机架（27）；其中，所述线偏振激光源模块包括半导体激光器（24）、第一光纤耦合器（23）、单模光纤（22）、第二光纤耦合器（20）、光纤准直器（21）和偏振器（19）；分光器模块包括偏振分光棱镜（7）、1/4λ玻片（8）、转向镜（5）和非偏振分光棱镜（6）；自聚焦伺服模块包括音圈电机、超精密导轨（9）及滑块（10）、光栅尺（16）及光栅尺读数头（17）、聚焦控制器（25）、音圈电机驱动器（18），其中，音圈电机由线圈（11）和磁钢（15）组成；离焦量测量模块包括第一双胶合透镜（4）和四象限光电探测器（26）；角度测量模块包括由第二双胶合透镜（3）、第三双胶合透镜（2）构成的双胶合透镜组和位置敏感探测器（1）；所述位置敏感探测器（1）、第三双胶合透镜（2）、第二双胶合透镜（3）、第一双胶合透镜（4）、转向镜（5）、非偏振分光棱镜（6）、偏振分光棱镜（7）、1/4λ玻片（8）、超精密导轨（9）、磁钢（15）、光栅尺读数头（17）、音圈电机驱动器（18），偏振器（19）、第二光纤耦合器（20）、光纤准直器（21）、单模光纤（22）、第一光纤耦合器（23）、半导体激光器（24）、聚焦控制器（25）、四象限光电探测器（26）均固定于机架（27）上；所述半导体激光器（24）与第一光纤耦合器（23）相连，单模光纤（22）的一端与第一光纤耦合器（23）相连，另一端与第二光纤耦合器（20）相连，半导体激光器（24）输出的光通过第一光纤耦合器（23）耦合到单模光纤（21）中，再通过第二光纤耦合器（20）输入到光纤准直器（21）中，光束经光纤准直器（21）准直后经过偏振器（19）成为S偏振光，S偏振光被偏振分光棱镜（7）反射，经过1/4λ玻片（8）后，S偏振光变为圆偏振光，光束经过物镜（12）后汇聚于一点，若被测表面光滑，光束被反射回物镜（12）中，并再次经过1/4λ玻片（8），圆偏振光变为P偏振光，光束透射过偏振分光棱镜（7）后被非偏振分光棱镜（6）分为两束光，一束光被第一双胶合透镜（4）汇聚于四象限光电传感器（26）上，另一束光经过转向镜（5）后方向发生90度旋转并入射到由第二双胶合透镜（3）和第三双胶合透镜（2）构成的透镜组中，第二双胶合透镜（3）和第三双胶合透镜（2）的焦点重合，通过透镜组的光垂直入射到位置敏感探测器（1）上；四象限光电传感器（26）与聚焦控制器（25）相连，聚焦控制器（25）与音圈电机驱动器（18）相连，物镜（12）、线圈（11）和光栅尺（16）固定在滑块（10）上；聚焦控制器（25）输出与离焦量成线性关系的信号驱动音圈电机驱动器（18），音圈电机驱动器（18）驱动音圈电机的线圈（11）产生磁场，该磁场与磁钢（15）产生的恒定磁场相互作用产生推力推动线圈（11）和滑块（10）沿超精密导轨（9）直线运动。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：居冰峰，杜慧林，孙安玉，孙泽青，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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