用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，包括線偏振激光源模塊、物鏡、分光器模塊、自聚焦伺服模塊、離焦量測量模塊、角度測量模塊和機架；本發明通過將一束能量呈高斯分布的線偏振激光聚焦到被測表面上，從反射光中提取被測表面的離焦量并以此作為自聚焦伺服單元的反饋信號實現自動聚焦，同時在對焦的過程中完成對被測面傾角的測量，有效消除了表面傾角對探頭靈敏度的影響；能夠通過測得的離焦量消除伺服跟蹤誤差造成的形貌測量誤差，實現了納米級的精度和毫米級的量程，本發明結合高精度運動機構能夠實現對自由曲面輪廓的精密掃描測量。
【專利說明】用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭
【技術領域】
[0001]本發明涉及形貌測量領域，尤其涉及一種用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭。
【背景技術】
[0002]現代光學技術的迅猛發展，對光學零件提出了越來越高的要求，如高分辨率對地觀測光學系統、光刻機物鏡、激光核聚變光學系統中，不但要求光學零件具有高的面形精度，面形也越來越復雜，傳統的球面光學元件已經無法滿足要求，于此同時，某些場合要求系統小巧輕便，而傳統的球面光學元件往往需要構建透鏡組，使得結構十分復雜臃腫。由于非球面和自由曲面光學系統的設計具有更大的靈活性，能夠在矯正像差、改善像質、擴大視場和增大作用距離的同時，有效簡化系統的結構，減輕系統的質量，因此在現代光學系統中得到了越來越廣泛的應用。
[0003]隨著現代超精密加工工藝的不斷進步，單點金剛石切削或精密磨削等技術可以直接加工面型復雜的非球面或自由曲面。但是與先進的加工技術對應的檢測技術還相對薄弱，精密的輪廓檢測手段的缺乏，在很大程度上制約了超精密加工技術在光學領域的應用。目前使用的檢測手段還是以接觸式的輪廓儀為主，例如日本松下公司的UA3P和Canon公司的CSSP等，這種接觸式的儀器雖然有較高的精度，但是有可能損傷被測表面而且檢測速度慢，對于大尺寸高精度的光學元件來說，接觸式測量方法顯然不能滿足要求。要達到不損傷表面，并獲得高測量效率，必須采用非接觸式的方法。但是現有的非接觸式輪廓儀大多只適合于測量平面或球面，如Fizeau型激光干涉儀等，對于非球面或自由曲面，現有的輪廓儀大多需要采用拼接等方法，這樣以來儀器操作繁瑣，數據處理困難，且適用性有限，無法測量偏離球面較大的非球面。因此，開發一款滿足下列要求的高精度輪廓儀具有十分重要的意義:(1)高精度，(2)通用性，(3)非接觸，(4)測量范圍大，(5)測量效率高。目前市面上還很少有滿足上述要求的測量儀，現有的為數不多的非接觸輪廓測量儀中最先進的當數荷蘭應用科學研究院開發的NAN0MEF0S，該系統采用了非接觸式光學探頭，并用干涉測量法和電容式傳感器十分精確的檢測探頭和被測面的相對位置，可以實現直徑500_的非球面或自由曲面的非接觸式測量，測量的不確定度為30nm。但是這套系統十分龐大復雜，而且十分昂貴，不適于生產線使用。
[0004]搭建一套高精度的適用于自由曲面輪廓測量的系統，測量探頭是最為關鍵的部分之一，要實現大范圍的精密或超精密無損測量，探頭需要是非接觸式的，且探頭的分辨率需要達到納米級，測量范圍要達到毫米級，掃描探針(SPM或AFM等)或干涉探頭等是無法滿足這一要求的。目前市面上的光學位移傳感器雖然可以做到納米級的分辨率，但是量程遠遠不夠，而且高精度和大量程往往不能兼顧，這是無法用于高精度形貌測量的，因此研發一種能夠兼顧高精度和大量程的探頭對于光學元件的形貌測量具有十分重要的意義，也是十分迫切的。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，包括線偏振激光源模塊、物鏡、分光器模塊、自聚焦伺服模塊、離焦量測量模塊、角度測量模塊和機架；其中，所述線偏振激光源模塊包括半導體激光器、第一光纖耦合器、單模光纖、第二光纖稱合器、光纖準直器和偏振器；分光器模塊包括偏振分光棱鏡、1/4 λ玻片、轉向鏡和非偏振分光棱鏡；自聚焦伺服模塊包括音圈電機、超精密導軌及滑塊、光柵尺及光柵尺讀數頭、聚焦控制器、音圈電機驅動器，其中，音圈電機由線圈和磁鋼組成；離焦量測量模塊包括第一雙膠合透鏡和四象限光電探測器；角度測量模塊包括由第二雙膠合透鏡、第三雙膠合透鏡構成的雙膠合透鏡組和位置敏感探測器；
所述位置敏感探測器、第三雙膠合透鏡、第二雙膠合透鏡、第一雙膠合透鏡、轉向鏡、非偏振分光棱鏡、偏振分光棱鏡、1/4 λ玻片、超精密導軌、磁鋼、光柵尺讀數頭、音圈電機驅動器，偏振器、第二光纖稱合器、光纖準直器、單模光纖、第一光纖稱合器、半導體激光器、聚焦控制器、四象限光電探測器均固定于機架上；所述半導體激光器與第一光纖耦合器相連，單模光纖的一端與第一光纖耦合器相連，另一端與第二光纖耦合器相連，半導體激光器輸出的光通過第一光纖耦合器耦合到單模光纖中，再通過第二光纖耦合器輸入到光纖準直器中，光束經光纖準直器準直后經過偏振器成為S偏振光，S偏振光被偏振分光棱鏡反射,經過1/4λ玻片后,S偏振光變為圓偏振光,光束經過物鏡后匯聚于一點,若被測表面光滑,光束被反射回物鏡中，并再次經過1/4λ玻片，圓偏振光變為P偏振光,光束透射過偏振分光棱鏡后被非偏振分光棱鏡分為兩束光，一束光被第一雙膠合透鏡匯聚于四象限光電傳感器上，另一束光經過轉向鏡后方向發生度旋轉并入射到由第二雙膠合透鏡和第三雙膠合透鏡構成的透鏡組中，第二雙膠合透鏡和第三雙膠合透鏡的焦點重合，通過透鏡組的光垂直入射到位置敏感探測器上；
四象限光電傳感器與聚焦控制器相連，聚焦控制器與音圈電機驅動器相連，物鏡、線圈和光柵尺固定在滑塊上；聚焦控制器輸出與離焦量成線性關系的信號驅動音圈電機驅動器，音圈電機驅動器驅動音圈電機的線圈產生磁場，該磁場與磁鋼產生的恒定磁場相互作用產生推力推動線圈和滑塊沿超精密導軌直線運動。
[0007]進一步地，所述物鏡為無限遠校正的平場消色差金相顯微物鏡。
[0008]進一步地，所述半導體激光器的輸出功率為20mW，波長為635nm ;所述光纖準直器為固定焦距非球面光纖準直器；所述偏振器為消光比大于1000:1的復合薄膜偏振片。
[0009]進一步地，所述偏振分光棱鏡的消光比大于1000:1;所述1/4λ玻片為零級1/4 λ玻片；所述非偏振分光棱鏡為50:50非偏振分光棱鏡；所述轉向鏡為保護銀鍍膜且反射率大于97.5%的轉向鏡。
[0010]進一步地，所述光柵尺及光柵尺讀數頭分辨率為20nm ;所述聚焦控制器為積分分離式PID控制器；所述音圈電機驅動器為COPLEY電機驅動器。
[0011]進一步地，所述角度測量模塊利用雙膠合透鏡組使光束垂直入射到位置敏感探測器上，并利用如下所述的角度測量算法得到待測表面的傾角:
(I)同時記錄四象限光電探測器和位置敏感探測器的輸出量；(2)在自動對焦的過程中，物鏡的焦點在待測表面上下運動，當焦點正好位于待測表面時，四象限光電探測器的輸出為零，且此時位置敏感探測器的輸出只與傾角有關，提取四象限光電探測器輸出為零的點對應的位置敏感探測器的輸出量Fx和Fy ；
(3)根據步驟(2)得到的位置敏感探測器的輸出量Fx和Fy，反推待測表面的傾角，即待測表面在四象限光電探測器輸出為零的點處的單位法向量(a，b，C)，其與Fx和Fy的關系如下:
【權利要求】
1.一種用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，其特征在于，包括線偏振激光源模塊、物鏡(12)、分光器模塊、自聚焦伺服模塊、離焦量測量模塊、角度測量模塊和機架(27)；其中，所述線偏振激光源模塊包括半導體激光器(24)、第一光纖耦合器(23)、單模光纖(22)、第二光纖稱合器(20)、光纖準直器(21)和偏振器(19);分光器模塊包括偏振分光棱鏡(7)、1/4λ玻片(8)、轉向鏡(5)和非偏振分光棱鏡(6)；自聚焦伺服模塊包括音圈電機、超精密導軌(9)及滑塊(10)、光柵尺(16)及光柵尺讀數頭(17)、聚焦控制器(25)、音圈電機驅動器(18)，其中，音圈電機由線圈(11)和磁鋼(15)組成；離焦量測量模塊包括第一雙膠合透鏡(4)和四象限光電探測器(26);角度測量模塊包括由第二雙膠合透鏡(3)、第三雙膠合透鏡(2)構成的雙膠合透鏡組和位置敏感探測器(I)； 所述位置敏感探測器(I)、第三雙膠合透鏡(2)、第二雙膠合透鏡(3)、第一雙膠合透鏡(4)、轉向鏡(5)、非偏振分光棱鏡(6)、偏振分光棱鏡(7)、1/4 λ玻片(8)、超精密導軌(9)、磁鋼(15)、光柵尺讀數頭(17)、音圈電機驅動器(18)，偏振器(19)、第二光纖耦合器(20)、光纖準直器(21)、單模光纖(22)、第一光纖耦合器(23)、半導體激光器(24)、聚焦控制器(25)、四象限光電探測器(26)均固定于機架(27)上；所述半導體激光器(24)與第一光纖率禹合器(23)相連，單模光纖(22)的一端與第一光纖耦合器(23)相連，另一端與第二光纖耦合器(20)相連,半導體激光器(24)輸出的光通過第一光纖稱合器(23)稱合到單模光纖(21)中，再通過第二光纖耦合器(20 )輸入到光纖準直器(21)中，光束經光纖準直器(21)準直后經過偏振器(19)成為S偏振光,S偏振光被偏振分光棱鏡(7)反射,經過1/4 λ玻片(8)后，S偏振光變為圓偏振光，光束經過物鏡(12)后匯聚于一點,若被測表面光滑,光束被反射回物鏡(12)中，并再次經過1/4 λ玻片(8),圓偏振光變為P偏振光,光束透射過偏振分光棱鏡(7)后被非偏振分 光棱鏡(6)分為兩束光,一束光被第一雙膠合透鏡(4)匯聚于四象限光電傳感器(26)上，另一束光經過轉向鏡(5)后方向發生90度旋轉并入射到由第二雙膠合透鏡(3 )和第三雙膠合透鏡(2 )構成的透鏡組中，第二雙膠合透鏡(3 )和第三雙膠合透鏡(2 )的焦點重合，通過透鏡組的光垂直入射到位置敏感探測器(I)上； 四象限光電傳感器(26)與聚焦控制器(25)相連，聚焦控制器(25)與音圈電機驅動器(18)相連，物鏡(12)、線圈(11)和光柵尺(16)固定在滑塊(10)上；聚焦控制器(25)輸出與離焦量成線性關系的信號驅動音圈電機驅動器(18)，音圈電機驅動器(18)驅動音圈電機的線圈(11)產生磁場，該磁場與磁鋼(15)產生的恒定磁場相互作用產生推力推動線圈(11)和滑塊(10)沿超精密導軌(9)直線運動。
2.根據權利要求1所述的用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，其特征在于，所述物鏡(12)為無限遠校正的平場消色差金相顯微物鏡。
3.根據權利要求1所述的用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，其特征在于，所述半導體激光器(23)的輸出功率為20mW，波長為635nm ;所述光纖準直器(21)為固定焦距非球面光纖準直器；所述偏振器(19)為消光比大于1000:1的復合薄膜偏振片。
4.根據權利要求1所述的用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，其特征在于，所述偏振分光棱鏡(7)的消光比大于1000:1 ;所述1/4 λ玻片(8)為零級1/4 λ玻片；所述非偏振分光棱鏡(6)為50:50非偏振分光棱鏡；所述轉向鏡(5)為保護銀鍍膜且反射率大于97.5%的轉向鏡。
5.根據權利要求1所述的用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，其特征在于，所述光柵尺(16)及光柵尺讀數頭(17)分辨率為20nm;所述聚焦控制器(25)為積分分離式PID控制器；所述音圈電機驅動器(18)為COPLEY電機驅動器。
6.根據權利要求1所述的用于自由曲面形貌測量的光學自聚焦探頭，其特征在于，所述角度測量模塊利用雙膠合透鏡組使光束垂直入射到位置敏感探測器(I)上，并利用如下所述的角度測量算法得到待測表面(13)的傾角: (1)同時記錄四象限光電探測器(26)和位置敏感探測器(I)的輸出量； (2)在自動對焦的過程中，物鏡(12)的焦點在待測表面(13)上下運動，當焦點正好位于待測表面(13)時，四象限光電探測器(26)的輸出為零，且此時位置敏感探測器(I)的輸出只與傾角有關，提取四象限光電探測器(26)輸出為零的點對應的位置敏感探測器(I)的輸出量Fx和Fy ； (3)根據步驟(2)得到的位置敏感探測器(I)的輸出量Fx和Fy，反推待測表面(13)的傾角，即待測表面(13)在四象限光電探測器(26)輸出為零的點處的單位法向量(a，b, c)，其與Fx和Fy的關系如下:
【文檔編號】G01B11/24GK104034281SQ201410266720
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月16日 優先權日:2014年6月16日
【發明者】居冰峰, 杜慧林, 孫安玉, 孫澤青 申請人:浙江大學