[发明专利]一种大量程高频响光学共焦式测头

说明书

本发明公开了一种大量程高频响光学共焦式测头，包括激光器、准直扩束镜组件、偏振分光棱镜组件、λ/4波片组件和物镜，偏振分光棱镜组件在反射光路方向上连有非偏振分光棱镜组件；非偏振分光棱镜组件在透射光路方向上顺次设有第一成像透镜组件、第一针孔光阑组件和第一光电探测器组件，在反射光路上顺次设有第二成像透镜组件、第二针孔光阑组件和第二光电探测器组件；此外还有第一调节机构内和第二调节机构内；λ/4波片组件和物镜之间设有活动间隙，并且配装有电容传感器；物镜配装有能带动物镜轴向移动的位移放大组件。本发明结构简单紧凑、针孔光阑与光电探测器位置易于调节、纵向测量范围大、频率响应高。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，涉及精密测量系统中的检测装置，特别涉及一种大行程高频响光学共焦式测头。

背景技术

光学共焦式测头是一种基于光学共焦成像原理来获得被测表面高度信息的测量装置。它具有较高的纵向和横向分辨率，分别可以达到纳米级和亚微米级，可同精密定位平台相结合，实现微结构表面形貌的精密测量。相对于机械触针式测头，它不会因接触而产生磨损，也不会划伤被测表面；相对于光学干涉式测头，其横向分辨率高，纵向测量范围大；相对于结构光式测头，其纵向和横向分辨率以及测量精度高；相对于扫描探针显微镜，它不仅纵向测量范围大，还可实现在线测量。

目前的光学共焦式测头还存在以下不足：

1) 结构复杂、光学元器件分散布置，造成测头的体积较大；

2) 针孔光阑与光电探测器在光路中的位置大都依靠用来固定它们的结构件的加工及装配精度来保证，对结构件的加工及装配精度要求高，针孔光阑与光电探测器在光路中的位置调节困难；

3) 纵向测量范围即量程大都取决于共焦光路的离焦量，而共焦光路的离焦量很小，仅能达到±5 μm左右，对于形貌变化较大的微结构表面，便无法进行测量；

4) 虽然也有将测头置于精密定位平台上，进而通过平台的精密移动来扩大量程的，但由于平台往往质量较大，频率响应较低，因而难以实现快速测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供结构简单紧凑、针孔光阑与光电探测器位置易于调节、纵向测量范围大、频率响应高的一种大量程高频响光学共焦式测头。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大量程高频响光学共焦式测头，包括激光器，激光器在光线方向上顺次设有准直扩束镜组件、偏振分光棱镜组件、λ/4波片组件和物镜，偏振分光棱镜组件在反射光路方向上连有非偏振分光棱镜组件；非偏振分光棱镜组件在透射光路方向上顺次设有第一成像透镜组件、第一针孔光阑组件和第一光电探测器组件，在反射光路上顺次设有第二成像透镜组件、第二针孔光阑组件和第二光电探测器组件；第一针孔光阑组件和第一光电探测器组件共同安装在第一调节机构内，第二针孔光阑组件和第二光电探测器组件共同安装在第二调节机构内；λ/4波片组件和物镜之间设有活动间隙，并且配装有电容传感器；物镜配装有能带动物镜轴向移动的位移放大组件。

上述的非偏振分光棱镜组件的透射光路和反射光路彼此垂直。

上述的非偏振分光棱镜组件的分光比为0.5:0.5；非偏振分光棱镜组件到第一成像透镜组件之间的距离与到第二成像透镜组件之间的距离相等；第一针孔光阑组件设于第一成像透镜组件的焦点与第一光电探测器组件之间；第二针孔光阑组件设于第二成像透镜组件的焦点与第二成像透镜组件之间；

第一针孔光阑组件到第一成像透镜组件的焦点之间的距离与第二针孔光阑组件到第二成像透镜组件的焦点之间的距离相等。

上述的准直扩束镜组件包括沿激光方向排布的凹透镜和凸透镜；

偏振分光棱镜组件包括一个偏振分光棱镜；

λ/4波片组件包括一个λ/4波片；