CN109443241A - 一种基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法 - Google Patents

一种基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法 Download PDF

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谷康
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刘辰光
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Abstract

一种基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，属于光学精密测量技术领域，为了解决共焦显微技术测量大口径光学元件测量效率低的问题。激光器发出的激光通过固定在音叉上的耦合光纤输出，依次经过高倍物镜和低倍物镜，低倍物镜将激光汇聚至待测样品，载有待测样品信息的反射光依次经过低倍物镜和高倍物镜，回到耦合光纤，最终入射至光电探测器，音叉带动耦合光纤扫描，从而完成对被测点的测量。本发明适用于测量大口径光学元件表面轮廓。

Description

一种基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，主要涉及一种基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法。
背景技术
随着光学加工和检测技术的不断发展，大口径光学元件已成为天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别、激光大气传输、惯性约束聚变(ICF)等领域中起支撑作用的关键部件之一，同时也是光学系统设计和超精密加工技术紧密结合的产物。而制约大口径光学元件加工水平的关键，取决于与制造要求相适应的检测方法和仪器；共焦轮廓仪是一种高精度的光学非接触检测大口径光学元件表面轮廓的方法，然而现有共焦轮廓仪对大口径光学元件测量基于逐点扫描测量方法，共焦的逐点轴向扫描以及共焦传感测头的体积和重量制约了共焦轮廓仪的测量速度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有共焦轮廓以测量大口径光学元件测量速度慢、误差大的问题，从而提供基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法。
本发明的技术解决方案是：
所述共焦显微装置包括照明系统、探测系统和位移执行器件；
所述照明系统包括激光器、耦合光纤、高倍物镜、低倍物镜、和位移平台；
所述激光器发出的激光经过耦合光纤形成点光源射出，所述点光源经所述高倍物镜后形成平行光，由所述低倍物镜将激光聚焦至待测样品上；
所述探测系统包括低倍物镜、高倍物镜、耦合光纤、光电探测器；
待测样品反射光经低倍物镜后变为平行光，经过高倍物镜聚焦至耦合光纤，由耦合光纤将信号光传导至所述光电探测器；
所述照明系统和探测系统共用耦合光纤、高倍物镜、和低倍物镜；
所述耦合光纤固定于高频音叉上；
所述高频音叉谐振带动耦合光纤进行轴向扫描，完成对被测点的测量。
优选的是，所述耦合光纤为多路耦合光纤。
所述耦合光纤为照明光源和探测系统共用器件，代替原有共焦光路中的针孔。
所述耦合光纤和所述高频音叉固定在一起，进行轴向扫描运动，从而完成对被测点的光束扫描。
优选的是，所述高倍物镜和低倍物镜组合提高测量范围。
本发明所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，包括以下步骤：
步骤a、激光器发出激发光，经过耦合光纤和高倍物镜后形成平行光，平行光束经过低倍物镜后在样品上形成聚焦光斑，样品反射信号光经过光电探测器收集后，得到光强；
步骤b、高频音叉带动耦合光纤移动，使得聚焦光斑对样品进行轴向扫描，通过轴向响应曲线顶点位置来确定样品表面位置；
步骤c、位移载平台带动大口径光学元件样品移动，完成三维扫描测量。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
1、本发明通过照明光源进行轴向扫描，代替了传统共焦物镜或者样品扫描，降低了扫描器件体积和重量，提高轴向扫描频率，从而能够实现快速高精度大口径光学元件面形测量，实现了共焦轴向的高速扫描。
2、本发明通过将耦合光纤同时作为照明端和探测端，减少光学系统器件数量，从而减小共焦光学传感系统的体积和重量，有利于共焦光学系统小型化，降低共焦轮廓仪对机械结构的要求。
本发明适用于测量大口径光学元件。
附图说明
图1为所述的基于针孔随动高速扫描共焦显微技术的大口径光学元件测量装置和方法原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：一种基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，其特征在于包括：
所述照明系统包括激光器(1)、耦合光纤(2)、高倍物镜(4)、低倍物镜(5)、和位移平台(8)；
所述激光器(1)发出的激光经过耦合光纤(2)形成点光源射出，所述点光源经所述高倍物镜(4)后形成平行光，由所述低倍物镜(5)将激光聚焦至待测样品(6)上；
所述探测系统包括低倍物镜(5)、高倍物镜(4)、耦合光纤(2)、光电探测器(7)；
待测样品(6)反射光经低倍物镜(6)后变为平行光，经过高倍物镜(4)聚焦至耦合光纤(2)，由耦合光纤(2)将信号光传导至所述光电探测器(7)；
所述照明系统和探测系统共用耦合光纤(2)、高倍物镜(4)、和低倍物镜(5)；
所述耦合光纤(2)固定于高频音叉(3)上；
所述高频音叉(3)谐振带动耦合光纤(2)进行轴向扫描，完成对被测点的测量。
具体实施方式二：本实施方式是对所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法作进一步说明，本实施方式中，耦合光纤(2)同时作为照明光源和探测端子。
具体实施方式三：本实施方式是对所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法作进一步说明，本实施方式中，耦合光纤(2)为多路光纤耦合。
具体实施方式四：本实施方式是对所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法作进一步说明，本实施方式中，高倍物镜(4)和低倍物镜(5)组合，提高扫描范围。
具体实施方式五：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和上实现的大口径光学元件测量测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤a、激光器(1)发出激发光，经过耦合光纤(2)和高倍物镜(4)后形成平行光，平行光束经过低倍物镜(5)后在样品(6)上形成聚焦光斑，样品(6)反射信号光经过光电探测器(7)收集后，得到光强；
步骤b、高频音叉(3)带动耦合光纤(2)移动，使得聚焦光斑对样品(6)进行轴向扫描，通过轴向响应曲线顶点位置来确定样品表面位置；
步骤c、位移载平台(8)带动大口径光学元件样品(6)移动，完成三维扫描测量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，其特征在于包括：
所述共焦显微装置包括照明系统、探测系统和位移执行器件；
所述照明系统包括激光器(1)、耦合光纤(2)、高倍物镜(4)、低倍物镜(5)、和位移平台(8)；
所述激光器(1)发出的激光经过耦合光纤(2)形成点光源射出，所述点光源经所述高倍物镜(4)后形成平行光，由所述低倍物镜(5)将激光聚焦至待测样品(6)上；
所述探测系统包括低倍物镜(5)、高倍物镜(4)、耦合光纤(2)、光电探测器(7)；
待测样品(6)反射光经低倍物镜(6)后变为平行光，经过高倍物镜(4)聚焦至耦合光纤(2)，由耦合光纤(2)将信号光传导至所述光电探测器(7)；
所述照明系统和探测系统共用耦合光纤(2)、高倍物镜(4)、和低倍物镜(5)；
所述耦合光纤(2)固定于高频音叉(3)上；
所述高频音叉(3)谐振带动耦合光纤(2)进行轴向扫描，完成对被测点的测量。
2.根据权利要求1所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，其特征在于照明光源和探测端子为同一耦合光纤(2)。
3.根据权利要求1所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，其特征在于耦合光纤(2)为多路光纤耦合。
4.根据权利要求1所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，其特征在于高倍物镜(4)和低倍物镜(5)匹配，提高扫描范围。
5.在权利要求1所述的基于音叉驱动的高速轴向扫描共焦显微测量装置和方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、激光器(1)发出激发光，经过耦合光纤(2)和高倍物镜(4)后形成平行光，平行光束经过低倍物镜(5)后在样品(6)上形成聚焦光斑，样品(6)反射信号光经过光电探测器(7)收集后，得到光强；
步骤b、高频音叉(3)带动耦合光纤(2)移动，使得聚焦光斑对样品(6)进行轴向扫描，通过轴向响应曲线顶点位置来确定样品表面位置；
步骤c、位移载平台(8)带动大口径光学元件样品(6)移动，完成三维扫描测量。
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