本發(fā)明涉及一種宏微結(jié)合面形的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代超精密加工技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，光學(xué)元件面形精度越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)特征越來(lái)越豐富。為了滿(mǎn)足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的性能要求，具有宏微結(jié)合面形特點(diǎn)的光學(xué)元件被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，其特點(diǎn)是在宏觀尺寸元件上復(fù)合微觀特殊結(jié)構(gòu)，因此這類(lèi)光學(xué)元件的面形測(cè)量成為了亟待解決的問(wèn)題。目前機(jī)械觸針式輪廓儀和光學(xué)干涉測(cè)量?jī)x是解決宏觀光學(xué)元件的重要手段，但是其并不能同時(shí)解決微觀結(jié)構(gòu)測(cè)量問(wèn)題；而解決微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法如原子力顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、光學(xué)干涉等，測(cè)量范圍有限，不能很好的解決大口徑光學(xué)元件測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法測(cè)量范圍有限，無(wú)法進(jìn)行大口徑光學(xué)元件測(cè)量的問(wèn)題，提供了一種基于共焦顯微原理的宏微結(jié)合面形測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

本發(fā)明所述基于共焦顯微原理的宏微結(jié)合面形測(cè)量裝置，該裝置包括共焦顯微模塊、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊，共焦顯微模塊包括共焦顯微三維測(cè)量模塊和共焦光學(xué)探針模塊；

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊上端面的中央固定有支柱，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊安裝在支柱的橫梁上，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊在橫梁上沿X向運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊在XY平面上旋轉(zhuǎn)，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊的外側(cè)分別安裝有共焦顯微三維測(cè)量模塊和共焦光學(xué)探針模塊，待測(cè)樣品放置在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊的工作臺(tái)面上；

共焦顯微三維測(cè)量模塊包括第一激光器、第一分光棱鏡、二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡、第一物鏡、第一收集透鏡和第一光電探測(cè)器；

第一激光器發(fā)出激光光束，激光光束經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡的分光后，依次經(jīng)過(guò)二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡和第一物鏡，在待測(cè)樣品上形成聚焦光斑，通過(guò)二維掃描振鏡偏轉(zhuǎn)使聚焦光斑在待測(cè)樣品上進(jìn)行二維掃描，待測(cè)樣品表面反射的光束依次經(jīng)過(guò)第一物鏡、管鏡、二維掃描振鏡、第一分光棱鏡和第一收集透鏡，通過(guò)多模光纖被第一光電探測(cè)器收集；

共焦光學(xué)探針模塊包括第二激光器、第二分光棱鏡、第二物鏡、第二收集透鏡和第二光電探測(cè)器；

第二激光器發(fā)出的激光光束，激光光束經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡，然后通過(guò)第二物鏡在待測(cè)樣品上形成聚焦光斑，待測(cè)樣品表面反射的光束經(jīng)過(guò)第二物鏡、第二分光棱鏡和第二收集透鏡，通過(guò)多模光纖被第二光電探測(cè)器收集。

本發(fā)明所述基于共焦顯微原理的宏微結(jié)合面形測(cè)量裝置的測(cè)量方法，該測(cè)量方法包括宏觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量和微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量；宏觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量采用共焦光學(xué)探針模塊完成，微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量采用共焦顯微三維測(cè)量模塊完成。

宏觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量的具體過(guò)程為：

步驟1、共焦光學(xué)探針模塊的第二激光器發(fā)出激光光束，經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡和第二物鏡后在待測(cè)樣品上形成聚焦光斑，待測(cè)樣品表面反射的光束經(jīng)過(guò)第二物鏡、第二分光棱鏡和第二收集透鏡，通過(guò)多模光纖被第二光電探測(cè)器收集，通過(guò)軸向響應(yīng)曲線頂點(diǎn)位置確定待測(cè)樣品的表面位置；

步驟2、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊帶動(dòng)共焦顯微三維測(cè)量模塊沿X向移動(dòng)，形成宏觀二維輪廓掃描測(cè)量；

步驟3、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊帶動(dòng)待測(cè)樣品在XY平面上旋轉(zhuǎn)，完成待測(cè)樣品的宏觀三維面形測(cè)量。

微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量的具體過(guò)程為：

步驟1、共焦顯微三維測(cè)量模塊的第一激光器發(fā)出激光光束，經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡的分光后，依次經(jīng)過(guò)二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡和第一物鏡，在待測(cè)樣品上形成聚焦光斑；待測(cè)樣品表面反射的光束依次經(jīng)過(guò)第一物鏡、管鏡、二維掃描振鏡、第一分光棱鏡和第一收集透鏡，通過(guò)多模光纖被第一光電探測(cè)器收集，通過(guò)軸向響應(yīng)曲線頂點(diǎn)位置確定待測(cè)樣品的表面位置；

步驟2、通過(guò)二維掃描振鏡偏轉(zhuǎn)使聚焦光斑在待測(cè)樣品上進(jìn)行二維掃描；

步驟3、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊帶動(dòng)共焦顯微三維測(cè)量模塊沿X向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊帶動(dòng)待測(cè)樣品在XY平面上旋轉(zhuǎn)，使微結(jié)構(gòu)區(qū)域在共焦顯微三維測(cè)量模塊視場(chǎng)范圍內(nèi)，完成微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提出的基于共焦顯微原理的宏微結(jié)合面形測(cè)量裝置及其測(cè)量方法結(jié)合共焦顯微三維測(cè)量以及光學(xué)探針輪廓測(cè)量手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有宏微結(jié)合結(jié)構(gòu)特征的光學(xué)元件面形測(cè)量。本發(fā)明通過(guò)共焦技術(shù)進(jìn)行宏微復(fù)合復(fù)雜面形測(cè)量，可以測(cè)量宏觀三維面形以及微觀結(jié)構(gòu)三維測(cè)量，測(cè)量精度高，而且可以對(duì)自由曲面進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、通過(guò)共焦技術(shù)進(jìn)行對(duì)具有宏微結(jié)合面形特點(diǎn)的光學(xué)元件進(jìn)行測(cè)量，可以完成對(duì)宏微結(jié)合的復(fù)雜面形的測(cè)量。

2、能夠測(cè)量宏微結(jié)合的復(fù)雜面形的宏觀二維輪廓、宏觀三維輪廓和局部微結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量，同現(xiàn)有方法相比，可以更全面的對(duì)面形進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)可以對(duì)自由曲面進(jìn)行測(cè)量。

3、由于采用光學(xué)非接觸式測(cè)量方法，因此避免了對(duì)被測(cè)樣品的損傷。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述共焦顯微原理的宏微結(jié)合面形測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述共焦顯微三維測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明所述共焦光學(xué)探針模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：下面結(jié)合圖1-圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于共焦顯微原理的宏微結(jié)合面形測(cè)量裝置，該裝置包括共焦顯微模塊、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊5，共焦顯微模塊包括共焦顯微三維測(cè)量模塊1和共焦光學(xué)探針模塊2；

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊5上端面的中央固定有支柱4，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3安裝在支柱4的橫梁上，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3在橫梁上沿X向運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊5在XY平面上旋轉(zhuǎn)，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3的外側(cè)分別安裝有共焦顯微三維測(cè)量模塊1和共焦光學(xué)探針模塊2，待測(cè)樣品7放置在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊5上端面的中央；

共焦顯微三維測(cè)量模塊1包括第一激光器1-1、第一分光棱鏡1-2、二維掃描振鏡1-3、掃描透鏡1-4、管鏡1-5、第一物鏡1-6、第一收集透鏡1-7和第一光電探測(cè)器1-8；

第一激光器1-1發(fā)出激光光束，激光光束經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡1-2的分光后，一次經(jīng)過(guò)二維掃描振鏡1-3、掃描透鏡1-4、管鏡1-5和第一物鏡1-6，在待測(cè)樣品7上形成聚焦光斑，通過(guò)二維掃描振鏡1-3偏轉(zhuǎn)使聚焦光斑在待測(cè)樣品7上進(jìn)行二維掃描，待測(cè)樣品7表面反射的光束依次經(jīng)過(guò)第一物鏡1-6、管鏡1-5、二維掃描振鏡1-3、第一分光棱鏡1-2和第一收集透鏡1-7，通過(guò)多模光纖被第一光電探測(cè)器1-8收集；

共焦光學(xué)探針模塊2包括第二激光器2-1、第二分光棱鏡2-2、第二物鏡2-3、第二收集透鏡2-4和第二光電探測(cè)器2-5；

第二激光器2-1發(fā)出的激光光束，激光光束經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡2-2，然后通過(guò)第二物鏡2-3在待測(cè)樣品7上形成聚焦光斑，待測(cè)樣品7表面反射的光束經(jīng)過(guò)第二物鏡2-3、第二分光棱鏡2-2和第二收集透鏡2-4，通過(guò)多模光纖被第二光電探測(cè)器2-5收集。

本實(shí)施方式中，所述的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3帶動(dòng)共焦顯微模塊沿X向移動(dòng)，使共焦光學(xué)探針模塊2測(cè)量待測(cè)樣品7的不同位置，得到待測(cè)樣品7的宏觀二維輪廓；所述的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊5帶動(dòng)待測(cè)樣品7旋轉(zhuǎn)到固定位置，得到待測(cè)樣品7的宏觀三維面形。

本實(shí)施方式中，共焦顯微三維測(cè)量模塊1的第一激光器1-1發(fā)出激光光束，經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡1-2、二維掃描振鏡1-3、掃描透鏡1-4、管鏡1-5和第一物鏡1-6后在待測(cè)樣品7上形成聚焦光斑，待測(cè)樣品7表面反射的光束依次經(jīng)過(guò)第一物鏡1-6、管鏡1-5、二維掃描振鏡1-3、第一分光棱鏡1-2和第一收集透鏡1-7，通過(guò)多模光纖被第一光電探測(cè)器1-8收集，完成待測(cè)樣品7的微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量。

本實(shí)施方式中，圖1中，支柱4為Z軸方向。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說(shuō)明，支柱4的橫梁為氣浮直線導(dǎo)軌，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3沿氣浮直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說(shuō)明，第一激光器1-1和第二激光器2-1采用相同的激光器，發(fā)射波長(zhǎng)為532nm，經(jīng)過(guò)第一物鏡1-6和第二物鏡2-3后，光的功率小于30mW。

具體實(shí)施方式四：下面結(jié)合圖1-圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于共焦顯微原理的宏微結(jié)合面形測(cè)量裝置的測(cè)量方法，該測(cè)量方法包括宏觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量和微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量；宏觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量采用共焦光學(xué)探針模塊2完成，微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量采用共焦顯微三維測(cè)量模塊1完成。

具體實(shí)施方式五：下面結(jié)合圖1-圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式四作進(jìn)一步說(shuō)明，宏觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量的具體過(guò)程為：

步驟1、共焦光學(xué)探針模塊2的第二激光器2-1發(fā)出激光光束，經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡2-2和第二物鏡2-3后在待測(cè)樣品7上形成聚焦光斑，待測(cè)樣品7表面反射的光束經(jīng)過(guò)第二物鏡2-3、第二分光棱鏡2-2和第二收集透鏡2-4，通過(guò)多模光纖被第二光電探測(cè)器2-5收集，通過(guò)軸向響應(yīng)曲線頂點(diǎn)位置確定待測(cè)樣品7的表面位置；

步驟2、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3帶動(dòng)共焦顯微三維測(cè)量模塊1沿X向移動(dòng)，形成宏觀二維輪廓掃描測(cè)量；

步驟3、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊5帶動(dòng)待測(cè)樣品7在XY平面上旋轉(zhuǎn)，完成待測(cè)樣品7的宏觀三維面形測(cè)量。

具體實(shí)施方式六：下面結(jié)合圖1-圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式四作進(jìn)一步說(shuō)明，微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量的具體過(guò)程為：

步驟1、共焦顯微三維測(cè)量模塊1的第一激光器1-1發(fā)出激光光束，經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡1-2的分光后，依次經(jīng)過(guò)二維掃描振鏡1-3、掃描透鏡1-4、管鏡1-5和第一物鏡1-6，在待測(cè)樣品7上形成聚焦光斑；待測(cè)樣品7表面反射的光束依次經(jīng)過(guò)第一物鏡1-6、管鏡1-5、二維掃描振鏡1-3、第一分光棱鏡1-2和第一收集透鏡1-7，通過(guò)多模光纖被第一光電探測(cè)器1-8收集，通過(guò)軸向響應(yīng)曲線頂點(diǎn)位置確定待測(cè)樣品7的表面位置；

步驟2、通過(guò)二維掃描振鏡1-3偏轉(zhuǎn)使聚焦光斑在待測(cè)樣品7上進(jìn)行二維掃描；

步驟3、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊3帶動(dòng)共焦顯微三維測(cè)量模塊1沿X向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊5帶動(dòng)待測(cè)樣品7在XY平面上旋轉(zhuǎn)，使微結(jié)構(gòu)區(qū)域在共焦顯微三維測(cè)量模塊1視場(chǎng)范圍內(nèi)，完成微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量。