CN111366088B - 激光共聚焦测高方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精密光学仪器测量系统技术领域，公开了一种激光共聚焦测高系统，包括共聚焦直线光路和激光光源，在所述激光光源与其后侧的照明后镜组之间设置双孔模块，所述双孔模块包括并排布置的第二分光棱镜和第三分光棱镜，所述第三分光棱镜的分光面与第二分光棱镜的分光面在激光光路的法向面上翻转90度，在第三分光棱镜的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT和负离焦测试PMT，在正离焦测试PMT的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔，在负离焦测试PMT的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔。本发明还公开了激光共聚焦测高方法。本发明对待测物面的高度范围内实现高精度测高功能，并能判断表面具体的凸凹特征。
Description
技术领域
本发明涉及精密光学仪器测量系统技术领域，尤其涉及一种激光共聚焦测高方法。
背景技术
参见附图1，激光共焦测量是基于共焦成像原理实现的。点光源P位于准直物镜L1的焦点上，发出的平行光经分光镜分光进入成像物镜L2，在L2的焦点上成点光源P的像，即图1中待测样品P'。准直物镜L1的焦距为F1, 准直物镜L2的焦距为F2,当被测件（试样）表面位于L2的焦面上时（物距D1=F2），入射光原路返回，过分光镜和另一准直物镜L3后，在L3的焦点上成点光源P的第二次成像，即图1中探测器P''。只有当P，P'，P''在各自光学元件的焦点位置上，才成立共轭的成像关系，这就称为共焦成像。
现有的激光共聚焦技术，大多应用在显微系统中。如中国专利“共焦点显微镜、光学式高度测定方法及自动聚焦方法”（公开号：CN1511248A）。该系统有四种应用，分别是第1种共焦点显微镜、第2种共焦点显微镜、一种光学式高度测定方法、一种自聚焦方法。
该系统是由具有卤素光源或水银光源等的光源发出光线，光源与透镜2共同构成照明光学系统，经过分光镜3。在经过分光镜的反射光路上，由扫描盘4、成像透镜6、1/4波长板7、可变光圈13、物镜8和待测物体9组成了第1种共焦点显微镜；当该系统工作时，到达待测表面的光线经过反射后经过物镜等到达分光镜进行分光，经过透镜10、光圈141、透镜11用CCD相机12进行摄影，该图像被计算机14获取。通过两个光学系统，CCD相机拍摄物镜8的焦点面附近的分割图像。图像显示在计算机14的显示器上，则只有焦点面看起来是明亮的，沿光轴方向离开焦点面的部分看起来比较暗。并且，如果利用焦点移动装置15沿光轴方向移动待测样本或物镜8获取多张图像，则可以获得待测样本9的三维信息。
根据所获得的样本数据，拟合函数，该函数应使用高斯分布，并且在更换物镜的时候，其NA也会发生变化，则该系统测试精度和范围也会发生改变。
现有的共焦测量系统大多都是为了使其受众面更广，实现更多测量要求，比如物体轮廓测量、透明物体厚度测量、角度测量等等，为了兼容多样测量目标，则表现为结构复杂、体积大，不方便在设备中集成；由于不同受众对测试精度和测试范围不同，则系统表现为配置多，测试数据量大，算法处置速度变慢，减低了工作效率。并且大多数单孔测量系统无法直接判断测试表面具体特征是凸起还是凹陷。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种激光共聚焦测高方法，在待测物面的高度范围内实现高精度测高功能，并能判断表面具体的凸凹特征。
本发明采取的技术方案是：
一种激光共聚焦测高系统，其特征是，包括共聚焦直线光路和激光光源，所述共聚焦直线光路包括成像CMOS、成像后镜组、第一分光棱镜、主镜组和待测物面，所述激光光源通过照明后镜组向第一分光棱镜发射平行光，所述激光的入射方向与共聚焦直线光路垂直，在所述激光光源与照明后镜组之间设置双孔模块，所述双孔模块包括并排布置的第二分光棱镜和第三分光棱镜，所述激光光源、第二分光棱镜和第一分光棱镜位于同一激光光路上，当光线在经过双孔棱镜组的第二分光棱镜时，光线进行第一次分光，一部分光经过双孔棱镜组的第三分光棱镜进行第二次分光，在第三分光棱镜的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT和负离焦测试PMT，在正离焦测试PMT的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔，在负离焦测试PMT的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔。
进一步，在所述成像CMOS与第一分光棱镜的光路上，设置第一光阑。
进一步，所述第一光阑位于靠近第一分光棱镜的一侧。
进一步，在所述激光光源与第一分光棱镜的光路上，设置第二光阑。
进一步，所述第二光阑位于靠近第一分光棱镜的一侧。
进一步，所述正离焦位置和负离焦位置距离焦点的距离为1.5-2.5mm，所述正离焦小孔和负离焦小孔的通光口径为0.05-0.1mm。
进一步，所述成像CMOS的尺寸为1/2英寸至2/3英寸。
进一步，所述第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜的棱镜口径大于系统的通光口径。
一种应用于上述的激光共聚焦测高系统的激光共聚焦测高方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）在待测物面位置设置平面标定板，调节平面标定板的水平位置，使正离焦测试PMT和负离焦测试PMT表面能量数值最大，将平面标定板的位置定为零点；
（2）将待测物面置于零点；
（3）通过测高系统获取待测物面的表面信息；
（4）根据正离焦测试PMT和负离焦测试PMT的能量信息发生的变化，判断待测物面的表面状态：
a:当正离焦测试PMT上能量不变而负离焦测试PMT上能量变小，则待测物面的表面为凹陷；
b:当负离焦测试PMT上能量不变而正离焦测试PMT上能量变小，则待测物面的表面为凸起。
进一步，在步骤（1）中，还包括计算检测精度的步骤：调节平面标定板得到最佳焦面，记当时位置为d0,d0位置的正离焦测试PMT或负离焦测试PMT的表面能量值E0，再调整标定板位置至d1，记录d1位置正离焦测试PMT或负离焦测试PMT的表面能量值E1，则在平面标定板的移动位置范围内测高系统的检测精度为σ=（E1-E0）/(d1-d0)。
本发明的有益效果是：
（1）测试范围可达到±1.5mm，可以清晰的分辨凸起和凹陷，测试精度可达到1.5um；
（2）系统功能具有针对性，所以相较于现有测高类产品，目标性更强，结构更加简单紧凑，更适合集成在设备中；
（3）在PMT前增加小孔降低了杂散光对系统精度的影响；
（4）通过离焦测量的方式，增大了测试系统量程，并且可以清晰分辨表面特征是凸起或是凹陷。
附图说明
附图1是共焦成像原理结构示意图；
附图2是本发明的测高系统原理结构示意图；
附图3是附图2中双孔模块的原理结构示意图，附图3为附图2中双孔模块的俯视视图；
附图4是本发明的测高方法流程示意图。
附图中的标号分别为：
1. 成像CMOS； 2. 成像后镜组；
3. 第一光阑； 4. 第一分光棱镜；
5. 主镜组； 6. 待测物面；
7. 第二光阑； 8. 照明后镜组；
9. 第二分光棱镜； 10. 正离焦小孔；
11. 正离焦测试PMT； 12. 负离焦小孔；
13. 负离焦测试PMT； 14. 激光光源；
15. 双孔模块； 16. 第三分光棱镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明激光共聚焦测高方法的具体实施方式作详细说明。
参见附图2，激光共聚焦测高系统包括共聚焦直线光路和激光光源14，共聚焦直线光路包括成像CMOS1、成像后镜组2、第一分光棱镜4、主镜组5和待测物面6，激光光源14通过照明后镜组8向第一分光棱镜4发射平行光，激光的入射方向与共聚焦直线光路垂直。在激光光源14与照明后镜组8之间设置双孔模块15，激光光源14发射的激光可经双孔模块15向照明后镜组8传送。
在成像CMOS1与第一分光棱镜4的光路上位于靠近第一分光棱镜4的一侧，设置第一光阑3。在激光光源14与第一分光棱镜4的光路上位于靠近第一分光棱镜4的一侧，设置第二光阑7。
由激光光源14发出激光，经过双孔模块15后进入照明后镜组8，经第一分光棱镜4分光折射后进入主镜组5，然后光线到达待测物面6。根据待测物面6表面特征的不同，反射不同特征的光线返回主镜组5，经过第一分光棱镜4分光后，一部分光线经过第一光阑3进入成像后镜组2到达成像CMOS1表面，将待测物面6的像呈现在显示器上。
参见附图3，双孔模块15包括并排布置的第二分光棱镜9和第三分光棱镜16，激光光源14、第二分光棱镜9和第一分光棱镜4位于同一激光光路上，第三分光棱镜16的分光面与第二分光棱镜9的分光面在激光光路的法向面上翻转90度，在第三分光棱镜16的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT（光电倍增管）11和负离焦测试PMT13，在正离焦测试PMT11的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔10，在负离焦测试PMT13的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔12。
当待测物面6反射的光线返回主镜组5，经过第一分光棱镜4分光后，一部分光线经过第一光阑3进入成像后镜组2到达成像CMOS1表面，另一部分光线则经过第二光阑7和照明后镜组8，当光线在经过双孔棱镜组右侧的第二分光棱镜9时，光线进行第一次分光，一部分光经过双孔棱镜组左侧的第三分光棱镜16进行第二次分光，第二次分光的光路与激光光源14的光路以及第二分光棱镜9第一次分光时的光路均成90度。第二次分光的一部分光线经过负离焦小孔12到达负离焦测试PMT13；另一部分光线则经过正离焦小孔10到达正离焦测试PMT11。
本系统中应用的成像CMOS1根据实际待测物面的大小选择合适该系统的CMOS大小，其尺寸应大于光学系统的视场尺寸；比如实际待测物面4mm*4mm，光学系统倍率为1X，则可以选择大于1/2英寸大小的CMOS（1/2英寸CMOS尺寸:4.8mm*6.4mm），可选择1/1.8英寸的CMOS（5.4mm*7.2mm）或2/3英寸的CMOS（6.6mm*8.8mm）等。
成像后镜组2、主镜组5、照明后镜组8根据实际测试需要，设计满足倍率、NA、工作距等光学参数的光学系统即可。第一光阑3和第二光阑7的实际大小及离焦位置，需要根据对应光学系统的NA及倍率来计算。
第一分光棱镜4、第二分光棱镜9、第三分光棱镜16的实际大小根据光学系统设计过程实际的通光口径来决定，所选择棱镜口径应大于通光口径，并且便于光机结构的设计空间。
激光光源14的参数决定需要根据激光器的额定功率和光源发散角来决定，激光器额定功率不要太大，否则可能击穿PMT，额定功率也不能太小，否则能量微弱PMT接收不到，激光器额定功率优选选用10mW。
正离焦测试PMT11、负离焦测试PMT13的实际规格需要根据光机结构选择合适外形尺寸的PMT，感光区域的大小则主要参考透过小孔的光斑大小，要保证PMT能够接收所有到达其表面的光能。优选离焦小孔的通光口径为0.08mm,外形尺寸半径5mm；小孔的正负离焦位置大小均为2mm。
参见附图4，利用激光共聚焦测高系统进行测度的方法包括如下步骤：
（1）在待测物面6位置设置平面标定板，调节平面标定板的水平位置，使正离焦测试PMT11和负离焦测试PMT13表面能量数值最大，将平面标定板的位置定为零点；
（2）将待测物面6置于零点；
（3）通过测高系统获取待测物面6的表面信息；
（4）根据正离焦测试PMT11和负离焦测试PMT13的能量信息发生变化，判断待测物面6的表面状态：
a:当正离焦测试PMT11上能量不变而负离焦测试PMT13上能量变小，则待测物面6的表面为凹陷；
b:当负离焦测试PMT13上能量不变而正离焦测试PMT11上能量变小，则待测物面6的表面为凸起。
获取实际测量点的具体高度实则是一个相对测量的过程，故而初始调零很重要，即需要找到零点位置进行标记。进行调零时，要保证调零准确，并且多次重复调零，保证零位PMT能量显示一致。使用平面标定板的标定板平面是全反射且平面度符合标定要求。调整标定平面到镜头工作面的距离，找到最佳焦面,该位置为d0，记录d0位置PMT检测到的能量E0；再调整标定板，改变至位置d1（标定任意高度即可），记录d1位置PMT检测到的能量E1。可得到平面标定板的移动位置范围内测试能量变化为ΔE=E1-E0，则该系统计算检测精度为σ=ΔE/(d1-d0)。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种激光共聚焦测高方法，应用激光共聚焦测高系统实现，所述激光共聚焦测高系统包括共聚焦直线光路和激光光源，所述共聚焦直线光路包括成像CMOS、成像后镜组、第一分光棱镜、主镜组和待测物面，所述激光光源通过照明后镜组向第一分光棱镜发射平行光，所述激光的入射方向与共聚焦直线光路垂直，在所述激光光源与照明后镜组之间设置双孔模块，所述双孔模块包括并排布置的第二分光棱镜和第三分光棱镜，所述激光光源、第二分光棱镜和第一分光棱镜位于同一激光光路上，当待测物面的反射光线经过双孔模块的第二分光棱镜时，反射光线进行第一次分光，一部分光经过双孔模块的第三分光棱镜进行第二次分光，在第三分光棱镜的透光光路和分光光路上，分别设置正离焦测试PMT和负离焦测试PMT，在正离焦测试PMT的光路上的正离焦位置设置正离焦小孔，在负离焦测试PMT的光路上的负离焦位置设置负离焦小孔，
其特征在于：包括如下步骤：
（1）在待测物面位置设置平面标定板，调节平面标定板的水平位置，使正离焦测试PMT和负离焦测试PMT表面能量数值最大，将平面标定板的位置定为零点；
（2）将待测物面置于零点；
（3）通过测高系统获取待测物面的表面信息；
（4）根据正离焦测试PMT和负离焦测试PMT的能量信息发生的变化，判断待测物面的表面状态：
a:当正离焦测试PMT上能量不变而负离焦测试PMT上能量变小，则待测物面的表面为凹陷；
b:当负离焦测试PMT上能量不变而正离焦测试PMT上能量变小，则待测物面的表面为凸起。
2.根据权利要求1所述的激光共聚焦测高方法，其特征在于：在步骤（1）中，还包括计算检测精度的步骤：调节平面标定板得到最佳焦面，记当时位置为d0,d0位置的正离焦测试PMT或负离焦测试PMT的表面能量值E0，再调整标定板位置至d1，记录d1位置正离焦测试PMT或负离焦测试PMT的表面能量值E1，则在平面标定板的移动位置范围内测高系统的检测精度为σ=（E1-E0）/(d1-d0)。
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