[发明专利]基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法及装置

权利要求书

1.基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法，其特征在于：利用直径小于物镜入瞳的离轴且平行于光轴的准直光束入射至物镜产生的斜照明聚焦光束来测量自由曲面样品，通过改变离轴准直光束的离轴量来控制物镜斜照明聚焦光束的倾斜角度，使物镜斜照明聚焦光束与自由曲面的法线方向一致，从而使聚焦至自由曲面的照明光束原光路返回以实现共光路，并利用激光共焦测量方法对轴向焦点位置进行测量，以获得自由曲面样品的形貌参数；

具体包括以下步骤：

步骤一：扫描控制器(19)控制二维精密位移台(12)进行横向位置扫描，对放置于二维精密位移台(12)上的自由曲面样品(11)的测量点M进行轴向位置测量，激光二极管光源(1)经过准直镜(2)准直，准直光束经过X光学平板(6)和Y光学平板(8)折射后产生离轴量为r的离轴准直光束，离轴准直光束入射至物镜(10)的入瞳；并且，离轴准直光束的平面光斑(22)直径必须小于物镜的入瞳(21)直径；

步骤二：离轴准直光束经由物镜(10)聚焦后照射至自由曲面样品(11)，由自由曲面样品(11)反射的光束依次经过物镜(10)、Y光学平板(8)和X光学平板(6)后，一部分经由B分光镜(4)反射，由四象限探测器(13)进行光斑位置探测，一部分经由A分光镜(3)反射，由激光共焦探测模块进行样品的轴向焦点位置探测；

其中，X光学平板(6)和Y光学平板(8)的旋转使入射光束产生离轴量r，法向控制器(17)根据四象限探测器(13)的探测信号对X电机(5)和Y电机(7)进行伺服控制，使得返回光的光束中心位置始终处于四象限探测器(13)的中心，即使得物镜(10)斜照明聚焦光束的倾斜方向与自由曲面样品(11)在该点的法线方向一致，从而使照射至自由曲面样品(11)的探测光束按照原光路返回至激光共焦探测模块；

步骤三：轴向控制器(18)控制物镜驱动器(9)进行往复扫描，在物镜驱动器(9)的驱动下，物镜(10)的焦点在自由曲面样品(11)表面前后进行轴向扫描，轴向控制器(18)同时记录物镜驱动器(9)的轴向位置和光电探测器(16)的信号强度，得到共焦轴向强度曲线(20)并提取信号峰值，得到峰值对应的轴向焦点位置；即在法向跟踪的前提下，利用激光共焦测量方法完成对测量点M的轴向位置的测量；

其中，共焦模块由收集透镜(14)、放置在收集透镜(14)焦点处的针孔(15)以及光电探测器(16)组成；并且，光电探测器(16)的安装位置须保证其能够收集透过针孔(15)的全部光强；

步骤四：扫描控制器(19)控制二维精密位移台(12)进行横向位置扫描，对置于二维精密位移台(12)上的自由曲面样品(11)的下一坐标点进行轴向位置测量，重复步骤一至三，完成对整个自由曲面样品(11)的测量。

2.基于法向跟踪的自由曲面共焦测量装置，其特征在于：包含激光二极管光源(1)、准直镜(2)、A分光镜(3)、B分光镜(4)、X电机(5)、Y电机(7)、X光学平板(6)、Y光学平板(8)、物镜驱动器(9)、物镜(10)、自由曲面样品(11)、二维精密位移台(12)、四象限探测器(13)、收集透镜(14)、针孔(15)、光电探测器(16)、法向控制器(17)、轴向控制器(18)和扫描控制器(19)；

自由曲面样品(11)置于二维精密位移台(12)上，并由物镜驱动器(9)驱动物镜(10)进行轴向位置跟踪探测；激光二极管光源(1)位于准直镜(2)的焦点处，准直出射的光束与物镜(10)同轴；

X光学平板(6)、Y光学平板(8)及X电机(5)、Y电机(7)组成光束位移模块；X光学平板(6)固定于X电机(5)转轴上，Y光学平板(8)固定于Y电机(7)转轴上，X电机(5)和Y电机(7)的放置均垂直于准直镜(2)的光轴，保证X电机(5)和Y电机(7)正交，且准直镜(2)的准直光束通过X光学平板(6)和Y光学平板(8)产生离轴位移；通过所述X电机(5)和Y电机(7)带动X光学平板(6)和Y光学平板(8) 旋转，对准直光束的离轴量进行调节；

在准直镜(2)和光束位移模块之间依次放置A分光镜(3)和B分光镜(4)，在B分光镜(4)的反射光束光轴上放置四象限探测器(13)，在A分光镜(3)的反射光束光轴上依次配置有收集透镜(14)、收集透镜(14)焦点处的针孔(15)以及光电探测器(16)，光电探测器(16)的安装位置须保证其能够收集透过针孔(15)的全部光强，以构成共焦探测模块；

法向控制器(17)采集四象限探测器(13)的信号，并根据四象限探测器(13)上的光斑位置对X电机(5)和Y电机(7)进行反馈控制，确保光束始终处于四象限探测器(13)的中心；

轴向控制器(18)读取共焦模块中的光电探测器(16)的输出信号，通过轴向控制器(18)控制物镜驱动器(9)轴向扫描以获得共焦轴向强度曲线(20)，并通过信号处理提取共焦轴向强度曲线(20)的峰值，进而获得测量点M的轴向位置；

扫描控制器(19)控制二维精密位移台(12)进行二维扫描运动，并读取轴向控制器(18)处理得到的轴向位置，通过扫描坐标与轴向位置数据重建出自由曲面样品(11)的三维轮廓。