CN106595526A - 一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置与方法 - Google Patents

一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置与方法，涉及大口径自由曲面样品表面轮廓测量技术。目的是为了解决现有方法测量速度慢，测量范围小且易损伤样品的问题。本发明首先在待测样品表面镀一层有机荧光膜，激光器发出的激光依次经过准直物镜和光阑后形成平行光，再经过PBS透射、高速数字扫描振镜反射和扫描透镜透射后在样品上形成聚焦光斑，使样品表面发出荧光；荧光经两个PMT收集，对两个PMT产生的信号进行差分运算，得到差动轴向响应曲线，根据该曲线确定样品表面位置，使样品进行三维移动，采用同样的方法得到样品在不同位置的表面位置，完成测量。本发明适用于大口径自由曲面样品表面轮廓的测量。

Description

一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置与方法
技术领域
本发明涉及利用扫描透镜作为照明和成像镜头测量大口径自由曲面样品表面形貌的技术。
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。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法测量大口径自由曲面物体的表面轮廓时，测量速度慢，测量范围小且易损伤样品的问题，提供一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置与方法。
本发明所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置包括照明模块、第一探测模块和第二探测模块：
所述的照明模块按照照明光传播方向依次为：激光器1、准直镜2、光阑3、PBS一4、高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6、扫描透镜7和三维微位移载物台9；
所述的第一探测模块按照信号光传播方向依次为：扫描透镜7、高速数字扫描振镜二6、高速数字扫描振镜一5、PBS一4、滤光片10、PBS二11、收集透镜一12、多模光纤一13和PMT一14(即光电倍增管一)；
所述的第二探测模块按照信号光传播方向依次为：扫描透镜7、高速数字扫描振镜二6、高速数字扫描振镜一5、PBS一4、滤光片10、PBS二11、收集透镜二15、多模光纤二16和PMT二17(即光电倍增管二)；
所述照明模块、第一探测模块和第二探测模块共同一套PBS一4、高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6和扫描透镜7；
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PBS一4，由PBS一4透射的激光经所述高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6，高速数字扫描振镜二6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形成聚焦光斑，所述待测样品8置于三维微位移载物台9上；
所述待测样品8表面激发出的荧光依次经过扫描透镜7、高速数字扫描振镜二6、高速数字扫描振镜一5、和PBS一4反射后，经滤光片10透射，透射光被PBS二11分为两束光，一束光经过收集透镜一12和多模光纤一13后，被PMT一14收集；另一束光经过收集透镜二15和多模光纤二16后，被PMT二17收集。
优选的是，所述的扫描透镜7的数值孔径小于0.1。
优选的是，所述的扫描透镜7具有50mm×50mm的视场，Z方向最大测量范围为100mm。
优选的是，激光器1发射波长为532nm，激光器1发出的激光经过扫描透镜7后光功率大于0W且小于0.8W。
优选的是，所述高速数字扫描振镜一5的尺寸大于高速数字扫描振镜一5上光斑直径的2倍。
基于上述装置的表面轮廓差动测量方法包括以下步骤：
步骤a、在待测样品8表面镀一层荧光物质；
步骤b、激光器1发出的激光经所述准直镜2后形成平行光，平行光经所述光阑3入射至所述PBS一4，由PBS一4透射的激光经所述高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6，高速数字扫描振镜二6反射至所述扫描透镜7，由扫描透镜7将激光聚焦至待测样品8的表面，并形成聚焦光斑，所述待测样品8置于三维微位移载物台9上；
步骤c、待测样品8上的聚焦光斑激发表面荧光物质，其激发出的散射光透过收集透镜一12和收集透镜二15收集，而后经由多模光纤一13和多模光纤二16滤除杂散光，再经由PMT一14和PMT二17收集信号，对PMT一14和PMT二17产生的两路信号进行差分运算得到差动响应曲线，通过差动响应曲线零点来确定待测样品8的表面位置；
步骤d、使三维微位移载物台9带动待测样品8三维移动扫描，重复步骤c，得到待测样品8在不同扫描位置的表面位置，形成三维扫描成像，完成样品的表面轮廓测量。
优选的是，在步骤d之后还包括：
步骤e、清洗镀膜样品。
本发明所述的装置与方法同现有技术相比，不仅可以提高测量范围，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。适用于大口径自由曲面样品表面轮廓的测量。
附图说明
图1为本发明所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置的原理示意图；
图2为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1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差动测量装置包括：
照明模块、第一探测模块和第二探测模块：
所述的照明模块按照照明光传播方向依次为：激光器1、准直镜2、光阑3、PBS一4、高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6、扫描透镜7和三维微位移载物台9；
所述的第一探测模块按照信号光传播方向依次为：扫描透镜7、高速数字扫描振镜二6、高速数字扫描振镜一5、PBS一4、滤光片10、PBS二11、收集透镜一12、多模光纤一13和PMT一14；
所述的第二探测模块按照信号光传播方向依次为：扫描透镜7、高速数字扫描振镜二6、高速数字扫描振镜一5、PBS一4、滤光片10、PBS二11、收集透镜二15、多模光纤二16和PMT二17；
所述照明模块、第一探测模块和第二探测模块共同一套PBS一4、高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6和扫描透镜7；
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PBS一4，由PBS一4透射的激光经所述高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6，高速数字扫描振镜二6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形成聚焦光斑，所述待测样品8置于三维微位移载物台9上；
所述待测样品8表面激发出的荧光依次经过扫描透镜7、高速数字扫描振镜二6、高速数字扫描振镜一5、和PBS一4反射后，经滤光片10透射，透射光被PBS二11分为两束光，一束光经过收集透镜一12和多模光纤一13后，被PMT一14收集；另一束光经过收集透镜二15和多模光纤二16后，被PMT二17收集。
所述照明模块使用扫描透镜作为照明和成像镜头代替传统的物镜；
所述扫描透镜具有50mm×50mm的视场；
所述扫描透镜7(即物镜)的数值孔径小于0.1；
所述装置Z方向最大测量范围为100mm，Z方向为测量方向的轴向，即垂直于三维微位移载物台9的方向；
激光器1发射波长为532nm，发出的照明光经过扫描透镜后光功率大于0W且小于0.8W。
所述的多模光纤一位于收集透镜焦面之后Z0处，多模光纤二位于收集透镜焦面之前Z0处。
本实施方式所述的装置能够全貌测量大口径自由曲面物体表面形貌，同现有方法相比，使用扫描透镜作为照明和成像镜头代替传统的物镜，加以高速数字扫描振镜辅助，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；由于光路简单，因此又降低了成本。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式基于实施方式一所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置的大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤a、在待测样品8表面镀一层荧光物质；
步骤b、激光器1发出的激光经所述准直镜2后形成平行光，平行光经所述光阑3入射至所述PBS一4，由PBS一4透射的激光经所述高速数字扫描振镜一5、高速数字扫描振镜二6，高速数字扫描振镜二6反射至所述扫描透镜7，由扫描透镜7将激光聚焦至待测样品8的表面，并形成聚焦光斑，所述待测样品8置于三维微位移载物台9上；
步骤c、待测样品8上的聚焦光斑激发表面荧光物质，其激发出的散射光透过收集透镜一12和收集透镜二15收集，而后经由多模光纤一13和多模光纤二16滤除杂散光，再经由PMT一14和PMT二17收集信号，对PMT一14和PMT二17产生的两路信号进行差分运算得到差动响应曲线，通过差动响应曲线零点来确定待测样品8的表面位置；
步骤d、使三维微位移载物台9带动待测样品8三维移动扫描，重复步骤c，得到待测样品8在不同扫描位置的表面位置，形成三维扫描成像，完成样品的表面轮廓测量；
步骤e、清洗镀膜样品。
本实施方式所述的方法能够全貌测量大口径自由曲面物体表面形貌，同现有方法相比，使用扫描透镜作为照明和成像镜头代替传统的物镜加以高速数字扫描振镜辅助，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；由于光路简单，因此又降低了成本。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置，其特征在于，包括：
照明模块、第一探测模块和第二探测模块：
所述的照明模块按照照明光传播方向依次为：激光器(1)、准直镜(2)、光阑(3)、PBS一(4)、高速数字扫描振镜一(5)、高速数字扫描振镜二(6)、扫描透镜(7)和三维微位移载物台(9)；
所述的第一探测模块按照信号光传播方向依次为：扫描透镜(7)、高速数字扫描振镜二(6)、高速数字扫描振镜一(5)、PBS一(4)、滤光片(10)、PBS二(11)、收集透镜一(12)、多模光纤一(13)和PMT一(14)；
所述的第二探测模块按照信号光传播方向依次为：扫描透镜(7)、高速数字扫描振镜二(6)、高速数字扫描振镜一(5)、PBS一(4)、滤光片(10)、PBS二(11)、收集透镜二(15)、多模光纤二(16)和PMT二(17)；
所述照明模块、第一探测模块和第二探测模块共同一套PBS一(4)、高速数字扫描振镜一(5)、高速数字扫描振镜二(6)和扫描透镜(7)；
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PBS一(4)，由PBS一(4)透射的激光经所述高速数字扫描振镜一(5)、高速数字扫描振镜二(6)，高速数字扫描振镜二(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)形成聚焦光斑，所述待测样品(8)置于三维微位移载物台(9)上；
所述待测样品(8)表面激发出的荧光依次经过扫描透镜(7)、高速数字扫描振镜二(6)、高速数字扫描振镜一(5)、和PBS一(4)反射后，经滤光片(10)透射，透射光被PBS二(11)分为两束光，一束光经过收集透镜一(12)和多模光纤一(13)后，被PMT一(14)收集；另一束光经过收集透镜二(15)和多模光纤二(16)后，被PMT二(17)收集。
2.根据权利要求1所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置，其特征在于，所述的扫描透镜(7)的数值孔径小于0.1。
3.根据权利要求1所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置，其特征在于，所述的扫描透镜(7)具有50mm×50mm的视场，Z方向最大测量范围为100mm。
4.根据权利要求1所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置，其特征在于，激光器(1)发射波长为532nm，激光器(1)发出的激光经过扫描透镜(7)后光功率大于0W且小于0.8W。
5.根据权利要求1所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓的测量装置，其特征在于，采用双振镜系统，所述高速数字扫描振镜一(5)的尺寸大于高速数字扫描振镜一(5)上光斑直径的2倍。
6.根据权利要求书1所述的一种大口径自由曲面样品表面轮廓差动测量装置，其特征在于，所述的多模光纤一(13)位于收集透镜(12)焦面之后，多模光纤二(16)位于收集透镜二(15)焦面之前，且多模光纤一(13)与收集透镜(12)焦面之间的距离等于多模光纤二(16)与收集透镜二(15)焦面之间的距离。
7.基于权利要求1所述装置的表面轮廓差动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、在待测样品(8)表面镀一层荧光物质；
步骤b、激光器(1)发出的激光经所述准直镜(2)后形成平行光，平行光经所述光阑(3)入射至所述PBS一(4)，由PBS一(4)透射的激光经所述高速数字扫描振镜一(5)、高速数字扫描振镜二(6)，高速数字扫描振镜二(6)反射至所述扫描透镜(7)，由扫描透镜(7)将激光聚焦至待测样品(8)的表面，并形成聚焦光斑，所述待测样品(8)置于三维微位移载物台(9)上；
步骤c、待测样品(8)上的聚焦光斑激发表面荧光物质，其激发出的散射光透过收集透镜一(12)和收集透镜二(15)收集，而后经由多模光纤一(13)和多模光纤二(16)滤除杂散光，再经由PMT一(14)和PMT二(17)收集信号，对PMT一(14)和PMT二(17)产生的两路信号进行差分运算得到差动响应曲线，通过差动响应曲线零点来确定待测样品(8)的表面位置；
步骤d、使三维微位移载物台(9)带动待测样品(8)三维移动扫描，重复步骤c，得到待测样品(8)在不同扫描位置的表面位置，形成三维扫描成像，完成样品的表面轮廓测量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤d之后还包括：
步骤e、清洗镀膜样品。
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