CN111288927A - 基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法及装置，属于光学精密检测领域。本发明利用直径小于物镜入瞳的离轴且平行于光轴的准直光束入射至物镜产生的斜照明聚焦光束来测量自由曲面样品，通过改变离轴准直光束的离轴量来控制物镜斜照明聚焦光束的倾斜角度，使其与自由曲面的法线方向一致，从而使聚焦至自由曲面的照明光束原光路返回以实现共光路，并利用激光差动共焦测量方法对轴向焦点位置进行法向跟踪探测，以获得自由曲面样品的形貌参数。本发明利用差动共焦技术对自由曲面样品进行非接触测量，并通过控制器保持对样品的法向跟踪和轴向焦点跟踪，具备高测量效率和纳米级测量精度。

Description

基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法及装置，属于光学精密检测领域。

背景技术

自由曲面光学元件具有较大的表面形貌自由度，在成像系统中具有改善光学系统成像质量、提高分辨能力、增大作用距离、简化仪器结构、减小仪器体积重量和提高可靠性等优点。使用自由曲面光学系统代替的平面镜、球面镜、共轴二次曲面镜等已经成为光学系统发展的重要趋势。但是，自由曲面在增加了设计自由度的同时，对光学设计、加工和检测提出了更高的要求。随着光学CAD与数控金刚石点加工技术在光学设计与制造中得到成功应用，自由曲面的设计与加工已不再是主要技术障碍，但测量问题却成为亟待研究解决的难题。金刚石点加工技术对自由曲面面形的加工精度，主要取决于对面形上各点空间坐标的测量准确度，因此，元件面形能否满足设计要求，必须由高精度的检测技术来保证。

目前，国际上自由曲面的表面轮廓测量方法，主要分为光场图像探测法、层析扫描探测法和探针三维扫描探测法三大类。其中，图像探测法测量过程无需对样品进行扫描，测量速度快，但易受到样品表面反射率、粗糙度等特性差异影响，无法适应任意倾角变化的自由曲面高精度测量；层析扫描法原理简单，但对被测零件的尺寸和材料都有一定限制，对运行环境要求较高，现有仪器测量精度较低。

探针三维扫描探测法，采用探针对被测自由曲面样品表面进行逐点定位，通过测量各个位置点的坐标重构得到样品表面形貌，通常由坐标测量机驱动探针进行探测，该方法具有测量精度高、适用范围广等优势，已逐渐成为自由曲面测量的主流技术。传统的探针三维扫描测量方法包括：清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。其中，清晰度法利用数字图像处理技术，对光学系统的成像质量进行判定，寻找成像最为清晰的点作为定焦位置，但受衍射限制十分明显，瞄准定位灵敏度较低，定位精度仅为微米量级。飞行时间法测量原理简单,不需要图像处理，但分辨率较低，不适用于精密测量环境中。干涉方法的灵敏度很高，其轴向定位精度为纳米级，但是对测量环境要求苛刻，并且容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响，实际工程应用受到较大限制。共焦法定焦精度较高，抗环境干扰能力强，并且对样品表面属性差异影响具有一定的抑制能力，但同样容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响。

综上所述，现有测量方法测量精度受样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响大，是目前提高自由曲面轮廓测量精度的主要瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法及装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法，利用直径小于物镜入瞳的离轴且平行于光轴的准直光束入射至物镜产生的斜照明聚焦光束来测量自由曲面样品，通过改变离轴准直光束的离轴量来控制物镜斜照明聚焦光束的倾斜角度，使物镜斜照明聚焦光束与自由曲面的法线方向一致，从而使聚焦至自由曲面的照明光束原光路返回以实现共光路，并利用激光差动共焦测量方法对轴向焦点位置进行法向跟踪探测，以获得自由曲面样品的形貌参数；

具体包括以下步骤：

步骤一：扫描控制器控制二维精密位移台进行横向位置扫描，对放置于二维精密位移台上的自由曲面样品的测量点M进行轴向位置测量，激光二极管光源经过准直镜准直，准直光束经过X光学平板和Y光学平板折射后产生离轴量为r的离轴准直光束，离轴准直光束入射至物镜的入瞳；并且，离轴准直光束的平面光斑直径必须小于物镜的入瞳直径；

步骤二：离轴准直光束经由物镜聚焦后照射至自由曲面样品，由自由曲面样品反射的光束依次经过物镜、Y光学平板和X光学平板后，一部分经由B分光镜反射，由四象限探测器进行光斑位置探测，一部分经由A分光镜反射，由激光差动共焦探测模块进行样品的轴向焦点位置探测；

其中，X光学平板和Y光学平板的旋转使入射光束产生离轴量r，法向控制器根据四象限探测器的探测信号对X电机和Y电机进行伺服控制，使得返回光的光束中心位置始终处于四象限探测器的中心，即使得物镜斜照明聚焦光束的倾斜方向与自由曲面样品在该点的法线方向一致，从而使照射至自由曲面样品的探测光束按照原光路返回至激光差动共焦探测模块；

步骤三：轴向控制器控制物镜驱动器进行定焦跟踪，沿原光路返回的探测光束进入差动共焦探测模块，通过轴向控制器控制物镜驱动器轴向运动，使得差动共焦轴向强度曲线处于零点，此时物镜的聚焦点位于自由曲面表面，即物镜驱动器的轴向位置对应自由曲面样品的轴向坐标，扫描控制器读取物镜驱动器的轴向位置，即在法向跟踪的前提下，利用激光差动共焦测量方法完成对测量点M的轴向位置的测量；

其中，激光差动共焦探测模块由收集透镜、C分光镜、A针孔、A光电探测器、和B针孔、B光电探测器组成；所述A针孔位于收集透镜焦面前d距离处；所述B针孔位于收集透镜焦面后d距离处；并且，安装保证A光电探测器和B光电探测器的能够收集透过A针孔和B针孔的全部光强；差动共焦轴向强度曲线由A光电探测器和B光电探测器分别输出的A共焦轴向强度曲线和B共焦轴向强度曲线差动相减得到；

步骤四：扫描控制器控制二维精密位移台进行横向位置扫描，对置于二维精密位移台上的自由曲面样品的下一坐标点进行轴向位置测量，重复步骤一至三，完成对整个自由曲面样品的测量。

基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量装置，包含激光二极管光源、准直镜、A分光镜、B分光镜、X电机、X光学平板、Y电机、Y光学平板、物镜驱动器、物镜、自由曲面样品、二维精密位移台、四象限探测器、收集透镜、A针孔、A光电探测器、C分光镜、B针孔、B光电探测器、法向控制器、轴向控制器和扫描控制器；

自由曲面样品置于二维精密位移台上，并由物镜驱动器驱动物镜进行轴向位置跟踪探测；激光二极管光源位于准直镜的焦点处，准直出射的光束与物镜同轴；

X光学平板、Y光学平板及X电机、Y电机组成光束位移模块；X光学平板固定于X电机转轴上，Y光学平板固定于Y电机转轴上，X电机和Y电机的放置均垂直于准直镜的光轴，保证X电机和Y电机正交，且准直镜的准直光束通过X光学平板和Y光学平板产生离轴位移；通过所述X电机和Y电机带动X光学平板和Y光学平板旋转，对准直光束的离轴量进行调节；

在准直镜和光束位移模块之间依次放置A分光镜和B分光镜，在B分光镜的反射光束光轴上放置四象限探测器，在A分光镜的反射光束光轴上依次配置有收集透镜、A针孔和A光电探测器，在收集透镜与A针孔之间配置有C分光镜，在C分光镜的反射光束光轴上依次配置B针孔和B光电探测器；所述A针孔位于收集透镜焦面前d距离处；所述B针孔位于收集透镜焦面后d距离处；并且，安装保证A光电探测器和B光电探测器能够收集透过A针孔和B针孔的全部光强；

法向控制器采集四象限探测器的信号，并根据四象限探测器上的光斑位置对X电机和Y电机进行反馈控制，确保返回光束始终处于四象限探测器的中心；

轴向控制器读取差动共焦模块中的A光电探测器和B光电探测器的输出信号，并将A光电探测器和B光电探测器分别输出的A共焦轴向强度曲线和B共焦轴向强度曲线差动相减得到差动共焦轴向强度曲线；通过轴向控制器控制物镜驱动器驱动物镜轴向运动，使差动共焦轴向强度曲线处于零点，即使得自由曲面样品的测量点M处于物镜的焦点，从而实现对自由曲面样品的定焦跟踪；

扫描控制器控制二维精密位移台进行二维扫描运动，并读取物镜驱动器的轴向位置，通过扫描坐标与轴向位置数据重建出自由曲面样品的三维轮廓。

有益效果

(1)本发明利用差动共焦探测技术，通过光束离轴控制实现法向跟踪，使得测量光束始终垂直汇聚于被测自由曲面样品表面，并使得反射光束与测量光束共光路，利于在大角度范围内保持差动共焦探测技术的高灵敏定焦能力。

(2)本发明利用差动共焦技术对自由曲面样品进行非接触测量，并通过控制器保持对样品的法向跟踪和轴向焦点跟踪，具备较高的测量效率和纳米级测量精度。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明光路部分示意图；

图3为本发明控制框图；

图4为本发明扫描路径示意图；

图5为本发明差动共焦轴向强度曲线示意图；

图6为本发明光束离轴示意图。

图中：1-激光二极管光源、2-准直镜、3-A分光镜、4-B分光镜、5-X电机、6-X光学平板、7-Y电机、8-Y光学平板、9-物镜驱动器、10-物镜、11-自由曲面样品、12-二维精密位移台、13-四象限探测器、14-收集透镜、15-A针孔、16-A光电探测器、17-C分光镜、18-B针孔、19-B光电探测器、20-法向控制器、21-轴向控制器、22-扫描控制器、23-A共焦轴向强度曲线、24-B共焦轴向强度曲线、25-差动共焦轴向强度曲线、26-物镜的入瞳、27-离轴准直光束的平面光斑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

本实施例基于图1所示的基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量装置来实现，包括激光二极管光源1、准直镜2、A分光镜3、B分光镜4、X电机5、X光学平板6、Y电机7、Y光学平板8、物镜驱动器9、物镜10、自由曲面样品11、二维精密位移台12、四象限探测器13、收集透镜14、A针孔15、A光电探测器16、C分光镜17、B针孔18、B光电探测器19、法向控制器20、轴向控制器21和扫描控制器22；

按照图3所示的控制框图，法向控制器20采集四象限探测器13的信号，并根据四象限探测器13上的光斑位置对X电机5和Y电机7进行反馈控制，确保返回光束始终处于四象限探测器13的中心；

轴向控制器21读取差动共焦模块中的A光电探测器16和B光电探测器19的输出信号，并将A光电探测器16和B光电探测器19分别输出的A共焦轴向强度曲线23和B共焦轴向强度曲线24差动相减得到差动共焦轴向强度曲线25；通过轴向控制器21控制物镜驱动器9驱动物镜10轴向运动，使差动共焦轴向强度曲线25处于零点，即使得自由曲面样品11的测量点M处于物镜10的焦点，从而实现对自由曲面样品11的定焦跟踪；

扫描控制器22控制二维精密位移台12进行二维扫描运动，并读取物镜驱动器9的轴向位置坐标，通过扫描坐标与轴向坐标数据重建出自由曲面样品11的三维轮廓；

其中，自由曲面样品11置于二维精密位移台12上，由扫描控制器22驱动二维精密位移台12按照图4所示扫描路径进行运动，并由物镜驱动器9驱动物镜10对自由曲面样品11进行轴向位置跟踪探测；

光束位移模块由X光学平板6、Y光学平板8及X电机5、Y电机7组成；X光学平板6固定于X电机5转轴上，Y光学平板8固定于Y电机7转轴上，X电机5和Y电机7的放置均垂直于准直镜2的光轴，保证X电机5和Y电机7正交，且准直镜2的准直光束通过X光学平板6和Y光学平板8产生离轴位移；通过所述X电机和Y电机带动X光学平板和Y光学平板旋转，对准直光束的离轴量进行调节；

差动共焦探测模块由收集透镜14、A针孔15、A光电探测器16、C分光镜17、B针孔18和B光电探测器19组成；在收集透镜14与A针孔15之间配置有C分光镜17，在C分光镜17的反射光束光轴上依次配置B针孔18和B光电探测器19；所述A针孔15位于收集透镜14焦面前d距离处；所述B针孔18位于收集透镜14焦面后d距离处；并且，安装保证A光电探测器16和B光电探测器19能够收集透过A针孔15和B针孔18的全部光强；

通过光束位移模块产生的光束离轴效果如图2和图6所示，其中X光学平板6和Y光学平板8的转动角度越大，根据平板的折射作用，光束的离轴量r越大，那么，离轴准直光束经过物镜10汇聚后仍然聚焦于物镜10焦点，但由于离轴准直光束的平面光斑27不充满物镜的入瞳26，汇聚光束的角度变为β，与自由曲面样品11在测量点M的法线方向一致，即可实现对自由曲面样品11的法向跟踪；

当汇聚光束的角度与自由曲面样品11在测量点M的法线方向不一致时，返回光束经过分光镜4反射在四象限探测器13的光斑不会处于四象限探测器13的中心，因此，法向控制器20根据四象限探测器13的探测信号对X电机5和Y电机7进行伺服控制，使得返回光的光束中心位置始终处于四象限探测器13的中心，即说明实现了对自由曲面样品11的法向跟踪；

由于已经实现了对自由曲面样品11的法向跟踪，因此探测光束沿原光路返回，轴向控制器21控制物镜驱动器9进行定焦跟踪，进入差动共焦探测模块，通过轴向控制器21控制物镜驱动器9轴向运动，使得差动共焦轴向强度曲线25处于零点，此时物镜10的聚焦点位于自由曲面表面，即物镜驱动器9的轴向位置对应自由曲面样品11的轴向坐标，扫描控制器22读取物镜驱动器9的轴向位置，即在法向跟踪的前提下，利用激光差动共焦测量方法完成对测量点M的轴向位置的测量；

在完成对测量点M的轴向位置测量后，扫描控制器22驱动二维精密位移台12按照图4所示扫描路径进行扫描探测，直至完成全部扫描点，进而重建出自由曲面样品11的三维轮廓。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法，其特征在于：利用直径小于物镜入瞳的离轴且平行于光轴的准直光束入射至物镜产生的斜照明聚焦光束来测量自由曲面样品，通过改变离轴准直光束的离轴量来控制物镜斜照明聚焦光束的倾斜角度，使物镜斜照明聚焦光束与自由曲面的法线方向一致，从而使聚焦至自由曲面的照明光束原光路返回以实现共光路，并利用激光差动共焦测量方法对轴向焦点位置进行法向跟踪探测，以获得自由曲面样品的形貌参数；

具体包括以下步骤：

步骤一：扫描控制器(22)控制二维精密位移台(12)进行横向位置扫描，对放置于二维精密位移台(12)上的自由曲面样品(11)的测量点M进行轴向位置测量，激光二极管光源(1)经过准直镜(2)准直，准直光束经过X光学平板(6)和Y光学平板(8)折射后产生离轴量为r的离轴准直光束，离轴准直光束入射至物镜(10)的入瞳；并且，离轴准直光束的平面光斑(27)直径必须小于物镜的入瞳(26)直径；

步骤二：离轴准直光束经由物镜(10)聚焦后照射至自由曲面样品(11)，由自由曲面样品(11)反射的光束依次经过物镜(10)、Y光学平板(8)和X光学平板(6)后，一部分经由B分光镜(4)反射，由四象限探测器(13)进行光斑位置探测，一部分经由A分光镜(3)反射，由激光差动共焦探测模块进行样品的轴向焦点位置探测；

其中，X光学平板(6)和Y光学平板(8)的旋转使入射光束产生离轴量r，法向控制器(20)根据四象限探测器(13)的探测信号对X电机(5)和Y电机(7)进行伺服控制，使得返回光的光束中心位置始终处于四象限探测器(13)的中心，即使得物镜(10)斜照明聚焦光束的倾斜方向与自由曲面样品(11)在该点的法线方向一致，从而使照射至自由曲面样品(11)的探测光束按照原光路返回至激光差动共焦探测模块；

步骤三：轴向控制器(21)控制物镜驱动器(9)进行定焦跟踪，沿原光路返回的探测光束进入差动共焦探测模块，通过轴向控制器(21)控制物镜驱动器(9)轴向运动，使得差动共焦轴向强度曲线(25)处于零点，此时物镜(10)的聚焦点位于自由曲面表面，即物镜驱动器(9)的轴向位置对应自由曲面样品(11)的轴向坐标，扫描控制器(22)读取物镜驱动器(9)的轴向位置，即在法向跟踪的前提下，利用激光差动共焦测量方法完成对测量点M的轴向位置的测量；

其中，激光差动共焦探测模块由收集透镜(14)、C分光镜(17)、A针孔(15)、A光电探测器(16)、B针孔(18)和B光电探测器(19)组成；所述A针孔(15)位于收集透镜(14)焦面前d距离处；所述B针孔(18)位于收集透镜(14)焦面后d距离处；并且，安装保证A光电探测器(16)和B光电探测器(19)的能够收集透过A针孔(15)和B针孔(18)的全部光强；差动共焦轴向强度曲线(25)由A光电探测器(16)和B光电探测器(19)分别输出的A共焦轴向强度曲线(23)和B共焦轴向强度曲线(24)差动相减得到；

步骤四：扫描控制器(22)控制二维精密位移台(12)进行横向位置扫描，对置于二维精密位移台(12)上的自由曲面样品(11)的下一坐标点进行轴向位置测量，重复步骤一至三，完成对整个自由曲面样品(11)的测量。

2.基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量装置，其特征在于：包含激光二极管光源(1)、准直镜(2)、A分光镜(3)、B分光镜(4)、X电机(5)、X光学平板(6)、Y电机(7)、Y光学平板(8)、物镜驱动器(9)、物镜(10)、自由曲面样品(11)、二维精密位移台(12)、四象限探测器(13)、收集透镜(14)、A针孔(15)、A光电探测器(16)、C分光镜(17)、B针孔(18)、B光电探测器(19)、法向控制器(20)、轴向控制器(21)和扫描控制器(22)；

自由曲面样品(11)置于二维精密位移台(12)上，并由物镜驱动器(9)驱动物镜(10)进行轴向位置跟踪探测；激光二极管光源(1)位于准直镜(2)的焦点处，准直出射的光束与物镜(10)同轴；

X光学平板(6)、Y光学平板(8)及X电机(5)、Y电机(7)组成光束位移模块；X光学平板(6)固定于X电机(5)转轴上，Y光学平板(8)固定于Y电机(7)转轴上，X电机(5)和Y电机(7)的放置均垂直于准直镜(2)的光轴，保证X电机(5)和Y电机(7)正交，且准直镜(2)的准直光束通过X光学平板(6)和Y光学平板(8)产生离轴位移；通过所述X电机(5)和Y电机(7)带动X光学平板(6)和Y光学平板旋转(8)，对准直光束的离轴量进行调节；

在准直镜(2)和光束位移模块之间依次放置A分光镜(3)和B分光镜(4)，在B分光镜(4)的反射光束光轴上放置四象限探测器(13)，在A分光镜(3)的反射光束光轴上依次配置有收集透镜(14)、A针孔(15)和A光电探测器(16)，在收集透镜(14)与A针孔(15)之间配置有C分光镜(17)，在C分光镜(17)的反射光束光轴上依次配置B针孔(18)和B光电探测器(19)；所述A针孔(15)位于收集透镜(14)焦面前d距离处；所述B针孔(18)位于收集透镜(14)焦面后d距离处；并且，安装保证A光电探测器(16)和B光电探测器(19)能够收集透过A针孔(15)和B针孔(18)的全部光强；

法向控制器(20)采集四象限探测器(13)的信号，并根据四象限探测器(13)上的光斑位置对X电机(5)和Y电机(7)进行反馈控制，确保返回光束始终处于四象限探测器(13)的中心；

轴向控制器(21)读取差动共焦模块中的A光电探测器(16)和B光电探测器(19)的输出信号，并将A光电探测器(16)和B光电探测器(19)分别输出的A共焦轴向强度曲线(23)和B共焦轴向强度曲线(24)差动相减得到差动共焦轴向强度曲线(25)；通过轴向控制器(21)控制物镜驱动器(9)驱动物镜(10)轴向运动，使差动共焦轴向强度曲线(25)处于零点，即使得自由曲面样品(11)的测量点M处于物镜(10)的焦点，从而实现对自由曲面样品(11)的定焦跟踪；

扫描控制器(22)控制二维精密位移台(12)进行二维扫描运动，并读取物镜驱动器(9)的轴向位置，通过扫描坐标与轴向位置数据重建出自由曲面样品(11)的三维轮廓。

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