[实用新型]一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头

说明书

技术领域

本实用新型涉及形貌测量领域，尤其涉及一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头。

背景技术

现代光学技术的迅猛发展，对光学零件提出了越来越高的要求，如高分辨率对地观测光学系统、光刻机物镜、激光核聚变光学系统中，不但要求光学零件具有高的面形精度，面形也越来越复杂，传统的球面光学元件已经无法满足要求，于此同时，某些场合要求系统小巧轻便，而传统的球面光学元件往往需要构建透镜组，使得结构十分复杂臃肿。由于非球面和自由曲面光学系统的设计具有更大的灵活性，能够在矫正像差、改善像质、扩大视场和增大作用距离的同时，有效简化系统的结构，减轻系统的质量，因此在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。

随着现代超精密加工工艺的不断进步，单点金刚石切削或精密磨削等技术可以直接加工面型复杂的非球面或自由曲面。但是与先进的加工技术对应的检测技术还相对薄弱，精密的轮廓检测手段的缺乏，在很大程度上制约了超精密加工技术在光学领域的应用。目前使用的检测手段还是以接触式的轮廓仪为主，例如日本松下公司的UA3P和Canon公司的CSSP等，这种接触式的仪器虽然有较高的精度，但是有可能损伤被测表面而且检测速度慢，对于大尺寸高精度的光学元件来说，接触式测量方法显然不能满足要求。要达到不损伤表面，并获得高测量效率，必须采用非接触式的方法。但是现有的非接触式轮廓仪大多只适合于测量平面或球面，如Fizeau型激光干涉仪等，对于非球面或自由曲面，现有的轮廓仪大多需要采用拼接等方法，这样以来仪器操作繁琐，数据处理困难，且适用性有限，无法测量偏离球面较大的非球面。因此，开发一款满足下列要求的高精度轮廓仪具有十分重要的意义：（1）高精度，（2）通用性，（3）非接触，（4）测量范围大，（5）测量效率高。目前市面上还很少有满足上述要求的测量仪，现有的为数不多的非接触轮廓测量仪中最先进的当数荷兰应用科学研究院开发的NANOMEFOS，该系统采用了非接触式光学探头，并用干涉测量法和电容式传感器十分精确的检测探头和被测面的相对位置，可以实现直径500mm的非球面或自由曲面的非接触式测量，测量的不确定度为30nm。但是这套系统十分庞大复杂，而且十分昂贵，不适于生产线使用。

搭建一套高精度的适用于自由曲面轮廓测量的系统，测量探头是最为关键的部分之一，要实现大范围的精密或超精密无损测量，探头需要是非接触式的，且探头的分辨率需要达到纳米级，测量范围要达到毫米级，扫描探针（SPM或AFM等）或干涉探头等是无法满足这一要求的。目前市面上的光学位移传感器虽然可以做到纳米级的分辨率，但是量程远远不够，而且高精度和大量程往往不能兼顾，这是无法用于高精度形貌测量的，因此研发一种能够兼顾高精度和大量程的探头对于光学元件的形貌测量具有十分重要的意义，也是十分迫切的。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，包括线偏振激光源模块、物镜、分光器模块、自聚焦伺服模块、离焦量测量模块、角度测量模块和机架；其中，所述线偏振激光源模块包括半导体激光器、第一光纤耦合器、单模光纤、第二光纤耦合器、光纤准直器和偏振器；分光器模块包括偏振分光棱镜、1/4λ玻片、转向镜和非偏振分光棱镜；自聚焦伺服模块包括音圈电机、超精密导轨及滑块、光栅尺及光栅尺读数头、聚焦控制器、音圈电机驱动器，其中，音圈电机由线圈和磁钢组成；离焦量测量模块包括第一双胶合透镜和四象限光电探测器；角度测量模块包括由第二双胶合透镜、第三双胶合透镜构成的双胶合透镜组和位置敏感探测器；所述位置敏感探测器、第三双胶合透镜、第二双胶合透镜、第一双胶合透镜、转向镜、非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4λ玻片、超精密导轨、磁钢、光栅尺读数头、音圈电机驱动器，偏振器、第二光纤耦合器、光纤准直器、单模光纤、第一光纤耦合器、半导体激光器、聚焦控制器、四象限光电探测器均固定于机架上；所述半导体激光器与第一光纤耦合器相连，单模光纤的一端与第一光纤耦合器相连，另一端与第二光纤耦合器相连；四象限光电传感器与聚焦控制器相连，聚焦控制器与音圈电机驱动器相连，物镜、线圈和光栅尺固定在滑块上；滑块置于超精密导轨上，沿超精密导轨滑动。