用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头.pdf

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。

权利要求书
1.  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。

2.  根据权利要求1所述的用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，其特征在于，所述物镜（12）为无限远校正的平场消色差金相显微物镜。

3.  根据权利要求1所述的用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，其特征在于，所述半导体激光器（23）的输出功率为20mW，波长为635nm；所述光纤准直器（21）为固定焦距非球面光纤准直器；所述偏振器（19）为消光比大于1000:1的复合薄膜偏振片。

4.  根据权利要求1所述的用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，其特征在于，所述偏振分光棱镜（7）的消光比大于 1000:1；所述1/4λ玻片（8）为零级1/4λ玻片；所述非偏振分光棱镜（6）为50:50非偏振分光棱镜；所述转向镜（5）为保护银镀膜且反射率大于97.5%的转向镜。

5.  根据权利要求1所述的用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，其特征在于，所述光栅尺（16）及光栅尺读数头（17）分辨率为20nm；所述聚焦控制器（25）为积分分离式PID控制器；所述音圈电机驱动器（18）为COPLEY电机驱动器。

6.  根据权利要求1所述的用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头，其特征在于，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： 

其中m,n，p的表达式如下：

其中，为物镜（12）的焦距，为第二双胶合透镜（3）的焦距，为第三双胶合透镜（2）的焦距，为物镜（12）出射光线与光轴的夹角。

说明书用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头
技术领域
本发明涉及形貌测量领域，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
本发明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。
本发明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，半导体激光器输出的光通过第一光纤耦合器耦合到单模光纤中，再通过第二光纤耦合器输入到光纤准直器中，光束经光纤准直器准直后经过偏振器成为S偏振光，S偏振光被偏振分光棱镜反射，经过1/4λ玻片后，S偏振光变为圆偏振光，光束经过物镜后汇聚于一点，若被测表面光滑，光束被反射回物镜中，并再次经过1/4λ玻片，圆偏振光变为P偏振光，光束透射过偏振分光棱镜后被非偏振分光棱镜分为两束光，一束光被第一双胶合透镜汇聚于四象限光电传感器上，另一束光经过转向镜后方向发生度旋转并入射到由第二双胶合透镜和第三双胶合透镜构成的透镜组中，第二双胶合透镜和第三双胶合透镜的焦点重合，通过透镜组的光垂直入射到位置敏感探测器上；
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；聚焦控制器输出与离焦量成线性关系的信号驱动音圈电机驱动器，音圈电机驱动器驱动音圈电机的线圈产生磁场，该磁场与磁钢产生的恒定磁场相互作用产生推力推动线圈和滑块沿超精密导轨直线运动。
进一步地，所述物镜为无限远校正的平场消色差金相显微物镜。
进一步地，所述半导体激光器的输出功率为20mW，波长为635nm；所述光纤准直器为固定焦距非球面光纤准直器；所述偏振器为消光比大于1000:1的复合薄膜偏振片。
进一步地，所述偏振分光棱镜的消光比大于 1000:1；所述1/4λ玻片为零级1/4λ玻片；所述非偏振分光棱镜为50:50非偏振分光棱镜；所述转向镜为保护银镀膜且反射率大于97.5%的转向镜。
进一步地，所述光栅尺及光栅尺读数头分辨率为20nm；所述聚焦控制器为积分分离式PID控制器；所述音圈电机驱动器为COPLEY电机驱动器。
进一步地，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上，并利用如下所述的角度测量算法得到待测表面的倾角：
（1）同时记录四象限光电探测器和位置敏感探测器的输出量；
（2）在自动对焦的过程中，物镜的焦点在待测表面上下运动，当焦点正好位于待测表面时，四象限光电探测器的输出为零，且此时位置敏感探测器的输出只与倾角有关，提取四象限光电探测器输出为零的点对应的位置敏感探测器的输出量Fx和Fy；
（3）根据步骤（2）得到的位置敏感探测器的输出量Fx和Fy，反推待测表面的倾角，即待测表面在四象限光电探测器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： 

其中m,n，p的表达式如下：

其中，为物镜的焦距，为第二双胶合透镜的焦距，为第三双胶合透镜的焦距，为物镜出射光线与光轴的夹角。
本发明的有益效果是：本发明采用几何光学精确测量物镜焦点与被测表面的距离，测量精度为纳米级，并结合由音圈电机驱动的自聚焦系统实现自动对焦，音圈电机的行程可达9mm，运动轨迹由分辨率为20nm的光栅尺测量，由此实现纳米精度和毫米量程的探头，弥补了现有探头的不足，解决了大范围自由曲面的精密测量仪器中的探头损伤表面、精度不高和量程有限的问题。
附图说明
图1是用于自由曲面形貌测量的光学自聚焦探头结构示意图；
图2是被测面偏离物镜焦平面时的示意光路图；
图3是测量被测面倾角的光路示意图；
图4是物镜焦点位于被测面上的情况下不同倾角时的光路示意图；
图中，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、滑块10、线圈11、物镜12、待测表面13、XY扫描平台14、磁钢15、光栅尺16、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、机架27。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述。
如图1所示，从半导体激光器24中输出光能量分布呈椭圆形，不能直接用于测量，将其输出光耦合到单模光纤22中后，能量分布得到改善，呈理想的高斯分布，但是从单模光纤22中输出的光不能直接使用，需要用光纤准直器21将光束准直，由于非球面有校正像差的作用，因此这里采用非球面光纤准直器；经过准直后的光经过高消光比（大于10000:1）复合薄膜偏振片偏振器19后，输出的光具有线偏振的特性，调整偏振器19，使输出光为S偏振光。
由于S偏振光能够被偏振分光棱镜7完全反射，因此光束沿平行于光轴的方向传播，经过1/4λ玻片8后，S偏振光变为圆偏振光，经物镜12汇集后聚焦于一点，经待测表面13反射后，光束将重新回到物镜12中并再次经过1/4λ玻片8，圆偏振光变为P偏振光，此时光束将完全通过偏振分光棱镜7。光束继续经过非偏振分光棱镜6，一束光经被平分为两束光，其中一束光被第一双胶合透镜4汇聚到四象限光电传感器（QPD） 26上，另一束光被转向镜5转向后经过第二双胶合透镜3、第三双胶合透镜2，垂直入射到位置敏感探测器（PSD）1上。
如图2所示，当物镜12焦点偏离待测表面13时，离焦量为Δh，光斑在QPD 26上会产生一个横向的位移Δx，假定物镜12焦距为f1，第一双胶合透镜4焦距为f2，将物镜12视为凸透镜，根据凸透镜成像原理，可得：，其中，为物镜出射光线与光轴的夹角；由此可见，通过系列光学元件离焦量可以转化为光斑的水平位移，这个位移可以用QPD 26测得，并归一化输出。利用QPD 26的输出作为自聚焦伺服模块的反馈信号，聚焦控制器25可以控制音圈电机驱动器18驱动音圈电机运动，从而带动物镜12调整位置使得离焦量为零，实现形貌跟踪的功能，利用高精度光栅尺16测量伺服运动，可以得到待测表面13的形貌。
但是，伺服跟踪不可能完全跟踪到待测表面13形貌，总会有跟踪误差，如果不消除该误差，探头的精度将得不到提高，因此需要记录QPD 26的离焦信号用于补偿跟踪误差。但是实际上QPD 26的离焦信号与离焦量之间不是完全的线性关系，灵敏度是表面倾角的函数，即从QPD 26的输出信号不能直接解耦出离焦量，必须要知道待测表面13的表面倾角，因此，需要采用角度测量模块获取待测表面13的表面倾角。
如图4所示，取对焦过程中QPD 26输出为零的情况，此时物镜12焦点正好位于待测表面13上，在这种特殊情况下，PSD 1的输出只与待测表面13倾角有关，不同的倾角对应的是光斑在PSD 1上不同的位置，图中实线、虚线和点划线分别代表三种不同的情况。据此，可以反推出待测表面13的表面倾角，以补偿离焦量测量时灵敏度的变化。
如图3所示，物镜12的出射光线AB经过待测表面13反射后沿BC返回物镜12，待测表面13在B点处的单位法向量为，B点坐标为（Bx,By,Bz）光线经过第二双胶合透镜3和第三双胶合透镜2时分别相交于D点和E点，最终投射到位置敏感探测器1上的F点，AB的方向向量为（0，-sinα,-cosα）,根据反射定律，可以求得BC的单位方向向量为（m,n,p），其中
                 (1)
     已知B点坐标和BC的方向向量，又知道C点位于物镜12所在平面上，可以得到C点坐标为（Cx,Cy,Cz），其中
                          (2)
根据凸透镜成像定律，可以得到CD的方向向量为

进而得到D点的坐标为（Dx,Dy,Dz）,其中
               (3)
当离焦量为零时，即Bz=0此时，By=0，可以得到离焦量为零时D点坐标
                            (4)
由于第二双胶合透镜3和第三双胶合透镜2焦点重合，两者构成望远镜，可以得到离焦量为零时F点坐标（Fx,Fy,Fz），其中
                         (5)
Fx和Fy可以通过位置敏感探测器1测量得到，从而能够得到
                           (6)
而又知道,为简化算式，令可以得到
                       (7)
从（1）反推（a,b,c）可得
                  （8）
将（7）带入（8）中可得待测表面13的单位法向量（a,b,c）；
其中，为物镜的焦距，为第二双胶合透镜的焦距，为第三双胶合透镜的焦距，为物镜出射光线与光轴的夹角。