CN113639661B - 形貌检测系统及形貌检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供形貌检测系统及形貌检测方法，其中，装置部分包括：色散共焦测量装置、参考光装置；方法部分包括以下步骤：S1、通过光谱分析组件得到干涉光的能量信息，并根据能量信息得到干涉光能量分布曲线；S2、利用包络提取算法计算得到包络数据；S3、对包络数据进行拟合，获得包络曲线，包络曲线的最大值对应的波长的焦距即为色散透镜与色散光在待测光学元件的表面的会聚点之间的距离；S4、水平移动待测光学元件，重复步骤S1‑S3，得到待测光学元件的表面的形貌。本发明通过在现有的色散共焦位移测试装置的基础上添加参考光装置，利用干涉光能量分布进行主波长的计算，提高波长定位的准确性。

Description

形貌检测系统及形貌检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别涉及形貌检测系统及形貌检测方法。

背景技术

光学系统广泛的应用于精密光电探测仪器中，其成像效果主要受光学元件面形质量的影响。随着精密加工技术的不断进步，对光学元件的加工精度提出了更高的要求。为了确保加工后的光学元件面形质量达到使用标准，需要高精度的三维轮廓测试仪器对其进行测量。

常用的轮廓测试方法包括光学三角测量法、激光共焦法、移相干涉法、白光干涉法、色散共焦法。其中，光学三角测量法结构简易，测量范围大，但测量精度低，分辨率为微米量级，无法满足高精度测试需求。移相干涉法具有测试精度高，耗时时间短等特点，广泛的应用于镜面测量，但在测量超大口径反射镜以及凸面镜时，受测试原理限制，需要匹配补偿镜进行测试，成本高，周期长。激光共焦法和白光干涉法测量精度可达纳米量级，能够对光学元件面形进行精确测量，但测试范围有限，且对被测样品表面倾斜角度有一定要求，需要结合纵向位移机构和旋转机构进行高度和角度补偿，从而实现大口径镜面测量。与上述几种方法相比，色散共焦法具有测试范围大、测量精度高等特点。同时，该方法对被测样品的材质、倾斜角度不敏感，具有较好的通用性。

色散共焦位移测试装置通过采用色散探头将复色光进行彩色编码，利用单色光在色散探头光轴不同位置的聚焦特性进行测试。在实际使用过程中，在被测样品表面聚焦的单色光的能量占焦点总能量的绝大部分，但焦点靠近被测样品表面的其余单色光通过被测样品表面的反射，也能够在共焦光阑处具有少量的能量，从而导致在光谱分析仪中单色光的分布曲线具有一定的半峰宽，使得波长分辨率降低。此外，在波长分析过程中，受测量仪器探测噪声的影响，使信号的信噪比下降，导致波长测量的准确性降低。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供形貌检测系统及形貌检测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种形貌检测系统，包括：用于对待测光学元件的表面进行测量的色散共焦测量装置和用于提高测量精度的参考光装置；

色散共焦测量装置包括白光光源、针孔光阑、第一半反半透器件、准直透镜、色散透镜、共焦光阑、光谱分析组件；准直透镜和色散透镜的主光轴重合；

参考光装置包括第二半反半透器件、参考反射镜、聚焦透镜；参考反射镜位于聚焦透镜的焦平面；

白光光源发出的白光经过针孔光阑形成点光源，点光源发出的白光依次经过第一半反半透器件反射、准直透镜转化为平行光，平行光经过第二半反半透器件进行分光，分为透射平行光和反射平行光；

透射平行光经过色散透镜进行色散形成色散光，色散光入射至待测光学元件的表面，色散光经过待测光学元件的表面反射后作为测量光，依次经过色散透镜、第二半反半透器件透射、准直透镜、第一半反半透器件透射射入共焦光阑；

反射平行光经过聚焦透镜聚焦至参考反射镜的表面，经过参考反射镜的镜面反射后作为参考光，依次经过第二半反半透器件反射、准直透镜、第一半反半透器件透射射入共焦光阑，与测量光进行干涉形成干涉光；

光谱分析组件用于对干涉光进行光谱分析，得到待测光学元件的表面的位置信息。

优选地，白光光源为白光LED或光纤灯。

优选地，第一半反半透器件与第二半反半透器件分别为半反半透镜、半反半透膜或半反半透棱镜。

一种形貌检测方法，利用形貌检测系统进行检测，包括以下步骤：

S1、通过光谱分析组件得到干涉光的能量信息，并根据能量信息得到干涉光的能量分布曲线；

S2、通过光谱分析组件利用包络提取算法计算得到能量分布曲线的包络数据；

S3、通过光谱分析组件对包络数据进行拟合，获得包络曲线，包络曲线的最大值对应的波长的焦距即为色散透镜与色散光在待测光学元件的表面的会聚点之间的距离；

S4、水平移动待测光学元件，重复步骤S1-S3，得到色散透镜与待测光学元件的表面上的不同位置之间的距离，光谱分析组件根据待测光学元件的表面上的不同位置的距离信息得到待测光学元件的表面的形貌。

优选地，步骤S2中的包络提取算法包括傅里叶变换滤波法或希尔伯特变换法。

优选地，步骤S3中的对包络数据进行拟合的方法包括最小二乘法。

本发明能够取得以下技术效果：

在现有的色散共焦位移测试装置的基础上添加参考光装置，实现测量光与参考光的干涉，利用干涉光能量分布进行主波长的计算，提高波长定位的准确性，同时减小信号噪声对测量结果的影响，提高测量精度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的形貌检测系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的能量分布曲线和包络曲线的示意图；

图3是根据本发明实施例的形貌检测方法的流程示意图。

其中的附图标记包括：白光光源1、针孔光阑2、第一半反半透器件3、准直透镜4、色散透镜5、共焦光阑6、光谱分析组件7、第二半反半透器件8、参考反射镜9、聚焦透镜10、待测光学元件的表面11、能量分布曲线12、包络曲线13。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供的形貌检测系统，包括：用于对待测光学元件进行表面测量的色散共焦测量装置和用于提高测量精度的参考光装置、；

如图1所示，本发明实施例提供的色散共焦测量装置包括白光光源1、针孔光阑2、第一半反半透器件3、准直透镜4、色散透镜5、共焦光阑6、光谱分析组件7；准直透镜4和色散透镜5的主光轴重合；

本发明实施例提供的参考光装置包括第二半反半透器件8、参考反射镜9、聚焦透镜10；参考反射镜9位于聚焦透镜10的焦平面，确保经过聚焦透镜10的光会聚至参考反射镜9的表面；

白光光源1发出的白光经过针孔光阑2形成点光源，点光源发出的白光依次经过第一半反半透器件3反射、准直透镜4转化为平行光，平行光经过第二半反半透器件8进行分光，分为透射平行光和反射平行光；

透射平行光经过色散透镜5进行色散，使白光包含的不同波长的单色光的焦点位置分离，形成沿色散透镜5的主光轴均匀分布的色散光并入射至待测光学元件的表面11，色散光经过待测光学元件的表面11反射后作为测量光，依次经过色散透镜5、第二半反半透器件8透射、准直透镜4、第一半反半透器件3透射射入共焦光阑6；

根据色散共焦原理，针孔光阑2、待测光学元件的表面11和共焦光阑6互为共轭关系，当波长为λ₁的色散光的焦点位于待测光学元件的表面11时，该色散光的反射光在共焦光阑6处的能量也最集中，利用共焦光阑6的滤波作用，使得波长为λ₁的色散光通过共焦光阑6的光通量最大；

反射平行光经过聚焦透镜10聚焦至参考反射镜9的表面，经过参考反射镜9的镜面反射后作为参考光，依次经过第二半反半透器件8反射、准直透镜4、第一半反半透器件3透射射入共焦光阑6，与测量光进行干涉形成干涉光；

光谱分析组件7用于对干涉光进行光谱分析，得到待测光学元件的表面11的位置信息。

在本发明的一个实施例中，白光光源1为白光LED或光纤灯。

在本发明的一个实施例中，第一半反半透器件3与第二半反半透器件8分别为半反半透镜、半反半透膜或半反半透棱镜；半反半透镜、半反半透膜或半反半透棱镜均可用于构成色散共焦测量装置和参考光装置的光路。

上述内容详细说明了本发明提供的形貌检测系统的结构，与该检测系统相对应，本发明还提供一种根据形貌检测系统得到的干涉光，得到高精度的待测光学元件的表面11的形貌的方法。

如图3所示，本发明实施例提供的形貌检测方法，包括以下步骤：

S1、通过光谱分析组件7得到干涉光的能量信息，并根据能量信息得到干涉光的能量分布曲线12；

能量分布曲线12可以视为振幅受低频带限信号调制的余弦信号，能量与波长之间的关系如式(1)：

其中，λ_i为波长，ω₀为频率，

为相位，a(λ_i)为波长λ_i对应的振幅，I(λ_i)为波长λ_i对应的能量。

S2、通过光谱分析组件7利用包络提取算法计算得到能量分布曲线12的包络数据；通过包络数据得到更准确的波长与能量之间的关系。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中的包络提取算法为傅里叶变换滤波法；傅里叶变换滤波法通过对能量分布曲线12进行离散傅里叶变化，截取正频率部分，并将正频率左移至频谱原点，然后对频率进行傅里叶逆变化，得到包络数据。

在本发明的一个替代实施例中，步骤S2中的包络提取算法为希尔伯特变换法；

希尔伯特变化法计算过程首先是将信号通过变换器，变换器公式如公式(3)：

通过公式(3)对式(1)的余弦信号的负频率部分作+90°相移，正频率部分作-90°相移，变换后的信号如式(4)：

变换后的信号的构造解析函数式如式(5)：

式(5)中的z(λ_i)的模即为包络数据。

S3、通过光谱分析组件7对包络数据进行拟合，获得包络曲线13，包络曲线13的最大值对应的波长即为λ₁，λ₁的焦距即为色散透镜5与色散光在待测光学元件的表面11的会聚点之间的距离；焦距与波长之间的关系可表示为公式(2)：

f(λ_i)＝z+kλ_i (2)

其中，z为偏置量，k为系数，f(λ_i)为波长为λ_i的光的焦距长度。

在本发明的一个实施例中，步骤S3中的对包络数据进行拟合的方法为最小二乘法，通过最小二乘法对包络数据进行拟合，得到平滑的包络曲线13。

S4、水平移动待测光学元件，重复步骤S1-S3，得到色散透镜5与待测光学元件的表面11上的不同位置之间的距离，光谱分析组件7根据待测光学元件的表面11上的不同位置的距离信息得到待测光学元件的表面11的形貌。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种形貌检测系统，其特征在于，包括：用于对待测光学元件的表面进行测量的色散共焦测量装置和用于提高测量精度的参考光装置；

所述色散共焦测量装置包括白光光源、针孔光阑、第一半反半透器件、准直透镜、色散透镜、共焦光阑、光谱分析组件；所述准直透镜和所述色散透镜的主光轴重合；

所述参考光装置包括第二半反半透器件、参考反射镜、聚焦透镜；所述参考反射镜位于所述聚焦透镜的焦平面；

所述白光光源发出的白光经过所述针孔光阑形成点光源，所述点光源发出的白光依次经过所述第一半反半透器件反射、所述准直透镜转化为平行光，所述平行光经过所述第二半反半透器件进行分光，分为透射平行光和反射平行光；

所述透射平行光经过所述色散透镜进行色散形成色散光，所述色散光入射至所述待测光学元件的表面，所述色散光经过所述待测光学元件的表面反射后作为测量光，依次经过所述色散透镜、所述第二半反半透器件透射、所述准直透镜、所述第一半反半透器件透射射入所述共焦光阑；

所述反射平行光经过所述聚焦透镜聚焦至所述参考反射镜的表面，经过所述参考反射镜的镜面反射后作为参考光，依次经过所述第二半反半透器件反射、所述准直透镜、所述第一半反半透器件透射射入所述共焦光阑，与所述测量光进行干涉形成干涉光；

所述光谱分析组件用于对所述干涉光进行光谱分析，得到所述待测光学元件的表面的位置信息。

2.如权利要求1所述的形貌检测系统，其特征在于，所述白光光源为白光LED或光纤灯。

3.如权利要求1所述的形貌检测系统，其特征在于，所述第一半反半透器件与所述第二半反半透器件分别为半反半透镜、半反半透膜或半反半透棱镜。

4.一种形貌检测方法，利用如权利要求1-3中任一项所述的形貌检测系统进行检测，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过所述光谱分析组件得到所述干涉光的能量信息，并根据所述能量信息得到所述干涉光的能量分布曲线；

S2、通过所述光谱分析组件利用包络提取算法计算得到所述能量分布曲线的包络数据；

S3、通过所述光谱分析组件对所述包络数据进行拟合，获得包络曲线，所述包络曲线的最大值对应的波长的焦距即为所述色散透镜与所述色散光在所述待测光学元件的表面的会聚点之间的距离；

S4、水平移动所述待测光学元件，重复步骤S1-S3，得到所述色散透镜与所述待测光学元件的表面上的不同位置之间的距离，所述光谱分析组件根据所述待测光学元件的表面上的不同位置的距离信息得到所述待测光学元件的表面的形貌。

5.如权利要求4所述的形貌检测方法，其特征在于，步骤S2中的所述包络提取算法包括傅里叶变换滤波法或希尔伯特变换法。

6.如权利要求4所述的形貌检测方法，其特征在于，步骤S3中的对所述包络数据进行拟合的方法包括最小二乘法。

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