用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头

摘要

本发明公开了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；本发明通过将一束能量呈高斯分布的线偏振激光聚焦到被测表面上，从反射光中提取被测表面的离焦量并以此作为自聚焦伺服单元的反馈信号实现自动聚焦，同时在对焦的过程中完成对被测面倾角的测量，有效消除了表面倾角对探头灵敏度的影响；能够通过测得的离焦量消除伺服跟踪误差造成的形貌测量误差，实现了纳米级的精度和毫米级的量程，本发明结合高精度运动机构能够实现对自由曲面轮廓的精密扫描测量。

主权项

一种用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，其特征在于，包括线偏振激光源模块、物镜(12)、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(27)；其中，所述线偏振激光源模块包括半导体激光器(24)、第一光纤耦合器(23)、单模光纤(22)、第二光纤耦合器(20)、光纤准直器(21)和偏振器(19)；分光器模块包括偏振分光棱镜(7)、1/4λ玻片(8)、转向镜(5)和非偏振分光棱镜(6)；自聚焦伺服模块包括音圈电机、超精密导轨(9)及滑块(10)、光栅尺(16)及光栅尺读数头(17)、聚焦控制器(25)、音圈电机驱动器(18)，其中，音圈电机由线圈(11)和磁钢(15)组成；离焦量测量模块包括第一双胶合透镜(4)和四象限光电探测器(26)；角度测量模块包括由第二双胶合透镜(3)、第三双胶合透镜(2)构成的双胶合透镜组和位置敏感探测器(1)；所述位置敏感探测器(1)、第三双胶合透镜(2)、第二双胶合透镜(3)、第一双胶合透镜(4)、转向镜(5)、非偏振分光棱镜(6)、偏振分光棱镜(7)、1/4λ玻片(8)、超精密导轨(9)、磁钢(15)、光栅尺读数头(17)、音圈电机驱动器(18)，偏振器(19)、第二光纤耦合器(20)、光纤准直器(21)、单模光纤(22)、第一光纤耦合器(23)、半导体激光器(24)、聚焦控制器(25)、四象限光电探测器(26)均固定于机架(27)上；所述半导体激光器(24)与第一光纤耦合器(23)相连，单模光纤(22)的一端与第一光纤耦合器(23)相连，另一端与第二光纤耦合器(20)相连，半导体激光器(24)输出的光通过第一光纤耦合器(23)耦合到单模光纤(21)中，再通过第二光纤耦合器(20)输入到光纤准直器(21)中，光束经光纤准直器(21)准直后经过偏振器(19)成为S偏振光，S偏振光被偏振分光棱镜(7)反射，经过1/4λ玻片(8)后，S偏振光变为圆偏振光，光束经过物镜(12)后汇聚于一点，若被测表面光滑，光束被反射回物镜(12)中，并再次经过1/4λ玻片(8)，圆偏振光变为P偏振光，光束透射过偏振分光棱镜(7)后被非偏振分光棱镜(6)分为两束光，一束光被第一双胶合透镜(4)汇聚于四象限光电传感器(26)上，另一束光经过转向镜(5)后方向发生90度旋转并入射到由第二双胶合透镜(3)和第三双胶合透镜(2)构成的透镜组中，第二双胶合透镜(3)和第三双胶合透镜(2)的焦点重合，通过透镜组的光垂直入射到位置敏感探测器(1)上；四象限光电传感器(26)与聚焦控制器(25)相连，聚焦控制器(25)与音圈电机驱动器(18)相连，物镜(12)、线圈(11)和光栅尺(16)固定在滑块(10)上；聚焦控制器(25)输出与离焦量成线性关系的信号驱动音圈电机驱动器(18)，音圈电机驱动器(18)驱动音圈电机的线圈(11)产生磁场，该磁场与磁钢(15)产生的恒定磁场相互作用产生推力推动线圈(11)和滑块(10)沿超精密导轨(9)直线运动；所述角度测量模块利用双胶合透镜组使光束垂直入射到位置敏感探测器(1)上，并利用如下所述的角度测量算法得到待测表面(13)的倾角：(1)同时记录四象限光电探测器(26)和位置敏感探测器(1)的输出量；(2)在自动对焦的过程中，物镜(12)的焦点在待测表面(13)上下运动，当焦点正好位于待测表面(13)时，四象限光电探测器(26)的输出为零，且此时位置敏感探测器(1)的输出只与倾角有关，提取四象限光电探测器(26)输出为零的点对应的位置敏感探测器(1)的输出量Fx和Fy；(3)根据步骤(2)得到的位置敏感探测器(1)的输出量Fx和Fy，反推待测表面(13)的倾角，即待测表面(13)在四象限光电探测器(26)输出为零的点处的单位法向量(a,b,c)，其与Fx和Fy的关系如下：$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{m}{\sqrt{{(n+\sin \alpha )}^2+m^2+{(p+\cos \alpha )}^2}}\\ b=\frac{n+\sin \alpha }{\sqrt{{(n+\sin \alpha )}^2+m^2+{(p+\cos \alpha )}^2}}\\ c=\frac{n+\cos \alpha }{\sqrt{{(n+\sin \alpha )}^2+m^2+{(p+\cos \alpha )}^2}}\end{array}\right.$其中m,n，p的表达式如下：$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{GFx}{\sqrt{G^2{\mathrm{Fx}}^2+G^2{\mathrm{Fy}}^2+1}}\\ n=\frac{GFy}{\sqrt{G^2{\mathrm{Fx}}^2+G^2{\mathrm{Fy}}^2+1}}\\ p=\frac{1}{\sqrt{G^2{\mathrm{Fx}}^2+G^2{\mathrm{Fy}}^2+1}}\end{array}\right.$其中f1为物镜(12)的焦距，f3为第二双胶合透镜(3)的焦距，f4为第三双胶合透镜(2)的焦距，α为物镜(12)出射光线与光轴的夹角。