[发明专利]色散共焦测量系统及其误差修正方法

说明书

本发明提供一种色散共焦测量系统，包括：色散共焦测量装置、误差修正装置、处理器组件；本发明还提供误差修正方法，包括以下步骤：S1、得到成像光斑的质心位置，得到过原点和成像光斑的质心的参照直线的方程；S2、得到轮廓曲线的曲线方程，得到最短径向距离；S3、得到待测光学元件的表面与水平面之间的夹角；S4、得到待测光学元件的表面的倾斜角；S5、得到测量误差，并对色散共焦测量系统的测量结果进行修正，得到修正后的测量值。本发明通过误差修正装置，修正色散共焦测量系统在测量倾斜表面时产生的误差；本发明还通过对不同倾斜角的平面进行标定，得到倾斜角与测量误差之间的关系曲线。

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别涉及色散共焦测量系统及其误差修正方法。

背景技术

精密仪器在生产制造领域占据重要的位置，其核心元器件的加工精度直接影响仪器的整体性能。随着工业制造技术的不断进步，对精密仪器关键零部件的加工精度提出了更高的要求，而外形轮廓检测是精密加工过程中的一个重要环节，特别是在超精密加工领域，检测设备的测量精度直接决定零部件最终的加工精度。

光学元件的精密检测一直是测量领域的重要研究课题，通过对加工后的光学元件表面进行外形轮廓测量，确定其是否满足成像要求。为了避免测量过程对光学元件表面造成损伤，通常采用非接触式测量技术，具体包括色散共焦法、白光干涉法、多波长干涉法等。其中白光干涉法、多波长干涉法具有较高的测量精度，但白光干涉法的测量范围有限，多波长干涉法对样品表面的倾角范围有一定要求。与上述两种方法相比，色散共焦法通过彩色编码技术，使不同波长单色光的焦点位置沿色散探头光轴方向均匀分布，具有较大的测试范围，同时能够对一定倾斜角度的表面进行测量。在测量时，入射光形成测量光斑被样品表面反射，返回至色散探头并在共焦位置成像，只有满足共焦条件的单色光才能进入共焦小孔。通过光谱分析装置测量过小孔后单色光的波长，利用波长与焦距的关系曲线得到待测光学元件的表面与色散探头的距离。将色散探头与三维扫描机构结合，通过获取待测光学元件的表面的不同位置与色散探头之间的距离，从而实现表面三维轮廓测量。

色散探头通常采用准直透镜将复色点光源调制为平行光，再利用色散透镜对复色光进行彩色编码。在理想测试条件下，色散探头光轴与待检测表面垂直，探头出射光束经待检测表面反射后，沿光轴对称光路返回至色散探头，进而在共焦位置聚焦。当色散探头的光轴与待检测表面存在一定倾角时，反射光束无法沿对称光路返回，损失部分光能量。此外，反射光束也无法充满色散探头全口径，导致光谱共焦信号发生偏移，从而带来测量误差。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供色散共焦测量系统及其误差修正方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种色散共焦测量系统，包括：用于对待测光学元件进行表面测量的色散共焦测量装置、用于对色散共焦测量装置进行误差修正的误差修正装置、用于计算误差的处理器组件；

色散共焦测量装置包括白光光源、针孔光阑、第一半反半透器件、准直透镜、色散透镜、共焦光阑、光谱分析组件；准直透镜和色散透镜的主光轴重合；

误差修正装置包括第二半反半透器件、探测器、聚焦透镜；准直透镜、色散透镜和聚焦透镜的口径相同；探测器和聚焦透镜的主光轴重合，且探测器与聚焦透镜之间的距离小于聚焦透镜的焦距；

白光光源发出的白光经过针孔光阑形成点光源，点光源发出的白光依次经过第一半反半透器件反射、准直透镜转化为平行光，平行光经过第二半反半透器件透射、色散透镜进行色散形成色散光，色散光入射至待测光学元件的表面；

色散光经过待测光学元件的表面反射后，经过色散透镜转化为平行色散光，平行色散光入射至第二半反半透器件进行分光，分为透射平行色散光和反射平行色散光；

透射平行色散光依次经过准直透镜、第一半反半透器件透射、共焦光阑会聚，射入光谱分析组件，光谱分析组件对接收到的光进行光谱分析，得到待测光学元件的表面的位置信息；