CN109445081A - 一种高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法 - Google Patents

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刘辰光
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Abstract

一种高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，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。激光器发出平行光经过偏振分光棱镜(PBS)和四分之一波片后，经高速谐振镜反射，依次通过扫描透镜、管镜和物镜后汇聚至待测样品表面，载有待测样品信息的反射光依次经过物镜、管镜、扫描透镜、高速谐振镜、四分之一波片、偏振分光棱镜、收集透镜汇聚至针孔，最终入射至光电探测器。位移执行器带动物镜做轴向扫描，同时运动平台带动样品做横向运动，高速谐振镜使光束横向偏转追踪被测点，然后利用测量得到的数组数据解算轴向包络，同时得到多个测量点位置信息。本发明适用于测量大口径光学元件表面轮廓。

Description

一种高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，主要涉及一种高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法。
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，从而提供一种高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法。
本发明的技术解决方案是：
一种高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，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、偏振分光棱镜、四分之一波片、高速谐振镜、扫描透镜、管镜、物镜；
所述激光器发出的激光经过偏振分光棱镜、四分之一波片入射至高速谐振镜，高速谐振镜将照明光反射至扫描透镜，经过管镜和物镜后聚焦至待测样品上；
所述探测系统包括物镜、管镜、扫描透镜、高速谐振镜、四分之一波片、偏振分光棱镜、收集透镜、针孔和光电探测器；
待测样品反射光经物镜、管镜、扫描透镜、高速谐振镜、四分之一波片、偏振分光棱镜后，由收集透镜聚焦至针孔，传导至所述光电探测器；
所述照明系统和探测系统共用偏振分光棱镜、四分之一波片、高速谐振镜、扫描透镜、管镜和物镜；
所述位移执行器器件包括样品位移平台和物镜扫描器件；
样品位移平台带动样品匀速横向运动，同时物镜扫描器件带动物镜进行轴向扫描运动，高速谐振镜改变汇聚光斑横向位置，追踪被测样品表面；
所述高速追踪扫描测量和数据处理方法其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、物镜扫描器件带动物镜进行轴向扫描运动，同时高速谐振镜在显微视场内进行快速扫描，位移平台带动样品匀速横向运动，获得带有光强信息二维数组；
步骤b、对光强信息二维数组进行数据提取，同时获得多个测量点的包络曲线；
步骤c、采用拟合方法获得包络曲线峰值位置，从而得到被测点Z坐标和X坐标。
所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，其特征在于高速谐振镜(4)频率为8KHz。
所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，其特征在于光斑扫描速度远大于位移平台带动样品运动速度。
所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，其特征在于测量点轴向包络从二维数组中提取。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
1、本发明通过高速谐振镜追踪扫描，使得在测量过程中X和Z轴位移机构同时连续运动，代替了传统共焦轮廓仪动停式扫描方法，节省了位移机构稳定时间，同时增加了测量密度，从而能够实现大口径光学元件面形的快速测量。
2、本发明通过高速谐振镜追踪扫描，在相同测量时间内，增加了测量点数，降低了光学系统对轴向扫描频率的要求，从而降低了仪器对扫描器件的要求，节约了成本。
本发明适用于测量大口径光学元件。
附图说明
图1为所述的基于高速追踪扫描共焦显微测量装置原理示意图。
图2为二维光强数组提取测量点轴向包络数据处理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，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)、偏振分光棱镜(2)、四分之一波片(3)、高速谐振镜(4)、扫描透镜(5)、管镜(6)、物镜(7)；
所述激光器(1)发出的激光经过偏振分光棱镜(2)、四分之一波片(3)入射至高速谐振镜(4)，高速谐振镜(4)将照明光反射至扫描透镜(5)，经过管镜(6)和物镜(7)后聚焦至待测样品(8)上；
所述探测系统包括物镜(7)、管镜(6)、扫描透镜(5)、高速谐振镜(4)、四分之一波片(3)、偏振分光棱镜(2)、收集透镜(9)、针孔(10)和光电探测器(11)；
待测样品(8)反射光经物镜(7)、管镜(6)、扫描透镜(5)、高速谐振镜(4)、四分之一波片(3)、偏振分光棱镜(2)后，由收集透镜(9)聚焦至针孔(10)，传导至所述光电探测器(11)；
所述照明系统和探测系统共用偏振分光棱镜(2)、四分之一波片(3)、高速谐振镜(4)、扫描透镜(5)、管镜(6)和物镜(7)；
所述位移执行器器件包括样品位移平台(12)和物镜扫描器件(13)；
样品位移平台(12)带动样品(8)匀速横向运动，同时物镜扫描器件(13)带动物镜(7)进行轴向扫描运动，高速谐振镜(4)改变汇聚光斑横向位置，追踪被测样品表面；
所述高速追踪扫描测量和数据处理方法其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、物镜扫描器件(13)带动物镜(7)进行轴向扫描运动，同时高速谐振镜(4)在显微视场内进行快速扫描，位移平台(12)带动样品(8)匀速横向运动，获得带有光强信息二维数组；
步骤b、对光强信息二维数组进行数据提取，同时获得多个测量点的包络曲线；
步骤c、采用拟合方法获得包络曲线峰值位置，从而得到被测点Z坐标和X坐标。。
具体实施方式二：本实施方式是对所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法作进一步说明，本实施方式中，其特征在于高速谐振镜(4)频率为8KHz
具体实施方式三：本实施方式是对所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法作进一步说明，本实施方式中，光斑扫描速度远大于位移平台带动样品运动速度。
具体实施方式四：本实施方式是对高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法进一步说明，本实施方式中，测量点轴向包络从二维数组中提取。
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 (4)

1.一种高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，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)、偏振分光棱镜(2)、四分之一波片(3)、高速谐振镜(4)、扫描透镜(5)、管镜(6)、物镜(7)；
所述激光器(1)发出的激光经过偏振分光棱镜(2)、四分之一波片(3)入射至高速谐振镜(4)，高速谐振镜(4)将照明光反射至扫描透镜(5)，经过管镜(6)和物镜(7)后聚焦至待测样品(8)上；
所述探测系统包括物镜(7)、管镜(6)、扫描透镜(5)、高速谐振镜(4)、四分之一波片(3)、偏振分光棱镜(2)、收集透镜(9)、针孔(10)和光电探测器(11)；
待测样品(8)反射光经物镜(7)、管镜(6)、扫描透镜(5)、高速谐振镜(4)、四分之一波片(3)、偏振分光棱镜(2)后，由收集透镜(9)聚焦至针孔(10)，传导至所述光电探测器(11)；
所述照明系统和探测系统共用偏振分光棱镜(2)、四分之一波片(3)、高速谐振镜(4)、扫描透镜(5)、管镜(6)和物镜(7)；
所述位移执行器器件包括样品位移平台(12)和物镜扫描器件(13)；
样品位移平台(12)带动样品(8)匀速横向运动，同时物镜扫描器件(13)带动物镜(7)进行轴向扫描运动，高速谐振镜(4)改变汇聚光斑横向位置，追踪被测样品表面；
所述高速追踪扫描测量和数据处理方法其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、物镜扫描器件(13)带动物镜(7)进行轴向扫描运动，同时高速谐振镜(4)在显微视场内进行快速扫描，位移平台(12)带动样品(8)匀速横向运动，获得带有光强信息二维数组；
步骤b、对光强信息二维数组进行数据提取，同时获得多个测量点的包络曲线；
步骤c、采用拟合方法获得包络曲线峰值位置，从而得到被测点Z坐标和X坐标。
2.根据权利要求1所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，其特征在于高速谐振镜(4)频率为8KHz。
3.根据权利要求1所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，其特征在于光斑扫描速度远大于位移平台带动样品运动速度。
4.根据权利要求1所述的高速追踪扫描共焦显微测量装置和数据处理方法，其特征在于测量点轴向包络从二维数组中提取。
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