激光共聚焦测高系统及测高方法技术方案

本发明专利技术涉及精密光学仪器测量系统技术领域，公开了一种激光共聚焦测高系统，包括共聚焦直线光路和激光光源，在所述激光光源与其后侧的照明后镜组之间设置双孔模块，所述双孔模块包括并排布置的第二分光棱镜和第三分光棱镜，所述第三分光棱镜的分光面与第二分光棱镜的分光面在激光光路的法向面上翻转90度，在第三分光棱镜的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT和负离焦测试PMT，在正离焦测试PMT的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔，在负离焦测试PMT的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔。本发明专利技术还公开了激光共聚焦测高方法。本发明专利技术对待测物面的高度范围内实现高精度测高功能，并能判断表面具体的凸凹特征。

Laser confocal height measurement system and method

【技术实现步骤摘要】
激光共聚焦测高系统及测高方法
本专利技术涉及精密光学仪器测量系统
，尤其涉及一种激光共聚焦测高系统及测高方法。
技术介绍
参见附图1，激光共焦测量是基于共焦成像原理实现的。点光源P位于准直物镜L1的焦点上，发出的平行光经分光镜分光进入成像物镜L2，在L2的焦点上成点光源P的像，即图1中待测样品P'。准直物镜L1的焦距为F1,准直物镜L2的焦距为F2,当被测件（试样）表面位于L2的焦面上时（物距D1=F2），入射光原路返回，过分光镜和另一准直物镜L3后，在L3的焦点上成点光源P的第二次成像，即图1中探测器P''。只有当P，P'，P''在各自光学元件的焦点位置上，才成立共轭的成像关系，这就称为共焦成像。现有的激光共聚焦技术，大多应用在显微系统中。如中国专利“共焦点显微镜、光学式高度测定方法及自动聚焦方法”（公开号：CN1511248A）。该系统是有四种应用，分别是第1种共焦点显微镜、第2种共焦点显微镜、一种光学式高度测定方法、一种自聚焦方法。参见该专利说明书附图7,该系统是由具有卤素光源或水银光源等的光源发出光线，光源与透镜2共同构成照明光学系统，经过分光镜3。在经过分光镜的反射光路上，由扫描盘4、成像透镜6、1/4波长板7、可变光圈13、物镜8和待测物体9组成了第1种共焦点显微镜；当该系统工作时，到达待测表面的光线经过反射后经过物镜等到达分光镜进行分光，进过透镜10、光圈141、透镜11用CCD相机12进行摄影，该图像被计算机14获取。通过两个光学系统，CCD相机拍摄物镜8的焦点面附近的分割图像。图像显示在计算机14的显示器上，则只有焦点面看起来是明亮的，沿光轴方向离开焦点面的部分看起来比较暗。并且，如果利用焦点移动装置15沿光轴方向移动待测样本或物镜8获取多张图像，则可以获得待测样本9的三维信息。根据所获得的样本数据，拟合函数，该函数应使用高斯分布，并且在更换物镜的时候，其NA也会发生变化，则该系统测试精度和范围也会发生改变。现有的共焦测量系统大多都是为了使其受众面更广，实现更多测量要求，比如物体轮廓测量、透明物体厚度测量、角度测量等等，为了兼容多样测量目标，则表现为结构复杂、体积大，不方便在设备中集成；由于不同受众对测试精度和测试范围不同，则系统表现为配置多，测试数据量大，算法处置速度变慢，减低了工作效率。并且大多数单孔测量系统无法直接判断测试表面具体特征是凸起还是凹陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提供一种激光共聚焦测高系统及测高方法，在待测物面的高度范围内实现高精度测高功能，并能判断表面具体的凸凹特征。本专利技术采取的技术方案是：一种激光共聚焦测高系统，其特征是，包括共聚焦直线光路和激光光源，所述共聚焦直线光路包括成像CMOS、成像后镜组、第一分光棱镜、主镜组和待测物面，所述激光光源通过照明后镜组向第一分光棱镜发射平行光，所述激光的入射方向与共聚焦直线光路垂直，在所述激光光源与照明后镜组之间设置双孔模块，所述双孔模块包括并排布置的第二分光棱镜和第三分光棱镜，所述激光光源、第二分光棱镜和第一分光棱镜位于同一激光光路上，所述第三分光棱镜的分光面与第二分光棱镜的分光面在激光光路的法向面上翻转90度，在第三分光棱镜的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT和负离焦测试PMT，在正离焦测试PMT的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔，在负离焦测试PMT的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔。进一步，在所述成像CMOS与第一分光棱镜的光路上，设置第一光阑。进一步，所述第一光阑位于靠近第一分光棱镜的一侧。进一步，在所述激光光源与第一分光棱镜的光路上，设置第二光阑。进一步，所述第二光阑位于靠近第一分光棱镜的一侧。进一步，所述正离焦位置和负离焦位置距离焦点的距离为1.5-2.5mm，所述正离焦小孔和负离焦小孔的通光口径为0.05-0.1mm。进一步，所述成像CMOS的尺寸为1/2英寸至2/3英寸。进一步，所述第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜的棱镜口径大于系统的通光口径。一种应用于上述的激光共聚焦测高系统的激光共聚焦测高方法，其特征是，包括如下步骤：（1）在待测物面位置设置平面标定板，调节平面标定板的水平位置，使正离焦测试PMT和负离焦测试PMT表面能量数值最大，将平面标定板的位置定为零点；（2）将待测物面置于零点；（3）通过测高系统获取待测物面的表面信息；（4）根据正离焦测试PMT和负离焦测试PMT的能量信息发生的变化，判断待测物面的表面状态：a:当正离焦测试PMT上能量不变而负离焦测试PMT上能量变小，则待测物面的表面为凹陷；b:当负离焦测试PMT上能量不变而正离焦测试PMT上能量变小，则待测物面的表面为凸起。进一步，在步骤（1）中，还包括计算检测精度的步骤：调节平面标定板得到最佳焦面，记当时位置为d0,d0位置的正离焦测试PMT或负离焦测试PMT的表面能量值E0，再调整标定板位置至d1，记录d1位置正离焦测试PMT或负离焦测试PMT的表面能量值E1，则在平面标定板的移动位置范围内测高系统的检测精度为σ=（E1-E0）/(d1-d0)。本专利技术的有益效果是：（1）测试范围可达到±1.5mm，可以清晰的分辨凸起和凹陷，测试精度可达到1.5um；（2）系统功能具有针对性，所以相较于现有测高类产品，目标性更强，结构更加简单紧凑，更适合集成在设备中；（3）在PMT前增加小孔降低了杂散光对系统精度的影响；（4）通过离焦测量的方式，增大了测试系统量程，并且可以清晰分辨表面特征是凸起或是凹陷。附图说明附图1是共焦成像原理结构示意图；附图2是本专利技术的测高系统原理结构示意图；附图3是附图2中双孔模块的原理结构示意图，附图3为附图2的俯视视图，两者的绘图平面呈90度夹角；附图4是本专利技术的测高方法流程示意图。附图中的标号分别为：1.成像CMOS；2.成像后镜组；3.第一光阑；4.第一分光棱镜；5.主镜组；6.待测物面；7.第二光阑；8.照明后镜组；9.第二分光棱镜；10.正离焦小孔；11.正离焦测试PMT；12.负离焦小孔；13.负离焦测试PMT；14.激光光源；15.双孔模块；16.第三分光棱镜。具体实施方式下面结合附图对本专利技术激光共聚焦测高系统及测高方法的具体实施方式作详细说明。参见附图2，激光共聚焦测高系统包括共聚焦直线光路和激光光源14，共聚焦直线光路包括成像CMOS1、成像后镜组2、第一分光棱镜4、主镜组5和待测物面6，激光光源14通过照明后镜组8向第一分光棱镜4发射平行光，激光的入射方向与共聚焦直线光路垂直。在激光光源14与照明后镜组8之间设置双孔模块15，激光光源14发射的激光可经双孔模块15向照明后镜组8传送。在成像CMOS1与第一分光棱镜4的光路上位于靠近第一分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光共聚焦测高系统，其特征在于：包括共聚焦直线光路和激光光源，所述共聚焦直线光路包括成像CMOS、成像后镜组、第一分光棱镜、主镜组和待测物面，所述激光光源通过照明后镜组向第一分光棱镜发射平行光，所述激光的入射方向与共聚焦直线光路垂直，在所述激光光源与照明后镜组之间设置双孔模块，所述双孔模块包括并排布置的第二分光棱镜和第三分光棱镜，所述激光光源、第二分光棱镜和第一分光棱镜位于同一激光光路上，所述第三分光棱镜的分光面与第二分光棱镜的分光面在激光光路的法向面上翻转90度，在第三分光棱镜的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT和负离焦测试PMT，在正离焦测试PMT的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔，在负离焦测试PMT的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光共聚焦测高系统，其特征在于：包括共聚焦直线光路和激光光源，所述共聚焦直线光路包括成像CMOS、成像后镜组、第一分光棱镜、主镜组和待测物面，所述激光光源通过照明后镜组向第一分光棱镜发射平行光，所述激光的入射方向与共聚焦直线光路垂直，在所述激光光源与照明后镜组之间设置双孔模块，所述双孔模块包括并排布置的第二分光棱镜和第三分光棱镜，所述激光光源、第二分光棱镜和第一分光棱镜位于同一激光光路上，所述第三分光棱镜的分光面与第二分光棱镜的分光面在激光光路的法向面上翻转90度，在第三分光棱镜的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT和负离焦测试PMT，在正离焦测试PMT的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔，在负离焦测试PMT的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔。


2.根据权利要求1所述的激光共聚焦测高系统，其特征在于：在所述成像CMOS与第一分光棱镜的光路上，设置第一光阑。


3.根据权利要求2所述的激光共聚焦测高系统，其特征在于：所述第一光阑位于靠近第一分光棱镜的一侧。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光共聚焦测高系统，其特征在于：在所述激光光源与第一分光棱镜的光路上，设置第二光阑。


5.根据权利要求4所述的激光共聚焦测高系统，其特征在于：所述第二光阑位于靠近第一分光棱镜的一侧。


6.根据权利要求4所述的激光共聚焦测高系统，其特征在于：所述正离焦位置和负离焦位置距离焦点的距离为1.5-2.5mm，所述正离焦小孔和负离焦小孔的通光口径...

【专利技术属性】
技术研发人员：马双双，李梦梦，
申请(专利权)人：嘉兴景焱智能装备技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33