[发明专利]基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法及装置

说明书

本发明涉及一种基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法及装置，属于光学精密检测领域。本发明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，使其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法向跟踪探测，以获得自由曲面样品的形貌参数。本发明利用共焦探测技术对自由曲面样品进行非接触测量，并通过控制器保持对样品的法向跟踪和轴向焦点的峰值提取，具备较高的测量效率和纳米级测量精度。

技术领域

本发明涉及一种基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法及装置，属于光学精密检测领域。

背景技术

自由曲面光学元件具有较大的表面形貌自由度，在成像系统中具有改善光学系统成像质量、提高分辨能力、增大作用距离、简化仪器结构、减小仪器体积重量和提高可靠性等优点。使用自由曲面光学系统代替的平面镜、球面镜、共轴二次曲面镜等已经成为光学系统发展的重要趋势。但是，自由曲面在增加了设计自由度的同时，对光学设计、加工和检测提出了更高的要求。随着光学CAD与数控金刚石点加工技术在光学设计与制造中得到成功应用，自由曲面的设计与加工已不再是主要技术障碍，但测量问题却成为亟待研究解决的难题。金刚石点加工技术对自由曲面面形的加工精度，主要取决于对面形上各点空间坐标的测量准确度，因此，元件面形能否满足设计要求，必须由高精度的检测技术来保证。

目前，国际上自由曲面的表面轮廓测量方法，主要分为光场图像探测法、层析扫描探测法和探针三维扫描探测法三大类。其中，图像探测法测量过程无需对样品进行扫描，测量速度快，但易受到样品表面反射率、粗糙度等特性差异影响，无法适应任意倾角变化的自由曲面高精度测量；层析扫描法原理简单，但对被测零件的尺寸和材料都有一定限制，对运行环境要求较高，现有仪器测量精度较低。

探针三维扫描探测法，采用探针对被测自由曲面样品表面进行逐点定位，通过测量各个位置点的坐标重构得到样品表面形貌，通常由坐标测量机驱动探针进行探测，该方法具有测量精度高、适用范围广等优势，已逐渐成为自由曲面测量的主流技术。传统的探针三维扫描测量方法包括：清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。其中，清晰度法利用数字图像处理技术，对光学系统的成像质量进行判定，寻找成像最为清晰的点作为定焦位置，但受衍射限制十分明显，瞄准定位灵敏度较低，定位精度仅为微米量级。飞行时间法测量原理简单,不需要图像处理，但分辨率较低，不适用于精密测量环境中。干涉方法的灵敏度很高，其轴向定位精度为纳米级，但是对测量环境要求苛刻，并且容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响，实际工程应用受到较大限制。共焦法定焦精度较高，抗环境干扰能力强，并且对样品表面属性差异影响具有一定的抑制能力，但同样容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响。

综上所述，现有测量方法测量精度受样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响大，是目前提高自由曲面轮廓测量精度的主要瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法及装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法，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：