CN112710251B - 一种多模式光学在线测量装置及测量方法 - Google Patents

一种多模式光学在线测量装置及测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112710251B
CN112710251B CN202011497868.9A CN202011497868A CN112710251B CN 112710251 B CN112710251 B CN 112710251B CN 202011497868 A CN202011497868 A CN 202011497868A CN 112710251 B CN112710251 B CN 112710251B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
beam splitter
objective lens
splitter prism
reflected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011497868.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112710251A (zh
Inventor
张宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeast Electric Power University
Original Assignee
Northeast Dianli University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeast Dianli University filed Critical Northeast Dianli University
Priority to CN202011497868.9A priority Critical patent/CN112710251B/zh
Publication of CN112710251A publication Critical patent/CN112710251A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112710251B publication Critical patent/CN112710251B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明一种多模式光学在线测量装置及测量方法，属于光学测量技术领域，设计了一种多模式光学在线测量装置，在干涉测量技术的基础上引入差动共焦显微技术，满足不同动态范围光学曲面宏观面形以及表面粗糙度的在线测量；并提出了一种多模光学在线测量方法，实现了不同动态范围光学曲面宏观面形及其表面粗糙度在同一台装置中的在线测量，LED干涉显微测量、单波长激光干涉测量、双波长激光干涉测量及差动共焦显微测量四种工作模式的融合，形成了适合不同动态范围光学曲面宏观面形及表面粗糙度的光学测量技术，为光学在线测量提供了一种新的有利工具。

Description

一种多模式光学在线测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种多模式光学在线测量装置及测量方法。
背景技术
随着现代光学、光电子信息技术以及航空航天技术的快速发展，对高精度光学元件的需求越来越迫切。一般光学元件可分为球面和自由曲面。球面加工简单、成品率高且易于批量生产，但其光学性能存在缺陷，如成像体系中焦点不一致、单独成像时伴随着无法克服的像差等，大大降低了成像质量。对比于传统的球面，光学自由曲面对像差校正和控制光线方向有着更大的自由度，并且能够简化光学系统，使其结构更加紧凑的同时，具有更高的光学性能。
加工出高精度高性能的光学曲面，就需要更高精度的测量手段。目前，对于光学曲面的测量有很多接触式和非接触式的测量方法，对于高精度的光学曲面，采用接触式测量容易划伤表面。非接触式测量又分为干涉法和扫描法。干涉法由于具有高精度和非接触式全场测量特点，在光学元件的面形测量中得到了极其广泛的应用。针对处于加工阶段的光学元件而言，通常需要同时测得其不同空间频率范围内的面形信息，进而对其表面加工特性进行评价反馈。针对不同空间频率范围的干涉测量需要，可采用激光干涉技术和干涉显微技术来分别获取低频和中高频范围面形信息。激光干涉技术可用于实现低频段宏观面形误差的测量，干涉显微技术可实现微观轮廓(表面粗糙度)测量，具有纳米级的分辨率。一般来说，普通干涉技术测试范围有限，适合于球面的宏观面形测量，而采用双波长干涉技术可以增大测试范围，实现对小范围自由曲面的宏观面形测量，而对于大范围自由曲面来说，每测试一个自由曲面，就需要一个CGH或者零透镜，大大增加了测量的造价，因此大范围自由曲面宏观面形的测试主要采用共焦显微技术，而对于自由曲面的表面粗糙度的测量，仍然可以采用干涉显微技术。
现有商业干涉仪和共焦显微设备由于系统体积和抗干扰能力的限制一般只能用于实验室环境的离线式测量，因而只能将被测元件从车削机床上拆卸下来进行测量，这也对其复位到车削平台的安装调整精度提出了很高的要求，整个测量过程费时费力且效率低。尤其是在加工前的对刀阶段，需要对对中工具的整体面形以及微观加工刀痕进行反复测量，在此基础上对刀具进行调整，因而极其需要可直接在线测量的检测仪器。针对加工在线测量需要，学者们对紧凑型干涉仪、共焦显微测头和光学偏折术等方法和装置进行了研究，并开发了相应的应用装置。但现有的各种测量仪器，都只能实现单一工作模式，即宏观面形或表面粗糙度的测量，而无法同时实现两种测量模式，并且对于不同动态范围光学曲面的宏观面形，无法在一台装置中实现测量，这也导致需要同时用多个测量仪器组合才能实现加工过程中光学元件面形信息的全面评价。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，设计了一种多模式光学在线测量装置，并提出了多模式光学在线测量方法，实现了不同动态范围光学曲面的宏观面形及表面粗糙度在同一台装置中的在线测量。
实现本发明的技术方案之一是：一种多模式光学在线测量装置，它包括：计算机25，其特征是，它还包括：LED光源1、A聚焦物镜2、A分光棱镜3、B聚焦物镜4、反射镜5、A压电陶瓷6、B分光棱镜7、C聚焦物镜8、待测曲面、C分光棱镜10、D聚焦物镜11、面阵光电探测器12、A激光器13、E聚焦物镜14、D分光棱镜15、F聚焦物镜16、B激光器17、E分光棱镜18、G聚焦物镜19、A狭缝20、A线阵光电探测器21、H聚焦物镜22、B狭缝23、B线阵光电探测器24，在所述的LED光源1和待测曲面间依次设置A聚焦物镜2、A分光棱镜3、B分光棱镜7、C聚焦物镜8，在所述的A激光器13和面阵光电探测器12间依次设置E聚焦物镜14、D分光棱镜15、C分光棱镜10、D聚焦物镜11，在所述的反射镜5和A狭缝20间依次设置B聚焦物镜4、B分光棱镜7、C分光棱镜10、E分光棱镜18、G聚焦物镜19、A狭缝20，在所述的反射镜5后设置A压电陶瓷6，在所述的A狭缝20后设置A线阵光电探测器21，在所述的B激光器17左侧依次设置F聚焦物镜16、D分光棱镜15、A分光棱镜3，在所述的B线阵光电探测器24前依次设置B狭缝23、H聚焦物镜22、E分光棱镜18，所述的计算机25与面阵光电探测器12、A线阵光电探测器21、B线阵光电探测器24电连接；
所述的LED光源1发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜2、A分光棱镜3，经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，透射光通过C聚焦物镜8，照射在待测曲面上；反射光通过B聚焦物镜4聚焦至反射镜5；经所述的反射镜5和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦至面阵光电探测器12，接收干涉图光强信息，传送至计算机25；
所述的A激光器13发出的光经E聚焦物镜14聚焦后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光通过C聚焦物镜8，照射在待测曲面上；经所述的反射镜5和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦至面阵光电探测器12，接收干涉图光强信息，传送至计算机25；
所述的A激光器13发出的光经E聚焦物镜14聚焦后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7、C聚焦物镜8，照射在待测曲面上，经待测曲面反射的光经B分光棱镜7反射，经过C分光棱镜10后，再经过E分光棱镜18分成两束光，其中一束透射，一束反射，透射光经G聚焦物镜19聚焦，通过A狭缝20，A线阵光电探测器21接收离焦光强，传送至计算机25；反射光经H聚焦物镜22聚焦，通过B狭缝23，B线阵光电探测器24接收离焦光强，传送至计算机25；
所述的B激光器17发出的光，依次通过F聚焦物镜16、D分光棱镜15后，经A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光通过C聚焦物镜8，照射在待测曲面上；经所述的反射镜5和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦至面阵光电探测器12，接收干涉图光强信息，传送至计算机25。
所述的待测曲面为待测大范围自由曲面26。
它还包括：电动平移台30，所述的电动平移台30设置在待测大范围自由曲面26后，电动平移台30与待测大范围自由曲面26固连。
所述的待测曲面为待测球面9。
所述的待测曲面为待测小范围自由曲面27。
实现本发明的技术方案之二是：一种表面粗糙度的LED干涉显微测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
6.1.打开LED光源1，其发出的光经A聚焦物镜2、A分光棱镜3后，再经过B分光光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5上，透射光经C聚焦物镜8聚焦至待测球面9、待测大范围自由曲面26或待测小范围自由曲面27，经反射镜5和待测球面9、待测大范围自由曲面26或待测小范围自由曲面27反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦；
6.2.将面阵光电探测器12置于D聚焦物镜11之后，采用A压电陶瓷6移动反射镜5，面阵光电探测器12采集多幅相移干涉图光强信息；
6.3.面阵光电探测器12将多幅相移干涉图光强信息送至计算机25，计算出相位信息，完成待测球面9、待测大范围自由曲面26或待测小范围自由曲面27的粗糙度的测量。
实现本发明的技术方案之三是：一种球面宏观面形的单波长激光干涉测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
7.1.打开A激光器13，其发出的光经E聚焦物镜14准直后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光经C聚焦物镜8照射待测球面9，经反射镜5和待测球面9反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦；
7.2.将面阵光电探测器12置于D聚焦物镜11之后，采用A压电陶瓷6移动反射镜5，面阵光电探测器12采集多幅相移干涉图光强信息；
7.3.面阵光电探测器12将多幅相移干涉图光强信息送至计算机25，计算出相位信息，完成待测球面9的宏观面形的测量。
实现本发明的技术方案之四是：一种小范围自由曲面宏观面形的双波长激光干涉测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
8.1.打开A激光器13，其发出的光经E聚焦物镜14准直后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光经C聚焦物镜8照射待测小范围自由曲面27，经反射镜5和待测球面9反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦；
8.2.将面阵光电探测器12置于D聚焦物镜11之后，采用A压电陶瓷6移动反射镜5，面阵光电探测器12采集多幅相移干涉图的光强信息；
8.3.面阵光电探测器12将多幅条纹密集的相移干涉图的光强信息送至计算机25，计算出A激光器13相应波长对应的相位信息；
8.4.关闭A激光器13，打开B激光器17，其发出的光经F聚焦物镜16、D分光棱镜15后，经A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光经C聚焦物镜8照射待测小范围自由曲面27，经反射镜5和待测球面9反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦，再次执行8.2和8.3步骤，计算出B激光器17相应波长对应的相位信息；
8.5.利用两次测量得到的相位
Figure BDA0002842707480000041
和
Figure BDA0002842707480000042
便可计算出待测小范围自由曲面27的高度信息，从而完成待测小范围自由曲面27的宏观面形的测量，其计算公式为：
Figure BDA0002842707480000043
式中Λ为等效波长，
Figure BDA0002842707480000044
其中λ1和λ2分别为A激光器13和B激光器17相应的波长。
实现本发明的技术方案之五是：一种大范围自由曲面的差动共焦显微测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
9.1.将待测大范围自由曲面26替换为标准平面28，在标准平面28下固连B压电陶瓷29，打开A激光器13，其发出的光经E聚焦物镜14后准直，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，然后经过B分光棱镜7透射，由C聚焦物镜8聚焦到标准平面28上；
9.2.光经标准平面28反射后，再次经过C聚焦物镜8，经B分光棱镜7反射后，再经过C分光棱镜10分成两束光，其中一束透射，一束反射，调整狭缝的位置使得透射光和反射光分别经G聚焦物镜19和H聚焦物镜22聚焦至A狭缝20和B狭缝23上；
9.3.沿透射光路和反射光路方向平移A狭缝20和B狭缝23，使得A狭缝20及B狭缝23分别位于焦面对称的后和前两处离焦位置(+um和-um)处；
9.4.调整A线阵光电探测器21和B线阵光电探测器24的装调位置，使得两个线阵光电探测器分别放置于所述两个狭缝之后，并且透射光和反射光能够被两个线阵光电探测器全部接收；
9.5.采用A线阵光电探测器21和B线阵光电探测器24采集透射光和反射光的离焦光强信息并送至计算机25；
9.6.利用公式(2)计算出归一化差动光强；
Figure BDA0002842707480000051
其中I为光强信息，u为轴向坐标信息，Γ为归一化差动光强。
9.7.采用B压电陶瓷29等间隔移动标准平面28，得到归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线；
9.8.将标准平面28替换为待测大范围自由曲面26，并撤下B压电陶瓷29，在待测大范围自由曲面26下固连电动平移台30，并采用电动平移台30等间隔水平移动待测大范围自由曲面26，采集整个待测大范围自由曲面26的离焦光强，将离焦光强传送至计算机25计算出归一化差动光强，与9.7的关系曲线对比，得到待测大范围自由曲面26的轴向坐标，完成待测大范围自由曲面26的宏观面形的测量。
本发明一种多模式光学在线测量装置及测量方法的有益效果体现在：
1、一种多模式光学在线测量装置，在干涉测量技术的基础上引入差动共焦显微技术，满足不同动态范围宏观面形以及表面粗糙度的在线测量；
2、一种多模式光学在线测量方法，通过引入LED光源、两种不同波长的激光光源，以及面阵光电探测器和两个线阵光电探测器实现四种在线测量模式。LED干涉测量模式，实现光学表面粗糙度的测量；单波长激光干涉测量模式实现球面宏观面形的测量；引入双激光光源，构建双波长激光干涉测量模式，增大单波长激光干涉测量模式的测试范围，实现小范围自由曲面的宏观面形测量；引入大测量范围、高轴向分辨率的差动共焦显微测量模式，实现大范围自由曲面的宏观面形测量。LED干涉显微测量、单波长激光干涉测量、双波长激光干涉测量及差动共焦显微测量四种工作模式的融合，形成了适合不同动态范围宏观面形及表面粗糙度的光学测量技术，为光学在线测量提供了一种新的有利工具。
附图说明
图1是实施例1，LED干涉显微测量球面表面粗糙度的装置示意图；
图2是实施例1，LED干涉显微测量大范围自由曲面表面粗糙度的装置示意图；
图3是实施例1，LED干涉显微测量小范围自由曲面表面粗糙度的装置示意图；
图4是实施例2，单波长激光干涉测量球面宏观面形的装置示意图；
图5是实施例3，双波长激光干涉测量小范围自由曲面宏观面形的装置示意图；
图6是实施例4，归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线获取装置示意图；
图7是实施例4，差动共焦显微测量大范围自由曲面宏观面形的装置示意图。
图中：1.LED光源，2.A聚焦物镜，3.A分光棱镜，4.B聚焦物镜，5.反射镜，6.A压电陶瓷，7.B分光棱镜，8.C聚焦物镜，9.待测球面，10.C分光棱镜，11.D聚焦物镜，12.面阵光电探测器，13.A激光器，14.E聚焦物镜，15.D分光棱镜，16.F聚焦物镜，17.B激光器，18.E分光棱镜，19.G聚焦物镜，20.A狭缝，21.A线阵光电探测器，22.H聚焦物镜，23.B狭缝，24.B线阵光电探测器，25.计算机，26.待测大范围自由曲面，27.待测小范围自由曲面，28.标准平面，29.B压电陶瓷，30.电动平移台。
具体实施方式
以下结合附图1-7和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种多模式光学在线测量装置，它包括：LED光源1、A聚焦物镜2、A分光棱镜3、B聚焦物镜4、反射镜5、A压电陶瓷6、B分光棱镜7、C聚焦物镜8、待测曲面、C分光棱镜10、D聚焦物镜11、面阵光电探测器12、A激光器13、E聚焦物镜14、D分光棱镜15、F聚焦物镜16、B激光器17、E分光棱镜18、G聚焦物镜19、A狭缝20、A线阵光电探测器21、H聚焦物镜22、B狭缝23、B线阵光电探测器24、计算机25、电动平移台30，在所述的LED光源1和待测曲面间依次设置A聚焦物镜2、A分光棱镜3、B分光棱镜7、C聚焦物镜8，在所述的A激光器13和面阵光电探测器12间依次设置E聚焦物镜14、D分光棱镜15、C分光棱镜10、D聚焦物镜11，在所述的反射镜5和A狭缝20间依次设置B聚焦物镜4、B分光棱镜7、C分光棱镜10、E分光棱镜18、G聚焦物镜19、A狭缝20，在所述的反射镜5后设置A压电陶瓷6，在所述的A狭缝20后设置A线阵光电探测器21，在所述的B激光器17左侧次设置F聚焦物镜16、D分光棱镜15、A分光棱镜3，在所述的B线阵光电探测器24前依次设置B狭缝23、H聚焦物镜22、E分光棱镜18，所述的计算机25与面阵光电探测器12、A线阵光电探测器21、B线阵光电探测器24电连接；
所述的LED光源1发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜2、A分光棱镜3，经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，透射光通过C聚焦物镜8，照射在待测曲面上；反射光通过B聚焦物镜4聚焦至反射镜5；经所述的反射镜5和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦至面阵光电探测器12，接收干涉图光强信息，传送至计算机25；
所述的A激光器13发出的光经E聚焦物镜14聚焦后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光通过C聚焦物镜8，照射在待测曲面上；经所述的反射镜5和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦至面阵光电探测器12，接收干涉图光强信息，传送至计算机25；
所述的A激光器13发出的光经E聚焦物镜14聚焦后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7、C聚焦物镜8，照射在待测曲面上，经待测曲面反射的光经B分光棱镜7反射，经过C分光棱镜10后，再经过E分光棱镜18分成两束光，其中一束透射，一束反射，透射光经G聚焦物镜19聚焦，通过A狭缝20，A线阵光电探测器21接收离焦光强，传送至计算机25；反射光经H聚焦物镜22聚焦，通过B狭缝23，B线阵光电探测器24接收离焦光强，传送至计算机25；
所述的B激光器17发出的光，依次通过F聚焦物镜16、D分光棱镜15后，经A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光通过C聚焦物镜8，照射在待测曲面上；经所述的反射镜5和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦至面阵光电探测器12，接收干涉图光强信息，传送至计算机25。
所述的待测曲面为待测大范围自由曲面26。
它还包括：电动平移台30，所述的电动平移台30设置在待测大范围自由曲面26后，电动平移台30与待测大范围自由曲面26固连。
所述的待测曲面为待测球面9。
所述的待测曲面为待测小范围自由曲面27。
实施例1，参照附图1—3所示：
模式一：LED干涉显微测量表面粗糙度。
步骤一：打开LED光源1，其发出的光经A聚焦物镜2、A分光棱镜3后，再经过B分光光棱镜分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5上，透射光经C聚焦物镜8聚焦至待测球面9、待测大范围自由曲面26或待测小范围自由曲面27，经反射镜5和待测球面9、待测大范围自由曲面26或待测小范围自由曲面27反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦；
步骤二：将面阵光电探测器12置于D聚焦物镜11之后，采用A压电陶瓷6移动反射镜5，面阵光电探测器12采集多幅相移干涉图光强信息；
步骤三：将多幅相移干涉图光强信息送至计算机25计算出相位信息，完成待测球面9、待测大范围自由曲面26或待测小范围自由曲面27的粗糙度的测量。
实施例2，参照附图4所示：
模式二：单波长激光干涉测量球面宏观面形。
步骤一：打开A激光器13，其发出的光经E聚焦物镜14准直后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光经C聚焦物镜8照射待测球面9，经反射镜5和待测球面9反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦；
步骤二：将面阵光电探测器12置于D聚焦物镜11之后，采用A压电陶瓷6移动反射镜5，面阵光电探测器12采集多幅相移干涉图光强信息；
步骤三：将多幅相移干涉图光强信息送至计算机25计算出相位信息，完成待测球面9的宏观面形的测量。
实施例3，参照附图5所示：
模式三；双波长激光干涉测量小范围自由曲面宏观面形。
步骤一：打开A激光器13，其发出的光经E聚焦物镜14准直后，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，再经过B分光棱镜7分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜4聚焦至反射镜5，透射光经C聚焦物镜8照射待测小范围自由曲面27，经反射镜5和待测球面9反射的两束光经B分光棱镜7后，再经过C分光棱镜10反射，两束光经D聚焦物镜11聚焦；
步骤二：将面阵光电探测器12置于D聚焦物镜11之后，采用A压电陶瓷6移动反射镜5，面阵光电探测器12采集多幅相移干涉图的光强信息；
步骤三：将多幅条纹密集的相移干涉图的光强信息送至计算机25计算出A激光器13相应波长对应的相位信息；
步骤四：关闭A激光器13，打开B激光器17，其发出的光经F聚焦物镜16、D分光棱镜15后，后面光路与步骤一光路相同，再次执行步骤二和三计算出B激光器17相应波长对应的相位信息；
步骤五：利用两次测量得到的相位
Figure BDA0002842707480000091
和
Figure BDA0002842707480000092
便可计算出待测小范围自由曲面27的高度信息，从而完成待测小范围自由曲面27的宏观面形的测量，其计算公式为
Figure BDA0002842707480000093
式中Λ为等效波长，
Figure BDA0002842707480000094
其中λ1和λ2分别为A激光器(13)和B激光器(17)相应的波长。
实施例4，参照附图6—7所示：
模式四：差动共焦显微测量大范围自由曲面。
步骤一：打开A激光器13，其发出的光经E聚焦物镜14后准直，经D分光棱镜15和A分光棱镜3反射，然后经过B分光棱镜7透射，由C聚焦物镜8聚焦到标准平面28上；
步骤二：光经标准平面28反射后再次经过C聚焦物镜8，经B分光棱镜7反射后，再经过C分光棱镜10分成两束光，其中一束透射，一束反射，调整狭缝的位置使得透射光和反射光分别经G聚焦物镜19和H聚焦物镜22聚焦至A狭缝20和B狭缝23上；
步骤三：沿透射光路和反射光路方向平移A狭缝20和B狭缝23，使得A狭缝20及B狭缝23分别位于焦面对称的后和前两处离焦位置(+um和-um)处；
步骤四：调整A线阵光电探测器21和B线阵光电探测器24的装调位置，使得两个线阵光电探测器分别放置于所述两个狭缝之后，并且透射光和反射光能够被两个线阵光电探测器全部接收；
步骤五：采用A线阵光电探测器21和B线阵光电探测器24采集透射光和反射光的离焦光强信息并送至计算机25；
步骤六：利用公式(2)计算出归一化差动光强；
Figure BDA0002842707480000101
其中I为光强信息，u为轴向坐标信息，Γ为归一化差动光强。
步骤七：采用B压电陶瓷29等间隔移动标准平面28，得到归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线；
步骤八：将标准平面28替换为待测大范围自由曲面26，并采用电动平移台30等间隔水平移动待测大范围自由曲面26，采集整个待测大范围自由曲面26的离焦光强，将离焦光强传送至计算机25计算出归一化差动光强，与步骤七的关系曲线对比，得到待测大范围自由曲面26的轴向坐标，完成待测大范围自由曲面26的宏观面形的测量。
本实施方式所述的所有元件中心高度要一致，并且光学元件都要在光轴上，便于后续的调整，所述A分光棱镜、B分光棱镜、C分光棱镜、D分光棱镜、E分光棱镜与光轴成45度角，A分光棱镜用于将A激光器和B激光器发出的光旋转90度，B分光棱镜用于干涉测量中将LED光源、A激光器或B激光器发出的光分成两路互相垂直的透射光和反射光，B分光棱镜还可用于将差动共焦显微测量中经待测大范围自由曲面反射回来的光线旋转90度，D分光棱镜用于将干涉测量的参考光和测试光旋转90度，E分光棱镜用于将差动共焦显微测量中的光线分成两路互相垂直的透射光和反射光，所述的标准平面表面平整度应优于λ/20，所述的A压电陶瓷用于移动反射镜得到一系列相移干涉图，其分辨率至少要达到3nm，目的保证相移精度，所述的B压电陶瓷用于等间隔移动标准平面，得到归一化差动光强和轴向坐标的关系曲线，其分辨率至少要达到3nm，目的保证关系曲线的高分辨率。所述的电动平移台用于横向移动待测大范围自由曲面，实现待测大范围自由曲面整个面的测量，其分辨率至少要达到50nm,目的保证测试的横向分辨率。
所述的A激光器和B激光器波长不一致，用于双波长激光干涉测量，目的增大单波长激光干涉测量的测试范围；所述所有聚焦物镜皆是消色差物镜，目的适用于不同波长的光源，皆起到聚焦作用；所述A狭缝和B狭缝参数皆相同，误差特性亦相同；所述A线阵光电探测器和B线阵光电探测器参数皆相同，用于接收离焦光强信息；
所述的A狭缝及B狭缝在六维调整装置上进行装卡，分别可以进行x,y,z方向的平移及绕x,y,z轴的旋转，首先调整A狭缝及B狭缝使得光束分别聚焦到对应的狭缝上。沿透射光路和反射光路方向平移A狭缝及B狭缝，使得A狭缝位于G聚焦物镜的焦点后um处，B狭缝位于H聚焦物镜的焦点前um处，形成差动共焦。
所述面阵光电探测器需要进行位置调整，目的接收全部干涉图的光强信息；所述的A线阵光电探测器和B线阵光电探测器分别需要进行位置调整，目的全部接收狭缝出射的光强信息，采用计算机分析确认。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，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该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多模式光学在线测量装置，它包括：计算机(25)，其特征是，它还包括：LED光源(1)、A聚焦物镜(2)、A分光棱镜(3)、B聚焦物镜(4)、反射镜(5)、A压电陶瓷(6)、B分光棱镜(7)、C聚焦物镜(8)、待测曲面、C分光棱镜(10)、D聚焦物镜(11)、面阵光电探测器(12)、A激光器(13)、E聚焦物镜(14)、D分光棱镜(15)、F聚焦物镜(16)、B激光器(17)、E分光棱镜(18)、G聚焦物镜(19)、A狭缝(20)、A线阵光电探测器(21)、H聚焦物镜(22)、B狭缝(23)、B线阵光电探测器(24)，在所述的LED光源(1)和待测曲面间依次设置A聚焦物镜(2)、A分光棱镜(3)、B分光棱镜(7)、C聚焦物镜(8)，在所述的A激光器(13)和面阵光电探测器(12)间依次设置E聚焦物镜(14)、D分光棱镜(15)、C分光棱镜(10)、D聚焦物镜(11)，在所述的反射镜(5)和A狭缝(20)间依次设置B聚焦物镜(4)、B分光棱镜(7)、C分光棱镜(10)、E分光棱镜(18)、G聚焦物镜(19)，在所述的反射镜(5)后设置A压电陶瓷(6)，在所述的A狭缝(20)后设置A线阵光电探测器(21)，在所述的B激光器(17)左侧依次设置F聚焦物镜(16)、D分光棱镜(15)、A分光棱镜(3)，在所述的B线阵光电探测器(24)前依次设置B狭缝(23)、H聚焦物镜(22)、E分光棱镜(18)，所述的计算机(25)与面阵光电探测器(12)、A线阵光电探测器(21)、B线阵光电探测器(24)电连接；
所述的LED光源(1)发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜(2)、A分光棱镜(3)，经过B分光棱镜(7)分成两束光，其中一束反射，一束透射，透射光通过C聚焦物镜(8)，照射在待测曲面上；反射光通过B聚焦物镜(4)聚焦至反射镜(5)；经所述的反射镜(5)和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜(7)后，再经过C分光棱镜(10)反射，两束光经D聚焦物镜(11)聚焦至面阵光电探测器(12)，接收干涉图光强信息，传送至计算机(25)；
所述的A激光器(13)发出的光经E聚焦物镜(14)聚焦后，经D分光棱镜(15)和A分光棱镜(3)反射，再经过B分光棱镜(7)分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜(4)聚焦至反射镜(5)，透射光通过C聚焦物镜(8)，照射在待测曲面上；经所述的反射镜(5)和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜(7)后，再经过C分光棱镜(10)反射，两束光经D聚焦物镜(11)聚焦至面阵光电探测器(12)，接收干涉图光强信息，传送至计算机(25)；
所述的A激光器(13)发出的光经E聚焦物镜(14)聚焦后，经D分光棱镜(15)和A分光棱镜(3)反射，再经过B分光棱镜(7)、C聚焦物镜(8)，照射在待测曲面上，经待测曲面反射的光经B分光棱镜(7)反射，经过C分光棱镜(10)后，再经过E分光棱镜(18)分成两束光，其中一束透射，一束反射，透射光经G聚焦物镜(19)聚焦，通过A狭缝(20)，A线阵光电探测器(21)接收离焦光强，传送至计算机(25)；反射光经H聚焦物镜(22)聚焦，通过B狭缝(23)，B线阵光电探测器(24)接收离焦光强，传送至计算机(25)；
所述的B激光器(17)发出的光，依次通过F聚焦物镜(16)、D分光棱镜(15)后，经A分光棱镜(3)反射，再经过B分光棱镜(7)分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜(4)聚焦至反射镜(5)，透射光通过C聚焦物镜(8)，照射在待测曲面上；经所述的反射镜(5)和待测曲面反射的两束光经B分光棱镜(7)后，再经过C分光棱镜(10)反射，两束光经D聚焦物镜(11)聚焦至面阵光电探测器(12)，接收干涉图光强信息，传送至计算机(25)。
2.根据权利要求1所述的一种多模式光学在线测量装置，其特征是，所述的待测曲面为待测大范围自由曲面(26)。
3.根据权利要求2所述的一种多模式光学在线测量装置，其特征是，它还包括：电动平移台(30)，所述的电动平移台(30)设置在待测大范围自由曲面(26)后，电动平移台(30)与待测大范围自由曲面(26)固连。
4.根据权利要求1所述的一种多模式光学在线测量装置，其特征是，所述的待测曲面为待测球面(9)。
5.根据权利要求1所述的一种多模式光学在线测量装置，其特征是，所述的待测曲面为待测小范围自由曲面(27)。
6.一种基于权利要求1所述的多模式光学在线测量装置的表面粗糙度的LED干涉显微测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
6.1.打开LED光源(1)，其发出的光经A聚焦物镜(2)、A分光棱镜(3)后，再经过B分光棱镜(7)分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜(4)聚焦至反射镜(5)上，透射光经C聚焦物镜(8)聚焦至待测球面(9)、待测大范围自由曲面(26)或待测小范围自由曲面(27)，经反射镜(5)和待测球面(9)、待测大范围自由曲面(26)或待测小范围自由曲面(27)反射的两束光经B分光棱镜(7)后，再经过C分光棱镜(10)反射，两束光经D聚焦物镜(11)聚焦；
6.2.将面阵光电探测器(12)置于D聚焦物镜(11)之后，采用A压电陶瓷(6)移动反射镜(5)，面阵光电探测器(12)采集多幅相移干涉图光强信息；
6.3.面阵光电探测器(12)将多幅相移干涉图光强信息送至计算机(25)，计算出相位信息，完成待测球面(9)、待测大范围自由曲面(26)或待测小范围自由曲面(27)的粗糙度的检测。
7.一种基于权利要求1所述的多模式光学在线测量装置的球面宏观面形的单波长激光干涉测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
7.1.打开A激光器(13)，其发出的光经E聚焦物镜(14)准直后，经D分光棱镜(15)和A分光棱镜(3)反射，再经过B分光棱镜(7)分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜(4)聚焦至反射镜(5)，透射光经C聚焦物镜(8)照射待测球面(9)，经反射镜(5)和待测球面(9)反射的两束光经B分光棱镜(7)后，再经过C分光棱镜(10)反射，两束光经D聚焦物镜(11)聚焦；
7.2.将面阵光电探测器(12)置于D聚焦物镜(11)之后，采用A压电陶瓷(6)移动反射镜(5)，面阵光电探测器(12)采集多幅相移干涉图光强信息；
7.3.面阵光电探测器(12)将多幅相移干涉图光强信息送至计算机(25)，计算出相位信息，完成待测球面(9)的宏观面形的检测。
8.一种基于权利要求1所述的多模式光学在线测量装置的小范围自由曲面宏观面形的双波长激光干涉测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
8.1.打开A激光器(13)，其发出的光经E聚焦物镜(14)准直后，经D分光棱镜(15)和A分光棱镜(3)反射，再经过B分光棱镜(7)分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜(4)聚焦至反射镜(5)，透射光经C聚焦物镜(8)照射待测小范围自由曲面(27)，经反射镜(5)和待测球面(9)反射的两束光经B分光棱镜(7)后，再经过C分光棱镜(10)反射，两束光经D聚焦物镜(11)聚焦；
8.2.将面阵光电探测器(12)置于D聚焦物镜(11)之后，采用A压电陶瓷(6)移动反射镜(5)，面阵光电探测器(12)采集多幅相移干涉图的光强信息；
8.3.面阵光电探测器(12)将多幅条纹密集的相移干涉图的光强信息送至计算机(25)，计算出A激光器(13)相应波长对应的相位信息；
8.4.关闭A激光器(13)，打开B激光器(17)，其发出的光经F聚焦物镜(16)、D分光棱镜(15)后，经A分光棱镜(3)反射，再经过B分光棱镜(7)分成两束光，其中一束反射，一束透射，反射光经B聚焦物镜(4)聚焦至反射镜(5)，透射光经C聚焦物镜(8)照射待测小范围自由曲面(27)，经反射镜(5)和待测球面(9)反射的两束光经B分光棱镜(7)后，再经过C分光棱镜(10)反射，两束光经D聚焦物镜(11)聚焦，再次执行8.2和8.3步骤，计算出B激光器(17)相应波长对应的相位信息；
8.5.利用两次测量得到的相位
Figure FDA0003461350970000031
和
Figure FDA0003461350970000032
便可计算出待测小范围自由曲面(27)的高度信息，从而完成待测小范围自由曲面(27)的宏观面形的检测，其计算公式为：
Figure FDA0003461350970000041
式中Λ为等效波长，
Figure FDA0003461350970000042
其中λ1和λ2分别为A激光器(13)和B激光器(17)相应的波长。
9.一种基于权利要求1所述的多模式光学在线测量装置的大范围自由曲面的差动共焦显微测量方法，其特征是：它包括以下步骤：
9.1.将待测大范围自由曲面(26)替换为标准平面(28),在标准平面(28)下固连B压电陶瓷(29)，打开A激光器(13)，其发出的光经E聚焦物镜(14)后准直，经D分光棱镜(15)和A分光棱镜(3)反射，然后经过B分光棱镜(7)透射，由C聚焦物镜(8)聚焦到标准平面(28)上；
9.2.光经标准平面(28)反射后，再次经过C聚焦物镜(8)，经B分光棱镜(7)反射后，再经过C分光棱镜(10)分成两束光，其中一束透射，一束反射，调整狭缝的位置使得透射光和反射光分别经G聚焦物镜(19)和H聚焦物镜(22)聚焦至A狭缝(20)和B狭缝(23)上；
9.3.沿透射光路和反射光路方向平移A狭缝(20)和B狭缝(23)，使得A狭缝(20)及B狭缝(23)分别位于焦面对称的后和前两处离焦位置+um和-um处；
9.4.调整A线阵光电探测器(21)和B线阵光电探测器(24)的装调位置，使得两个线阵光电探测器分别放置于所述A狭缝(20)和B狭缝(23)之后，并且透射光和反射光能够被两个线阵光电探测器全部接收；
9.5.采用A线阵光电探测器(21)和B线阵光电探测器(24)采集透射光和反射光的离焦光强信息并送至计算机(25)；
9.6.利用公式(2)计算出归一化差动光强；
Figure FDA0003461350970000043
其中I为光强信息，u为轴向坐标信息，Γ为归一化差动光强；
9.7.采用B压电陶瓷(29)等间隔移动标准平面(28)，得到归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线；
9.8.将标准平面(28)替换为待测大范围自由曲面(26)，并撤下B压电陶瓷(29)，在待测大范围自由曲面(26)下固连电动平移台(30)，并采用电动平移台(30)等间隔水平移动待测大范围自由曲面(26)，采集整个待测大范围自由曲面(26)的离焦光强，将离焦光强传送至计算机(25)计算出归一化差动光强，与9.7的关系曲线对比，得到待测大范围自由曲面(26)的轴向坐标，完成待测大范围自由曲面(26)的宏观面形的测量。
CN202011497868.9A 2020-12-17 2020-12-17 一种多模式光学在线测量装置及测量方法 Active CN112710251B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011497868.9A CN112710251B (zh) 2020-12-17 2020-12-17 一种多模式光学在线测量装置及测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011497868.9A CN112710251B (zh) 2020-12-17 2020-12-17 一种多模式光学在线测量装置及测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112710251A CN112710251A (zh) 2021-04-27
CN112710251B true CN112710251B (zh) 2022-03-18

Family

ID=75544165

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011497868.9A Active CN112710251B (zh) 2020-12-17 2020-12-17 一种多模式光学在线测量装置及测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112710251B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113587843B (zh) * 2021-07-27 2022-05-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 干涉共聚焦测量系统及测量方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004072629A1 (en) * 2003-02-17 2004-08-26 Nanyang Technological University System and method for inspection of silicon wafers
CN101401722B (zh) * 2008-11-07 2012-07-25 上海奥通激光技术有限公司 一种多模式共聚焦成像方法及其装置
CN101498833A (zh) * 2009-03-06 2009-08-05 北京理工大学 兼有宏-微视场观测的超分辨差动共焦显微镜
CN102147240B (zh) * 2010-12-24 2012-08-22 北京理工大学 差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置
CN102425998B (zh) * 2011-09-23 2013-07-10 西安工业大学 光学元件抛光表面质量全参数检测装置和检测方法
CN105136750A (zh) * 2015-07-17 2015-12-09 北京理工大学 激光差动共焦libs、拉曼光谱-质谱成像方法与装置
CN111307269B (zh) * 2020-03-11 2021-01-01 北京理工大学 激光共焦/差动共焦拉曼光谱振动参数测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112710251A (zh) 2021-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017107777A1 (zh) 一种旋转对称未知非球面面形误差的测量方法及其测量装置
US20130010286A1 (en) Method and device of differential confocal and interference measurement for multiple parameters of an element
CN109975820B (zh) 基于Linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统
WO2021203707A1 (zh) 一种激光干涉面形检测自动检测装置与方法
CN109556531B (zh) 一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准系统及方法
CN104913732B (zh) 基于复合激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统
JP2000097666A (ja) 面形状計測用干渉計、波面収差測定機、前記干渉計及び前記波面収差測定機を用いた投影光学系の製造方法、及び前記干渉計の校正方法
CN104864822B (zh) 基于激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统
CN110081823B (zh) 一种机床五自由度几何运动误差测量系统
CN110514142B (zh) 一种面形检测装置及面形检测方法
CN114047203B (zh) 一种基于光谱共焦的内同轴式自动对焦装置、方法及系统
CN111006854B (zh) 一种微纳结构透镜衍射效率测试装置与方法
CN110736721B (zh) 基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法
CN113280728A (zh) 光谱共焦位移传感器
CN104913733A (zh) 基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统
CN114577125B (zh) 一种非接触式光学透镜中心厚度测量方法及测量装置
CN112710251B (zh) 一种多模式光学在线测量装置及测量方法
CN115371587A (zh) 表面形貌测量装置及方法、物体表面高度计算方法
CN113804651B (zh) 一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法
CN110017791B (zh) 光纤连接器端面参数测量装置及测量方法
KR20110065365A (ko) 비구면체 측정 방법 및 장치
EP2236978B1 (en) Optical measuring device and method to determine the shape of an object and a machine to shape the object.
CN112197714B (zh) 基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法
CN107036791B (zh) 测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置及方法
US20060192979A1 (en) Optical measuring process and precision measuring machine for determining the deviations from ideal shape of technically polished surfaces

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant