基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置及其測量方法制造方法及圖紙

基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置及其測量方法，屬于光學精密測量技術領域，本發明專利技術為解決現有微觀結構的測量方法測量范圍有限，無法進行大口徑光學元件測量的問題。本發明專利技術包括共焦顯微模塊、直線運動平臺模塊和旋轉運動平臺模塊，共焦顯微三維測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器；共焦光學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器；共焦光學探針模塊用于完成宏觀結構的三維測量，共焦顯微三維測量模塊用于完成微觀結構的三維測量。本發明專利技術用于測量復雜面形的光學元件。

Macro micro combined surface measuring device based on confocal microscopy principle and measuring method thereof

Surface shape measuring device and method for micro macro based on confocal principle, belonging to the technical field of optical precision measurement, the invention solves the problem that the existing measuring methods of microstructure measurement scope is limited, can not be the element measurement of large aperture optical problems. The invention comprises a confocal module, linear motion platform module and rotation platform module, confocal 3D measurement module includes a first laser, the first beam splitter, a two-dimensional scanning galvanometer, scanning lens, lens, the first lens tube, first collecting lens and a first photodetector; confocal optical probe module includes second lasers, second points second prism, lens, second collection lens and second photoelectric detector; confocal optical probe module is used to complete the three-dimensional measurement of macrostructure, confocal 3D measurement module is used to complete the micro structure of 3D measurement. The invention relates to an optical element for measuring complex surface shapes.

【技術實現步驟摘要】
基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置及其測量方法
本專利技術涉及一種宏微結合面形的測量裝置及其測量方法，屬于光學精密測量

技術介紹
隨著現代超精密加工技術與計算機科學的發展，光學元件面形精度越來越高，結構特征越來越豐富。為了滿足現代光學系統的性能要求，具有宏微結合面形特點的光學元件被廣泛應用到各個領域當中，其特點是在宏觀尺寸元件上復合微觀特殊結構，因此這類光學元件的面形測量成為了亟待解決的問題。目前機械觸針式輪廓儀和光學干涉測量儀是解決宏觀光學元件的重要手段，但是其并不能同時解決微觀結構測量問題；而解決微觀結構的測量方法如原子力顯微鏡、光學顯微鏡、光學干涉等，測量范圍有限，不能很好的解決大口徑光學元件測量。
技術實現思路
本專利技術目的是為了解決現有微觀結構的測量方法測量范圍有限，無法進行大口徑光學元件測量的問題，提供了一種基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置及其測量方法。本專利技術所述基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置，該裝置包括共焦顯微模塊、直線運動平臺模塊和旋轉運動平臺模塊，共焦顯微模塊包括共焦顯微三維測量模塊和共焦光學探針模塊；旋轉運動平臺模塊上端面的中央固定有支柱，直線運動平臺模塊安裝在支柱的橫梁上，直線運動平臺模塊在橫梁上沿X向運動，旋轉運動平臺模塊在XY平面上旋轉，直線運動平臺模塊的外側分別安裝有共焦顯微三維測量模塊和共焦光學探針模塊，待測樣品放置在旋轉運動平臺模塊的工作臺面上；共焦顯微三維測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器；第一激光器發出激光光束，激光光束經過第一分光棱鏡的分光后，依次經過二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡和第一物鏡，在待測樣品上形成聚焦光斑，通過二維掃描振鏡偏轉使聚焦光斑在待測樣品上進行二維掃描，待測樣品表面反射的光束依次經過第一物鏡、管鏡、二維掃描振鏡、第一分光棱鏡和第一收集透鏡，通過多模光纖被第一光電探測器收集；共焦光學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器；第二激光器發出的激光光束，激光光束經過第二分光棱鏡，然后通過第二物鏡在待測樣品上形成聚焦光斑，待測樣品表面反射的光束經過第二物鏡、第二分光棱鏡和第二收集透鏡，通過多模光纖被第二光電探測器收集。本專利技術所述基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置的測量方法，該測量方法包括宏觀結構的三維測量和微觀結構的三維測量；宏觀結構的三維測量采用共焦光學探針模塊完成，微觀結構的三維測量采用共焦顯微三維測量模塊完成。宏觀結構的三維測量的具體過程為：步驟1、共焦光學探針模塊的第二激光器發出激光光束，經過第二分光棱鏡和第二物鏡后在待測樣品上形成聚焦光斑，待測樣品表面反射的光束經過第二物鏡、第二分光棱鏡和第二收集透鏡，通過多模光纖被第二光電探測器收集，通過軸向響應曲線頂點位置確定待測樣品的表面位置；步驟2、直線運動平臺模塊帶動共焦顯微三維測量模塊沿X向移動，形成宏觀二維輪廓掃描測量；步驟3、旋轉運動平臺模塊帶動待測樣品在XY平面上旋轉，完成待測樣品的宏觀三維面形測量。微觀結構的三維測量的具體過程為：步驟1、共焦顯微三維測量模塊的第一激光器發出激光光束，經過第一分光棱鏡的分光后，依次經過二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡和第一物鏡，在待測樣品上形成聚焦光斑；待測樣品表面反射的光束依次經過第一物鏡、管鏡、二維掃描振鏡、第一分光棱鏡和第一收集透鏡，通過多模光纖被第一光電探測器收集，通過軸向響應曲線頂點位置確定待測樣品的表面位置；步驟2、通過二維掃描振鏡偏轉使聚焦光斑在待測樣品上進行二維掃描；步驟3、直線運動平臺模塊帶動共焦顯微三維測量模塊沿X向移動，旋轉運動平臺模塊帶動待測樣品在XY平面上旋轉，使微結構區域在共焦顯微三維測量模塊視場范圍內，完成微觀結構的三維測量。本專利技術的優點：本專利技術提出的基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置及其測量方法結合共焦顯微三維測量以及光學探針輪廓測量手段，實現對具有宏微結合結構特征的光學元件面形測量。本專利技術通過共焦技術進行宏微復合復雜面形測量，可以測量宏觀三維面形以及微觀結構三維測量，測量精度高，而且可以對自由曲面進行測量。本專利技術具有如下優點：1、通過共焦技術進行對具有宏微結合面形特點的光學元件進行測量，可以完成對宏微結合的復雜面形的測量。2、能夠測量宏微結合的復雜面形的宏觀二維輪廓、宏觀三維輪廓和局部微結構的三維測量，同現有方法相比，可以更全面的對面形進行測量，同時可以對自由曲面進行測量。3、由于采用光學非接觸式測量方法，因此避免了對被測樣品的損傷。附圖說明圖1是本專利技術所述共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置的結構示意圖；圖2是本專利技術所述共焦顯微三維測量模塊的結構示意圖；圖3是本專利技術所述共焦光學探針模塊的結構示意圖。具體實施方式具體實施方式一：下面結合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式所述基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置，該裝置包括共焦顯微模塊、直線運動平臺模塊3和旋轉運動平臺模塊5，共焦顯微模塊包括共焦顯微三維測量模塊1和共焦光學探針模塊2；旋轉運動平臺模塊5上端面的中央固定有支柱4，直線運動平臺模塊3安裝在支柱4的橫梁上，直線運動平臺模塊3在橫梁上沿X向運動，旋轉運動平臺模塊5在XY平面上旋轉，直線運動平臺模塊3的外側分別安裝有共焦顯微三維測量模塊1和共焦光學探針模塊2，待測樣品7放置在旋轉運動平臺模塊5上端面的中央；共焦顯微三維測量模塊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和第一光電探測器1-8；第一激光器1-1發出激光光束，激光光束經過第一分光棱鏡1-2的分光后，一次經過二維掃描振鏡1-3、掃描透鏡1-4、管鏡1-5和第一物鏡1-6，在待測樣品7上形成聚焦光斑，通過二維掃描振鏡1-3偏轉使聚焦光斑在待測樣品7上進行二維掃描，待測樣品7表面反射的光束依次經過第一物鏡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，通過多模光纖被第一光電探測器1-8收集；共焦光學探針模塊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和第二光電探測器2-5；第二激光器2-1發出的激光光束，激光光束經過第二分光棱鏡2-2，然后通過第二物鏡2-3在待測樣品7上形成聚焦光斑，待測樣品7表面反射的光束經過第二物鏡2-3、第二分光棱鏡2-2和第二收集透鏡2-4，通過多模光纖被第二光電探測器2-5收集。本實施方式中，所述的直線運動平臺模塊3帶動共焦顯微模塊沿X向移動，使共焦光學探針模塊2測量待測樣品7的不同位置，得到待測樣品7的宏觀二維輪廓；所述的旋轉運動平臺模塊5帶動待測樣品7旋轉到固定位置，得到待測樣品7的宏觀三維面形。本實施方式中，共焦顯微三維測量模塊1的第一激光器1-1發出激光光束，經過第一分光棱鏡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后在待測樣品7上形成聚焦光斑，待測樣品7表面反射的光束依次經過第一物鏡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，通過多模光纖被第一光電探測器1-8收集，完成待測樣品本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置，其特征在于，該裝置包括共焦顯微模塊、直線運動平臺模塊(3)和旋轉運動平臺模塊(5)，共焦顯微模塊包括共焦顯微三維測量模塊(1)和共焦光學探針模塊(2)；旋轉運動平臺模塊(5)上端面的中央固定有支柱(4)，直線運動平臺模塊(3)安裝在支柱(4)的橫梁上，直線運動平臺模塊(3)在橫梁上沿X向運動，旋轉運動平臺模塊(5)在XY平面上旋轉，直線運動平臺模塊(3)的外側分別安裝有共焦顯微三維測量模塊(1)和共焦光學探針模塊(2)，待測樣品(7)放置在旋轉運動平臺模塊(5)的工作臺面上；共焦顯微三維測量模塊(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)和第一光電探測器(1?8)；第一激光器(1?1)發出激光光束，激光光束經過第一分光棱鏡(1?2)的分光后，依次經過二維掃描振鏡(1?3)、掃描透鏡(1?4)、管鏡(1?5)和第一物鏡(1?6)，在待測樣品(7)上形成聚焦光斑，通過二維掃描振鏡(1?3)偏轉使聚焦光斑在待測樣品(7)上進行二維掃描，待測樣品(7)表面反射的光束依次經過第一物鏡(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)，通過多模光纖被第一光電探測器(1?8)收集；共焦光學探針模塊(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)和第二光電探測器(2?5)；第二激光器(2?1)發出的激光光束，激光光束經過第二分光棱鏡(2?2)，然后通過第二物鏡(2?3)在待測樣品(7)上形成聚焦光斑，待測樣品(7)表面反射的光束經過第二物鏡(2?3)、第二分光棱鏡(2?2)和第二收集透鏡(2?4)，通過多模光纖被第二光電探測器(2?5)收集。...

【技術特征摘要】
1.基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置，其特征在于，該裝置包括共焦顯微模塊、直線運動平臺模塊(3)和旋轉運動平臺模塊(5)，共焦顯微模塊包括共焦顯微三維測量模塊(1)和共焦光學探針模塊(2)；旋轉運動平臺模塊(5)上端面的中央固定有支柱(4)，直線運動平臺模塊(3)安裝在支柱(4)的橫梁上，直線運動平臺模塊(3)在橫梁上沿X向運動，旋轉運動平臺模塊(5)在XY平面上旋轉，直線運動平臺模塊(3)的外側分別安裝有共焦顯微三維測量模塊(1)和共焦光學探針模塊(2)，待測樣品(7)放置在旋轉運動平臺模塊(5)的工作臺面上；共焦顯微三維測量模塊(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)和第一光電探測器(1-8)；第一激光器(1-1)發出激光光束，激光光束經過第一分光棱鏡(1-2)的分光后，依次經過二維掃描振鏡(1-3)、掃描透鏡(1-4)、管鏡(1-5)和第一物鏡(1-6)，在待測樣品(7)上形成聚焦光斑，通過二維掃描振鏡(1-3)偏轉使聚焦光斑在待測樣品(7)上進行二維掃描，待測樣品(7)表面反射的光束依次經過第一物鏡(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)，通過多模光纖被第一光電探測器(1-8)收集；共焦光學探針模塊(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)和第二光電探測器(2-5)；第二激光器(2-1)發出的激光光束，激光光束經過第二分光棱鏡(2-2)，然后通過第二物鏡(2-3)在待測樣品(7)上形成聚焦光斑，待測樣品(7)表面反射的光束經過第二物鏡(2-3)、第二分光棱鏡(2-2)和第二收集透鏡(2-4)，通過多模光纖被第二光電探測器(2-5)收集。2.根據權利要求1所述的基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置，其特征在于，支柱(4)的橫梁為氣浮直線導軌，直線運動平臺模塊(3)沿氣浮直線導軌運動。3.根據權利要求1所述的基于共焦顯微原理的宏微結合面形測量裝置，其特征在于，第一激光器(1-1)和第二激光器(2-1)采用相同...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉儉，王宇航，谷康，譚久彬，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23