本發(fā)明涉及光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用共焦顯微技術(shù)測(cè)量大口徑高曲率光學(xué)元件表面輪廓的技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著光學(xué)加工和檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大口徑光學(xué)元件已成為天文光學(xué)、空間光學(xué)和地基空間目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、激光大氣傳輸、慣性約束聚變(ICF)等領(lǐng)域中起支撐作用的關(guān)鍵部件之一，同時(shí)也是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和超精密加工技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。大口徑光學(xué)元件結(jié)合了以上各領(lǐng)域的特性，不僅在光學(xué)系統(tǒng)中可有效校正高級(jí)像差，顯著提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，同時(shí)又可明顯簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)功能，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)武器裝備中，該類(lèi)設(shè)備的研究發(fā)展方向是：小型化、輕量化、超視距、寬視場(chǎng)和高分辨力，而制約大口徑光學(xué)元件加工水平的關(guān)鍵，取決于與制造要求相適應(yīng)的檢測(cè)方法和儀器；然而現(xiàn)有共焦測(cè)量方法很難檢測(cè)出大口徑高曲率光學(xué)樣品的表面面形，而且測(cè)量速度慢、誤差大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有測(cè)量大口徑高曲率光學(xué)元件的方法檢測(cè)難度大、測(cè)量速度慢、誤差大的問(wèn)題，從而提供基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量裝置及方法。

本發(fā)明所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量裝置，包括共焦顯微系統(tǒng)和二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；

所述共焦顯微系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)；

所述照明系統(tǒng)包括激光器、準(zhǔn)直鏡、光闌、二向色鏡和物鏡；

所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)所述準(zhǔn)直鏡后形成平行光，所述平行光經(jīng)所述光闌入射至所述二向色鏡，二向色鏡將激光反射至所述物鏡，物鏡將激光聚焦至待測(cè)樣品，所述待測(cè)樣品置于所述二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上；

待測(cè)樣品的表面鍍有有機(jī)熒光膜；

照明系統(tǒng)和所述探測(cè)系統(tǒng)共用物鏡和二向色鏡；

所述探測(cè)系統(tǒng)包括物鏡、二向色鏡、濾光片轉(zhuǎn)換器、匯聚透鏡、針孔和光電探測(cè)器；

待測(cè)樣品表面激發(fā)出的熒光經(jīng)物鏡透射至二向色鏡，二向色鏡透射的熒光依次經(jīng)所述濾光片轉(zhuǎn)換器、匯聚透鏡和針孔入射至所述光電探測(cè)器。

優(yōu)選的是，所述激光器發(fā)出的激光的波長(zhǎng)為532nm。

優(yōu)選的是，所述物鏡透射的激光功率大于0mW且小于50mW。

優(yōu)選的是，所述針孔位于匯聚透鏡的后焦面上。

本發(fā)明所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、在待測(cè)樣品的表面鍍有機(jī)熒光膜；

步驟二、光電探測(cè)器收集所述待測(cè)樣品發(fā)出的熒光；

步驟三、物鏡沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，光電探測(cè)器得到軸向響應(yīng)曲線(xiàn)，根據(jù)軸向響應(yīng)曲線(xiàn)，確定待測(cè)樣品的表面位置；

步驟四、二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)待測(cè)樣品在垂直于光軸的二維平面移動(dòng)；

重復(fù)步驟二至步驟三四，直至得到待測(cè)樣品的三維表面輪廓，完成測(cè)量。

優(yōu)選的是，所述有機(jī)熒光膜為羅丹明B薄膜。

有益效果：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高精度檢測(cè)大口徑高曲率光學(xué)元件的宏微結(jié)構(gòu)，同現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)相比，首先實(shí)現(xiàn)了大口徑光學(xué)元件和微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件復(fù)用的輪廓檢測(cè)，而且測(cè)量精度很高；同時(shí)本發(fā)明結(jié)合了中介層散射法測(cè)量高曲率光學(xué)面型的研究方法，兼顧實(shí)現(xiàn)了對(duì)高曲率樣品面型的檢測(cè)；同時(shí)省略了機(jī)械掃描裝置或多探測(cè)器，因此又降低了成本。

本發(fā)明適用于測(cè)量大口徑高曲率光學(xué)元件及微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件。

附圖說(shuō)明

圖1是具體實(shí)施方式一所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是具體實(shí)施方式五的物鏡及二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)掃描方向的示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量裝置，包括共焦顯微系統(tǒng)和二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)7；

所述共焦顯微系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)；

所述照明系統(tǒng)包括激光器1、準(zhǔn)直鏡2、光闌3、二向色鏡4和物鏡5；

所述激光器1發(fā)出的激光經(jīng)所述準(zhǔn)直鏡2后形成平行光，所述平行光經(jīng)所述光闌3入射至所述二向色鏡4，二向色鏡4將激光反射至所述物鏡5，物鏡5將激光聚焦至待測(cè)樣品6，所述待測(cè)樣品6置于所述二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)7上；

待測(cè)樣品6的表面鍍有有機(jī)熒光膜；

照明系統(tǒng)和所述探測(cè)系統(tǒng)共用物鏡5和二向色鏡4；

所述探測(cè)系統(tǒng)包括物鏡5、二向色鏡4、濾光片轉(zhuǎn)換器8、匯聚透鏡9、針孔10和光電探測(cè)器11；

待測(cè)樣品6表面激發(fā)出的熒光經(jīng)物鏡5透射至二向色鏡4，二向色鏡4透射的熒光依次經(jīng)所述濾光片轉(zhuǎn)換器8、匯聚透鏡9和針孔10入射至所述光電探測(cè)器11。

調(diào)整濾光片轉(zhuǎn)換器8濾除綠激光。熒光經(jīng)針孔10入射與光電探測(cè)器11連接的多模光纖12。當(dāng)測(cè)量樣品是微結(jié)構(gòu)(納米、微米級(jí)的光柵、溝槽等)時(shí)，待測(cè)樣品的表面可以不鍍有機(jī)熒光膜，裝置中可以不含濾光片轉(zhuǎn)換器8。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量裝置作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述激光器1發(fā)出的激光的波長(zhǎng)為532nm。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一或二所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量裝置作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述物鏡5透射的激光功率大于0mW且小于50mW。

入射到待測(cè)樣品7的激光功率小于50mW，保證了待測(cè)樣品7的表面能激發(fā)出熒光，又不會(huì)破壞待測(cè)樣品。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一或二所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量裝置作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述針孔10位于匯聚透鏡9的后焦面上。

后焦面上的光斑最小，光強(qiáng)最強(qiáng)，有利于提高測(cè)量精度。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于具體實(shí)施方式一所述的共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓測(cè)量裝置的掃描測(cè)量方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、在待測(cè)樣品6的表面鍍有機(jī)熒光膜；

步驟二、光電探測(cè)器11收集所述待測(cè)樣品6發(fā)出的熒光；

步驟三、物鏡5沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，光電探測(cè)器11得到軸向響應(yīng)曲線(xiàn)，根據(jù)軸向響應(yīng)曲線(xiàn)，確定待測(cè)樣品6的表面位置；

步驟四、二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)7帶動(dòng)待測(cè)樣品6在垂直于光軸的二維平面移動(dòng)；

重復(fù)步驟二至步驟三四，直至得到待測(cè)樣品6的三維表面輪廓，完成測(cè)量。

通過(guò)軸向響應(yīng)曲線(xiàn)的頂點(diǎn)位置來(lái)確定被測(cè)樣品表面位置。Z軸電機(jī)帶動(dòng)物鏡做軸向掃描運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，物鏡沿Z軸運(yùn)動(dòng)，如圖中的雙向箭頭所示，二維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)7帶動(dòng)待測(cè)樣品7沿x軸和y軸移動(dòng)，如圖中交叉的雙向箭頭所示。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式五所述的基于共焦顯微技術(shù)的大口徑高曲率光學(xué)元件的輪廓掃描測(cè)量方法作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述有機(jī)熒光膜為羅丹明B薄膜。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

雖然在本文中參照了特定的實(shí)施方式來(lái)描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對(duì)示例性的實(shí)施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計(jì)出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過(guò)不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來(lái)結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨(dú)實(shí)施例所描述的特征可以使用在其他所述實(shí)施例中。