CN109458950A - 一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法 - Google Patents

一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，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高陡度光学元件测量效率低的问题。激光器发出的照明激光光通过耦合光纤输出，依次经过准直镜、物镜，物镜将激光汇聚至镀有荧光膜的待测样品，样品激发的荧光依次经过物镜、准直镜，耦合光纤、滤光片，最终入射至光电探测器，高速微位移执行器带动耦合光纤扫描，从而完成对被测点的测量。本发明适用于测量大口径高陡度光学元件表面轮廓。

Description

一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，主要涉及一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法。
背景技术
随着光学加工和检测技术的不断发展，大口径高陡度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。而制约大口径高陡度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制约了共焦轮廓仪的测量速度，并且根据反射定理，只能在于入射光线成特殊夹角方向共焦才能接收到较强光信号，而由于收集物镜口径的限制，在不增加自由度的情况下无法完成对高陡度样品的测量。
发明内容
本发明公开了一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，的目的是为了解决现有共焦轮廓仪测量大口径光学元件测量速度慢、误差大的问题，以及无法完成高陡度元件测量的问题
本发明的技术解决方案是：
一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，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、耦合光纤、准直镜、物镜和二维位移平台；
所述激光器发出的激光经过耦合光纤形成点光源射出，所述点光源经所述准直镜后形成平行光，所述平行光由所述物镜将激光聚焦至镀有荧光膜的待测样品上；
所述探测系统包括物镜、准直镜、耦合光纤、滤波片和光电探测器；
待测样品激发的荧光经物镜、准直镜聚焦至耦合光纤，经过滤波片后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、准直镜、和物镜；
所述位移执行器器件为高速微位移器件，带动耦合光纤进行轴向扫描，完成对被测点的测量。
所述位移执行器器件为高速微位移器件，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位移执行器件固定在一起，进行轴向扫描运动，从而完成对被测点的光束扫描。
所述的照明光波长范围为200nm-1000nm。
所述的镀膜样品表面通过镀膜工艺镀上一层荧光物质形成荧光膜，所述的荧光膜厚度在0.01μm-0.5μm之间，荧光物质膜在水或酒精、丙酮等有机溶剂中的溶解度大于5g/100g。
优选的是，所述位移执行器运动频率大于1KHz。
本发明所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，包括以下步骤：
步骤a、通过镀膜工艺在待测样品表面形成一层厚度在0.01μm-0.5μm之间的荧光膜，使待测样品成为镀膜样品；
步骤b、激光器发出激发光，经过耦合光纤和准直镜后形成平行光，平行光束经过物镜后在样品上形成聚焦光斑；
步骤c、镀膜样品发出的荧光经物镜、准直镜后汇聚至耦合光纤，透过滤波片后入射至光电探测器；
步骤d、位移执行器带动耦合光纤移动，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e、二维位移载平台带动样品二维移动，完成三维扫描测量。
步骤f、将镀膜样品溶于水或酒精、丙酮等有机溶剂，清洗膜，恢复待测样品镀膜前的状态。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
1、本发明能够测量光滑大陡度镜面物体和类镜面物体表面形貌，同现有方法相比，由于无需结合机械扫描与多角度探测器技术，因此可以避免机械扫描与多角度探测器技术带来的不确定度，提高测量精度；由于节省了数据融合的步骤，因此可以提高测量效率；由于省略了机械扫描装置或多探测器，因此又降低了成本；
2、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高陡度光学元件面形测量，实现了共焦轴向的高速扫描。
本发明适用于测量大口径高陡度光学元件。
附图说明
图1为所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微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中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，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)、准直镜(4)、物镜(5)和二维位移平台(9)；
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，所述点光源经所述准直镜(4)后形成平行光，所述平行光由所述物镜(5)将激光聚焦至镀有荧光膜的待测样品(6)上；
所述探测系统包括物镜(5)、准直镜(4)、耦合光纤(2)、滤波片(7)和光电探测器(8)；
待测样品(6)激发的荧光经物镜(5)、准直镜(4)聚焦至耦合光纤(2)，经过滤波片(7)后传导至所述光电探测器(8)；
所述照明系统和探测系统共用耦合光纤(2)、准直镜(4)、和物镜(5)；
所述位移执行器器件(3)为高速微位移器件，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中介层散射的针孔随动共焦显微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中介层散射的针孔随动共焦显微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中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法作进一步说明，本实施方式中，耦合光纤(2)由位移执行器件(3)带动进行扫描。
具体实施方式五：本实施方式是对所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法作进一步说明，本实施方式中，照明光波长范围为200nm-1000nm。
具体实施方式六：本实施方式是对所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法作进一步说明，所述的镀膜样品(6)表面通过镀膜工艺镀上一层荧光物质形成荧光膜，所述的荧光膜厚度在0.01μm-0.5μm之间，荧光物质膜在水或酒精、丙酮等有机溶剂中的溶解度大于5g/100g。
具体实施方式七：本实施方式是对所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法作进一步说明，位移执行器件(3)频率大于1KHz。
具体实施方式八：本实施方式是对所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法作进一步说明，滤波片(7)位于光电探测器(8)前。
具体实施方式九：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，该方法包括以下步骤：
步骤a、通过镀膜工艺在待测样品表面形成一层厚度在0.01μm-0.5μm之间的荧光膜，使待测样品成为镀膜样品(6)；
步骤b、激光器(1)发出激发光，经过耦合光纤(2)和准直镜(4)后形成平行光，平行光束经过物镜(5)后在样品(6)上形成聚焦光斑；
步骤c、镀膜样品(6)发出的荧光经物镜(5)、准直镜(4)后汇聚至耦合光纤(2)，透过滤波片(7)后入射至光电探测器(8)；
步骤d、位移执行器(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e、二维位移载平台(9)带动样品(6)二维移动，完成三维扫描测量。
步骤f、将镀膜样品(6)溶于水或酒精、丙酮等有机溶剂，清洗膜，恢复待测样品镀膜前的状态。
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 (9)

1.一种基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，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)、准直镜(4)、物镜(5)和二维位移平台(9)；
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，所述点光源经所述准直镜(4)后形成平行光，所述平行光由所述物镜(5)将激光聚焦至镀有荧光膜的待测样品(6)上；
所述探测系统包括物镜(5)、准直镜(4)、耦合光纤(2)、滤波片(7)和光电探测器(8)；待测样品(6)激发的荧光经物镜(5)、准直镜(4)聚焦至耦合光纤(2)，经过滤波片(7)后传导至所述光电探测器(8)；
所述照明系统和探测系统共用耦合光纤(2)、准直镜(4)、和物镜(5)；
所述位移执行器器件(3)为高速微位移器件，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所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，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所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，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所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，其特征在于耦合光纤(2)由位移执行器件(3)带动进行扫描。
5.根据权利要求1所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，其特征在于照明光波长范围为200nm-1000nm。
6.根据权利要求1所述的基于中介层散射的激光三角光测量装置和方法，其特征在于，所述的镀膜样品(6)表面通过镀膜工艺镀上一层荧光物质形成荧光膜，所述的荧光膜厚度在0.01μm-0.5μm之间，荧光物质膜在水或酒精、丙酮等有机溶剂中的溶解度大于5g/100g。
7.根据权利要求1所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，其特征在于位移执行器件(3)频率大于1KHz。
8.根据权利要求1所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，其特征在于滤波片(7)位于光电探测器(8)前。
9.在权利要求1所述的基于中介层散射的针孔随动共焦显微装置和方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、通过镀膜工艺在待测样品表面形成一层厚度在0.01μm-0.5μm之间的荧光膜，使待测样品成为镀膜样品(6)；
步骤b、激光器(1)发出激发光，经过耦合光纤(2)和准直镜(4)后形成平行光，平行光束经过物镜(5)后在样品(6)上形成聚焦光斑；
步骤c、镀膜样品(6)发出的荧光经物镜(5)、准直镜(4)后汇聚至耦合光纤(2)，透过滤波片(7)后入射至光电探测器(8)；
步骤d、位移执行器(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e、二维位移载平台(9)带动样品(6)二维移动，完成三维扫描测量。
步骤f、将镀膜样品(6)溶于水或酒精、丙酮等有机溶剂，清洗膜，恢复待测样品镀膜前的状态。
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