CN107687825A - 一种光学元件表面质量检测镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件表面质量检测镜头，包括：光源、第一分束单元、第一聚光单元、第二聚光单元、第二分束单元、第一探测单元和第二探测单元。所述第一分束单元用于将所述光源发出的光分为检测光和参考光，并将这两部分光分别入射至所述第一聚光单元和所述第二聚光单元；所述第一聚光单元用于接收所述检测光，变成会聚光聚焦到测量表面；所述第二聚光单元用于接收所述参考光，并入射至所述第二分束单元；所述第二分束单元用于接收从测量表面反射的经过所述第一聚光单元的检测光和通过所述第二聚光单元的参考光，并将所接收到的探测光和参考光分为第一探测光和第二探测光分别入射至所述第一探测单元和第二探测单元。

Description

一种光学元件表面质量检测镜头

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种光学元件表面质量检测镜头。

背景技术

光学元件表面质量的检测是光学元件检测的重要组成部分，在多数光学系统中，尤其是紫外/极紫外光学系统、大功率激光等光学系统中，对光学元件的表面质量均有严格要求，也希望能够对光学元件的表面做尽量完整的检测。目前，对光学元件表面质量的检测手段极为有限，传统中多采用暗室法检测，但存在判读不准确、受人为影响大、无法长时间检测等缺点。

市场上成熟的表面质量检测仪器也较为少见，多数产品与文献中主要基于单镜头加运动机构的方案。即选取合适的显微镜头，并配套运动机构带动镜头沿光学元件表面进行扫描，扫描得到的图像经后续分析处理以获得表面质量的相关数据。但是这种方案目前实现起来难度较大，因为合适的显微镜头景深一般都比较小(几微米到几十微米)，这就要求外围运动机构在运动过程中具有极高的运动精度，才能保证检测过程中被测表面时刻处于镜头的景深范围内。这无疑增加了成本，也直接导致了现有产品只能进行平面元件的检测，而球面和非球面等元件的表面质量检测难以实现。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种光学元件表面质量检测镜头。所述光学元件表面质量检测镜头包括：光源、第一分束单元、第一聚光单元、第二聚光单元、第二分束单元、第一探测单元和第二探测单元；所述第一分束单元用于将所述光源发出的光分为检测光和参考光两部分，并将这两部分光分别入射至所述第一聚光单元和所述第二聚光单元；所述第一聚光单元用于接收所述检测光，使其通过后变成会聚光聚焦到测量表面；所述第二聚光单元用于接收所述参考光，并将其入射至所述第二分束单元；所述第二分束单元用于接收从测量表面反射的经过所述第一聚光单元的检测光和通过所述第二聚光单元的参考光，并将所接收到的探测光和参考光分为第一探测光和第二探测光两部分，分别入射至所述第一探测单元和第二探测单元；所述第一探测单元用于接收所述第一探测光用于分析测量表面的质量；以及第二探测单元用于接收所述第二探测光用于分析测量表面的的误差信息。

在一些实施例中，所述光学元件表面质量检测镜头还包括：光源聚光单元。所述光源聚光单元设置于所述光源与所述第一分束单元之间，用于使所述光源发出的光成为点光源。

在一些实施例中，所述光源聚光单元为空间滤波器。

在一些实施例中，所述空间滤波器为小孔滤波器。

在一些实施例中，所述第一分束单元包括扩束系统，起偏器和第一分束器；所述光源发出的光经过扩束系统及起偏器转换为宽光束的圆偏振光，该圆偏振光经过第一分束器后分成检测光和参考光两部分。

在一些实施例中，所述第一聚光单元为测量物镜，所述检测光通过测量物镜后到达测量表面后反射，形成圆偏振光的检测光。

在一些实施例中，所述第二聚光单元包括第一偏振片和参考物镜，所述参考光经过第一偏振片转换后经过参考物镜，并经参考面反射后入射至所述第二分束单元。

在一些实施例中，所述第二分束单元包括准直透镜，第二分束器，第二偏振片以及第三偏振片，从测量表面反射的经过所述第一聚光单元的检测光和通过所述第二聚光单元的参考光经过所述准直透镜和第二分束器后经第二偏振片转换为第一探测光，经第三偏振片转换成第二探测光。

在一些实施例中，所述第一探测单元包括第一探测器，用于分析测量表面的质量；所述第二探测单元包括第二探测器，用于分析分析测量表面的误差信息。

在一些实施例中，所述测量物镜与参考物镜的参数完全一致，且参考面的位置处于参考物镜的焦平面上。

在一些实施例中，所述光源为白光光源或激光光源。

在一些实施例中，所述起偏器为圆偏振光起偏器。

在一些实施例中，所述第一偏振片和第三偏振片为形成s光的偏振片，所述第二偏振片为形成p光的偏振片。

在一些实施例中，所述第一偏振片和第三偏振片为形成p光的偏振片，所述第二偏振片为形成s光的偏振片。

在一些实施例中，所述第一探测器和第二探测器为CCD探测器。

本发明的技术效果：本发明公开的光学元件表面质量检测镜头将光源转化为圆偏振光，然后一部分转化为p光并携带参考表面信息，另一路圆偏振光经被测表面反射成为检测光，两路光会合后再次分束，一路仅携带被测表面信息，另一路用于分析元件的误差信息。外置运动系统可根据该误差反馈，实时调节镜头与被测表面之间的距离和倾角，降低了对运动机构精度的要求，大幅降低了成本，并使球面乃至非球面的表面质量检测成为了可能。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的光学元件表面质量检测镜头的结构框图；以及

图2为根据本发明一个实施例的光学元件表面质量检测镜头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图1所示，是本发明提供的一种光学元件表面质量检测镜头100。所述光学元件表面质量检测镜头100包括：光源1、第一分束单元3、第一聚光单元4、第二聚光单元5、第二分束单元6、第一探测单元7和第二探测单元8；所述第一分束单元3用于将所述光源1发出的光分为检测光和参考光两部分，并将这两部分光分别入射至所述第一聚光单元4和所述第二聚光单元5；所述第一聚光单元4用于接收所述检测光，使其通过后变成会聚光聚焦到测量表面；所述第二聚光单元5用于接收所述参考光，并将其入射至所述第二分束单元6；所述第二分束单元6用于接收从测量表面反射的经过所述第一聚光单元4的检测光和通过所述第二聚光单元5的参考光，并将所接收到的探测光和参考光分为第一探测光和第二探测光两部分，分别入射至所述第一探测单元7和第二探测单元8；所述第一探测单元7用于接收所述第一探测光用于分析测量表面的质量；以及第二探测单元8用于接收所述第二探测光用于分析测量表面的的误差信息。

在图1所示的实施例中，所述光学元件表面质量检测镜头100还包括：光源聚光单元2。所述光源聚光单元2设置于所述光源1与所述第一分束单元3之间，用于使所述光源1发出的光成为点光源。

参考图2所示，是本发明提供的一种光学元件表面质量检测镜头100的具体实施方式。

在图2所示的实施例中，所述光源聚光单元2为空间滤波器。优选地，所述空间滤波器为小孔滤波器。所述光源1为白光光源。空间滤波器2为小孔滤波器，光源1发出的光经过空间滤波器2后变为点光源。

在一些实施例中，所述第一分束单元3包括扩束系统31，起偏器32和第一分束器33；所述光源1发出的光经过扩束系统31及起偏器32转换为宽光束的圆偏振光，该圆偏振光经过第一分束器33后分成检测光和参考光两部分。

在一些实施例中，参考图2所示，所述第一聚光单元4为测量物镜，所述检测光通过测量物镜后到达测量表面14后反射，形成圆偏振光的检测光。

在一些实施例中，参考图2所示，所述第二聚光单元5包括第一偏振片51和参考物镜52，所述参考光经过第一偏振片51转换后经过参考物镜52，并经参考面12反射后入射至所述第二分束单元6。

在一些实施例中，参考图2所示，所述第二分束单元6包括准直透镜61，第二分束器62，第二偏振片63以及第三偏振片64，从测量表面14反射的经过所述第一聚光单元4的检测光和通过所述第二聚光单元5的参考光经过所述准直透镜61和第二分束器62后经第二偏振片63转换为第一探测光，经第三偏振片64转换成第二探测光。

在一些实施例中，参考图2所示，所述第一探测单元7包括第一探测器，用于分析测量表面的质量；所述第二探测单元8包括第二探测器，用于分析测量表面的误差信息。在一些实施例中，所述第一探测器和第二探测器为CCD探测器。

在一些实施例中，所述测量物镜与参考物镜52的参数完全一致，且参考面的位置处于参考物镜52的焦平面上。

在一些实施例中，所述光源1为白光光源或激光光源。

在一些实施例中，所述起偏器32为圆偏振光起偏器。

在一些实施例中，所述第一偏振片51和第三偏振片64为形成s光的偏振片，所述第二偏振片63为形成p光的偏振片。此外，在该镜头中，所述p光与s光可以相互转换，在一些实施例中，所述第一偏振片51和第三偏振片64为形成p光的偏振片，所述第二偏振片63为形成s光的偏振片。

下面将结合图1和图2所示，对本发明提供的光学元件表面质量检测镜头100的具体检测过程和原理进行说明。

所述光学元件表面质量检测镜头100的光源1发出的光经过空间滤波器2后变为点光源，然后经过扩束系统31及起偏器32转为宽光束的圆偏振光。所述起偏器32为圆偏振光起偏器，将白光(自然光)转化成为圆偏振光，该圆偏振光经过第一分束器33后分成两路，一路经过第一偏振片51转换成p光，后经过参考物镜52和参考面12反射后形成参考光；另外一路通过第一聚光单元4到达测量表面14后反射，形成圆偏振光的检测光。所述第一聚光单元(测量物镜)4与参考物镜52的各参数完全相同，可根据被测表面的分辨率以及单视场测量范围的需求进行选取。参考面12放置在参考物镜52的焦平面上，使得在检测时经过参考物镜52的光程与经过第一聚光单元4的光程相等。优选地，所述参考面12为平面反射镜，其表面粗糙度小于0.4nmRMS，且表面无划痕、麻点等表面疵病。参考光和检测光再次经过第一分束器33后会合，经过准直透镜61和第二分束器62后分成两路，一路经过第二偏振片63后转成s光，此处检测光的p光无法到达，s光中仅含有被测表面的信息，经过第一探测单元7后存贮，可用于分析被测表面的质量。另外一路通过第三偏振片64后转成p光，该p光含有被测表面和参考表面的信息，且两路光发生干涉，由第二探测单元8记录下干涉条纹的信息，用于分析测量物镜与被测表面之间的误差信息。优选地，第一探测单元7和第二探测单元8为CCD探测器。通过分析干涉条纹的移动方向以及移动速度，可以获得镜头相对于被测表面的距离变化方向以及距离的变化速度。通过分析干涉条纹的倾斜角度以及干涉条纹的疏密信息可以获得镜头相对于被测表面的倾斜角度方向以及倾角大小。外置的运动系统可根据该误差信息，实时调整整个镜头与被测表面的距离和倾角，使测量表面能够时刻处于测量物镜的景深范围内，从而保证了检测质量。

本发明的技术效果：本发明公开的光学元件表面质量检测镜头将光源转化为圆偏振光，然后一部分转化为p光并携带参考表面信息，另一路圆偏振光经被测表面反射成为检测光，两路光会合后再次分束，一路仅携带被测表面信息，另一路用于分析元件的误差信息。外置运动系统可根据该误差反馈，实时调节镜头与被测表面之间的距离和倾角，降低了对运动机构精度的要求，大幅降低了成本，并使球面乃至非球面的表面质量检测成为了可能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，包括：

光源、第一分束单元、第一聚光单元、第二聚光单元、第二分束单元、第一探测单元和第二探测单元；

所述第一分束单元用于将所述光源发出的光分为检测光和参考光两部分，并将这两部分光分别入射至所述第一聚光单元和所述第二聚光单元；

所述第一聚光单元用于接收所述检测光，使其通过后变成会聚光聚焦到测量表面；

所述第二聚光单元用于接收所述参考光，并将其入射至所述第二分束单元；

所述第二分束单元用于接收从测量表面反射的经过所述第一聚光单元的检测光和通过所述第二聚光单元的参考光，并将所接收到的探测光和参考光分为第一探测光和第二探测光两部分，分别入射至所述第一探测单元和第二探测单元；

所述第一探测单元用于接收所述第一探测光用于分析测量表面的质量；以及第二探测单元用于接收所述第二探测光用于分析测量表面的的误差信息。

2.根据权利要求1所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，还包括：光源聚光单元，所述光源聚光单元设置于所述光源与所述第一分束单元之间，用于使所述光源发出的光成为点光源。

3.根据权利要求1所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述光源聚光单元为空间滤波器。

4.根据权利要求3所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述空间滤波器为小孔滤波器。

5.根据权利要求1所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述第一分束单元包括扩束系统，起偏器和第一分束器；所述光源发出的光经过扩束系统及起偏器转换为宽光束的圆偏振光，该圆偏振光经过第一分束器后分成检测光和参考光两部分。

6.根据权利要求5所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述第一聚光单元为测量物镜，所述检测光通过测量物镜后到达测量表面后反射，形成圆偏振光的检测光。

7.根据权利要求6所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述第二聚光单元包括第一偏振片和参考物镜，所述参考光经过第一偏振片转换后经过参考物镜，并经参考面反射后入射至所述第二分束单元。

8.根据权利要求7所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述第二分束单元包括准直透镜，第二分束器，第二偏振片以及第三偏振片，从测量表面反射的经过所述第一聚光单元的检测光和通过所述第二聚光单元的参考光经过所述准直透镜和第二分束器后经第二偏振片转换为第一探测光，经第三偏振片转换成第二探测光。

9.根据权利要求8所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述第一探测单元包括第一探测器，用于分析测量表面的质量；

所述第二探测单元包括第二探测器，用于分析分析测量表面的误差信息。

10.根据权利要求9所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述测量物镜与参考物镜的参数完全一致，且参考面的位置处于参考物镜的焦平面上。

11.根据权利要求1所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述光源为白光光源或激光光源。

12.根据权利要求5所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述起偏器为圆偏振光起偏器。

13.根据权利要求9所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述第一偏振片和第三偏振片为形成s光的偏振片，所述第二偏振片为形成p光的偏振片；或，所述第一偏振片和第三偏振片为形成p光的偏振片，所述第二偏振片为形成s光的偏振片。

14.根据权利要求9所述的光学元件表面质量检测镜头，其特征在于，所述第一探测器和第二探测器为CCD探测器。