一种光学元件表面缺陷测量装置

1.本发明涉及精密检测技术，具体涉及一种光学元件表面缺陷测量装置。本发明可用于精密光学元件的质量检测，适用于对光学元件表面缺陷进行测量。


背景技术：

2.随着现代工业的快速发展,精密光学元件在各个工业领域有着广泛的应用,光学元件作为实现光学功能的载体,为各类光学仪器的开发使用起到了至关重要的作用。所以,鉴于光学元件表面具有的散射特性,如何更好地对元件表面缺陷进行检测也随之被提出来。光学元件的检测过程十分繁琐并且充满着不确定性,光学元件按组成材料可分为普通光学玻璃、钕玻璃、熔融石英光学玻璃、氟化钙(caf2)等一系列材料；按光学元件口径可有大到几米也有小到一二毫米的,差别可达到数千倍；按光学元件外形的不同可分为平板、非球面靶镜、球面透镜、柱面透镜、角锥棱镜、偏光镜、玻璃球等。为了适用于以上三个方面的各种光学元件的需求,测量仪器、环境、设备、技术必定是各式各样的。面对如此种类繁多、功能和外形各不相同的光学元件,需要探索相应的检测技术。
3.光学元件表面缺陷对于自身以及整个光学系统的危害表现在以下几个方面:光束的质量下降。元件表面缺陷处会产生光的散射效应,使得光束在通过缺陷后能量被大量消耗,从而降低了光束的质量；缺陷的热效应现象。由于表面缺陷所处区域比其他区域容易吸收更多的能量,产生的热效应现象可能会使元件疵病发生局部变形、破坏膜层等,进而危害整个光学系统；损坏所处系统中其他光学元件。激光系统中,在高能激光束的照射下,元件表面疵病产生的散射光会被系统内的其他光学元件吸收,从而造成元件的受光不均匀,当达到光学元件材料的损伤阀值时,会使传播光线的质量受到影响,光学元件损坏,更有可能造成光学系统被严重的破坏；疵病会影响视场清洁。当光学元件上有过多的疵病时,会影响微观的美观度,另外,疵病还会残留微小的灰尘、微生物、抛光粉等杂质,这将造成元件被腐蚀、生霉、生雾,会明显影响元件的基本性能。因此，开展光学元件表面缺陷研究十分重要。
4.面向上述需求，本发明公开一种光学元件表面缺陷测量装置，通过调平调心装置实现光学元件的自动调平调心，采用低倍率暗场散射结合高倍率明暗场成像方式，低倍率暗场散射方法用于快速发现表面缺陷，高倍率明暗场成像用于精确测量缺陷尺寸，实现对光学元件表面缺陷的自动检测。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种光学元件表面缺陷测量装置。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
7.本发明包括成像单元(100)、扫描运动单元(200)、轮廓测量单元(300)、自动聚焦单元(400)、样品装夹单元(500)、调平调心单元(600)、主控单元(800)；
8.所述成像单元(100)由粗测量光路和精测量光路组成，且粗测量光路和精测量光路共用一套一体化光学模组(102-2)，并通过一台压电谐振微型转台(102-1)实现低倍和高
倍物镜的自动切换；
9.所述的扫描运动单元(200)，包括五轴圆柱坐标扫描测量结构和宏微两级驱动结构；所述五轴圆柱坐标扫描测量结构集成三个直线轴与两个旋转轴，采用了rtttr结构形式；光学器件放置于调平调心单元(600)中绕竖直轴线旋转的c轴(205-5)上，整个成像单元(100)置于绕水平轴线旋转的p轴(205-4)之上，旋转轴c轴和p轴之间通过直线运动轴和基座相联系；c轴(205-5)整体置于x轴(205-1)上，p轴(205-4)整体置于z轴(205-3)上，z轴(205-3)置于y轴(205-2)上，y轴(205-2)则放置在大理石横梁上，x轴(205-1)安装在大理石台面上；所述宏微两级驱动结构由五轴圆柱坐标扫描测量结构中的z轴(205-3)与聚焦位移台构成装置的f轴(205-6)组成，通过宏微两级驱动结构实现清晰物像；
10.所述轮廓测量单元(300)利用光谱共焦位移传感器(306-1)测量被测元件表面距离，通过空间变换驱动音圈电机(306-2)运动，摆转p轴(205-4)使光谱共焦位移传感器(306-1)垂直于水平面，驱动z轴(205-3)使被测元件最高点和最低点都在光谱共焦位移传感器(306-1)测量范围以内；固定z轴(205-3)，驱动x轴(205-1)和y轴(205-2)对被测元件在x-y平面实施栅格扫描(306-3)，获取光谱共焦测量值及其x-y平面坐标，拟合生成聚焦地形图(306-4)；
11.所述自动聚焦单元(400)由psd位置转换器(407-1)、运动控制器(407-2)、半导体激光器(407-4)、音圈电机(407-3)通过驱动显微物镜(103-12)进行微动聚焦；psd位置转换器(407-1)的输出作为运动控制器(407-2)的反馈输入信号，运动控制器(407-2)根据反馈输入信号对音圈电机(407-3)进行控制，从而调整显微物镜(103-12)上下微动，实现自动聚焦成像，半导体激光器(407-4)用于发射激光；
12.所述的样品装夹单元(500)用于固定被测样品，包括三爪弹力卡盘和径向锁紧装置(508-1)；
13.所述调心调平单元(600)是集调平调心于一体的自动化装置。
14.所述粗测量光路基于低倍率显微物镜进行暗场扫描成像，用于快速发现元件表面缺陷；暗场光源采用环形落射照明(103-13)设计，暗场led光源(103-1)通过导光柱(103-2)进入光纤线束(103-3)，再通过环形透镜将光束环形照射在元件上，从而形成环形落射照明(103-13)；漫反射及衍射光线经过5倍显微物镜(103-12)先进入第一结像镜组(103-6)，然后是第一结像镜组(103-6)后方的第二薄膜分光镜(103-7)，经第二薄膜分光镜(103-7)分光后，进入面阵相机(103-8)和线阵相机(103-9)，完成图像采集。
15.成像单元(100)还集成有明场照明模块(103-14)，明场照明模块(103-14)包括明场光源(103-11)第二结像镜组(103-10)；当需要明场观察时，在物镜(103-12)和第一结像镜组(103-6)之间移入第一薄膜分光镜(103-4)；通过明场照明模块(103-14)的灯光实现明暗场切换。
16.所述精测量光路有明暗场两种工作模式，在暗场工作模式下，光路中用于明暗场切换的薄膜分光镜(103-4)将被移出，相机切换薄膜分光镜(103-7)也将被移出，切换为20倍显微物镜(104-1)，该工作模式下样品表面缺陷所反射的光线将最大程度进入面阵相机(103-8)，保证缺陷检测的灵敏度；在明场工作模式下，精测量光路在明场led光源发出的光经明场光源适配镜组后完成准直和均匀化，并与20倍显微物镜(104-1)共像面；经过薄膜分光镜(103-4)的反射作用，光束进入20倍显微物镜(104-1)照射在样品表面，反射光线依次
经过20倍显微物镜(104-1)、薄膜分光镜(103-4)、结像镜组(103-6)后，经第二薄膜分光镜(103-7)分光，最终被面阵相机(103-8)和线阵相机(103-9)捕获并成像。
17.所述的样品装夹单元(500)具体结构实现如下：三爪弹力卡盘包括三组扭簧(508-2)，三组扭簧(508-2)固定在卡盘外环安装环上，三爪预紧力均匀；所述径向锁紧装置(508-1)分布在三爪弹力卡盘外缘，径向锁紧装置(508-1)位置可调；测量小尺寸元件时安装于三爪弹力卡盘中部预留安装区域(508-3)，且径向锁紧装置(508-1)的顶杆头部设计有可更换的贴合块(508-4)。
18.所述贴合块(508-4)的贴合面设计为圆柱面结构；所述三爪弹力卡盘接触头材料优选pom质；所述贴合块材料优选尼龙材质。
19.所述调心调平单元(600)是集调平调心于一体的自动化装置，调心调平单元(600)采用开尔文铰链结构，使用三个支撑球(609-1)精确约束部件位置，三个支撑球(609-1)与三个v型槽(609-2)相接触，三个v型槽(609-2)的中心线交于一点；其中两个v型槽的上表面自内向外倾斜向下；且结构关于另一个v型槽对称设计；两个调平旋钮(609-3)分别通过对应的步进伺服电机609-5对两个倾斜的v型槽中的支撑球的位置进行微调。
20.本发明装置还设置有洁净控制单元(700)，包括百级层流罩(7011-4)、低噪风机(7011-1)、高洁净空气过滤器(7011-2)、阻尼层(7011-3)、减震层(7011-6)；整个装置的主要设备设置在洁净控制单元(700)内部，即成像单元(100)、扫描运动单元(200)、轮廓测量单元(300)、自动聚焦单元(400)、样品装夹单元(500)、调平调心单元(600)均设置在洁净控制单元(700)内部。
21.洁净控制单元的上方安装有百级层流罩(7011-4)，将环境空气以稳定风压通过高效空气过滤器(7011-2)后产生洁净空气，洁净空气再经阻尼层(7011-3)均压后形成均流层并呈垂直单向流动送入检测区，检验区空气再经下侧排气孔(7011-5)排除。
22.所述主控单元(800)包括运动控制系统、照明光源控制系统、图像采集控制系统、自动调平控制系统；
23.核心的运动控制系统采用8轴运动控制器ec和两个4轴电机驱动器，8轴运动控制器和高性能计算机之间通过ethernet连接，8轴运动控制器和4轴电机驱动器之间使用ethercat总线连接，从而实现对x轴直线位移台、y轴直线位移台、z轴直线位移台、f轴聚焦位移台、c轴工件旋转台、p轴测头摆转台、倍率切换台的驱动和控制；
24.所述照明光源控制系统中，计算机通过usb口与led驱动器相连，并通过cdc虚拟串行协议控制明场led光源、暗场led光源的亮度和开闭；
25.所述图像采集控制系统，暗场模式下，计算机通过cameralink采集卡控制线阵相机曝光和采图；明场模式下，计算机通过usb3.0接口连接高帧率面阵相机，并由外部触发控制相机曝光和采图；
26.所述自动调平控制系统主要用于控制调心调平单元，计算机通过opencan运动控制卡与两个步进伺服电机相连，并通过can协议控制自动调平装置工作；轮廓测量单元中的光谱共焦传感器与光谱仪、高性能计算机连接，自动聚焦单元中的psd信号处理器与afprobe也通过8轴运动控制器与高性能计算机建立联系。
27.本发明相对于现有技术的有益效果为：
28.本发明利用低倍率暗场散射结合高倍率明暗场成像方式，快速的发现光学元件表
面缺陷以及精确测量缺陷尺寸。
29.本发明通过调平调心装置实现光学元件的自动调平调心，采用低倍率暗场散射结合高倍率明暗场成像方式，低倍率暗场散射方法用于快速发现表面缺陷，高倍率明暗场成像用于精确测量缺陷尺寸，实现对光学元件表面缺陷的自动检测。且本发明保证了缺陷识别和分类的效率和精度。
30.本发明设置成像单元由粗测量光路和精测量光路组成，粗测量光路和精测量光路共用一套一体化光学模组，通过一台压电谐振微型转台实现低倍和高倍物镜的自动切换，低倍物镜和高倍物镜采用齐焦设计，切换倍率后，焦点位置基本一致。所述粗测量光路基于低倍率显微物镜进行暗场扫描成像，用于快速发现元件表面缺陷，且精测量光路有明暗场两种工作模式。
附图说明
31.图1是本发明一种实施例的光学元件表面缺陷检测的装置组成示意图；
32.图2是本发明一种实施例的成像单元粗测量与精测量的工作模式切换与一体化光学模组示意图；
33.图3是本发明一种实施例的粗测量光路(精测量暗场光路)示意图；
34.图4是本发明一种实施例的精测量明场光路示意图；
35.图5是本发明一种实施例的扫描运动单元的机械结构原理框图；
36.图6是本发明一种实施例的基于光谱共焦传感器测距的聚焦地形图生成原理示意图；
37.图7是本发明一种实施例的自动聚焦控制原理示意图；
38.图8是本发明一种实施例的兼容大小样品的装夹设计示意图；
39.图9是本发明一种实施例的基于开尔文铰链的自动调平调心装置示意图；
40.图10是本发明一种实施例的百级洁净装置示意图；
41.图11是本发明一种实施例的系统控制整体方案电气构成示意图；
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。
43.本发明的实施例涉及一种光学元件表面缺陷测量的装置及方法，可用于精密光学元件的质量检测。以下参考附图来说明根据本发明所提出的一种实施例。
44.如图1所示，根据本发明所提出缺陷测量的装置的一种实施例，包括成像单元100、扫描运动单元200、轮廓测量单元300、自动聚焦单元400、样品装夹单元500、调平调心单元600、洁净控制单元700、主控单元800。
45.在本实施例中，所述成像单元100由粗测量光路和精测量光路组成，如图2所示，粗测量光路和精测量光路共用一套一体化光学模组102-2(具体内部结构如图3所示)，通过一台压电谐振微型转台102-1实现低倍和高倍物镜的自动切换，低倍物镜和高倍物镜采用齐焦设计，切换倍率后，焦点位置基本一致。
46.在本实施例中，如图3所示，所述粗测量光路基于低倍率显微物镜进行暗场扫描成像，用于快速发现元件表面缺陷。暗场光源采用环形落射照明103-13设计，暗场led光源
103-1通过导光柱103-2进入光纤线束103-3，再通过环形透镜将光束环形照射在元件上，从而形成环形落射照明103-13。漫反射及衍射光线经过5倍显微物镜103-12先进入第一结像镜组103-6，然后是第一结像镜组103-6后方的第二薄膜分光镜103-7(相机切换/可移动)，经第二薄膜分光镜103-7分光后，进入面阵相机103-8和线阵相机103-9，完成图像采集。
47.本发明成像单元100还集成有明场照明模块103-14，明场照明模块103-14包括明场光源103-11第二结像镜组103-10。当需要明场观察时，在物镜103-12和第一结像镜组103-6之间移入第一薄膜分光镜103-4；通过明场照明模块103-14的灯光实现明暗场切换。
48.如图3和4所示，所述精测量光路有明暗场两种工作模式，如图3所示，在暗场工作模式下，光路中用于明暗场切换的薄膜分光镜103-4将被移出，相机切换薄膜分光镜103-7也将被移出，切换为20倍显微物镜104-1，该方式下样品表面缺陷所反射的光线将最大程度进入面阵相机103-8，保证缺陷检测的灵敏度。如图4所示，在明场工作模式下，精测量光路在明场led光源发出的光经明场光源适配镜组后完成准直和均匀化，并与20倍显微物镜104-1共像面；经过薄膜分光镜103-4(明暗场切换/可移动)的反射作用，光束进入20倍显微物镜104-1照射在样品表面，反射光线依次经过20倍显微物镜104-1、薄膜分光镜103-4(明暗场切换/可移动)、结像镜组103-6后，经第二薄膜分光镜103-7(相机切换用/可移动)分光，最终被面阵相机103-8和线阵相机103-9捕获并成像。
49.在本实施例中，如图5所示，所述的扫描运动单元200，包括五轴圆柱坐标扫描测量结构和宏微两级驱动结构。所述五轴圆柱坐标扫描测量结构集成三个直线轴与两个旋转轴，采用了rtttr(r代表旋转轴，t代表直线轴)结构形式，光学器件放置于调平调心单元600中绕竖直轴线旋转的c轴205-5上，整个成像单元100置于绕水平轴线旋转的p轴205-4之上，旋转轴c轴和p轴之间通过直线运动轴和基座相联系。c轴205-5整体置于x轴205-1上，p轴205-4整体置于z轴205-3上，z轴205-3置于y轴205-2上，y轴205-2则放置在大理石横梁上，x轴205-1安装在大理石台面上。该系统中，x、y直线移动轴使用直线电机带动，z轴采用高精度滚珠丝杠由带抱闸功能的伺服电机带动，三轴均使用高精度导轨支撑；c、p转动轴使用力矩电机带动转动。
50.所述宏微两级驱动结构由五轴圆柱坐标扫描测量结构中的z轴205-3与聚焦位移台构成装置的f轴205-6组成，通过宏微两级驱动结构实现清晰物像。
51.在本实施例中，如图6所示，所述轮廓测量单元300利用光谱共焦位移传感器306-1测量被测元件表面距离，通过空间变换驱动音圈电机306-2运动，摆转p轴205-4使光谱共焦位移传感器306-1垂直于水平面，驱动z轴205-3使被测元件最高点和最低点都在光谱共焦位移传感器306-1测量范围以内；固定z轴205-3，驱动x轴205-1和y轴205-2对被测元件在x-y平面实施栅格扫描306-3，获取光谱共焦测量值及其x-y平面坐标，拟合生成聚焦地形图306-4。
52.在本实施例中，如图7所示，所述自动聚焦单元400由psd位置转换器407-1、运动控制器407-2、半导体激光器407-4、音圈电机407-3通过驱动显微物镜103-12进行微动聚焦。psd位置转换器407-1的输出作为运动控制器407-2的反馈输入信号，运动控制器407-2根据反馈输入信号对音圈电机407-3进行控制，从而调整显微物镜103-12上下微动，实现自动聚焦成像，半导体激光器407-4用于发射激光。
53.在本实施例中，如图8所示，所述的样品装夹单元500，包括三爪弹力卡盘和径向锁
紧装置508-1，三爪弹力卡盘包括三组扭簧508-2，三组扭簧508-2固定在卡盘外环安装环上，三爪预紧力均匀；所述径向锁紧装置508-1分布在三爪弹力卡盘外缘，径向锁紧装置508-1位置可调，测量小尺寸元件时安装于三爪弹力卡盘中部预留安装区域508-3，且径向锁紧装置508-1的顶杆头部设计有可更换的贴合块508-4，其贴合面设计为圆柱面结构；所述三爪弹力卡盘接触头材料优选pom(赛钢)材质；所述贴合块材料优选尼龙材质。
54.本实施例中，如图9所示，所述调心调平单元600是集调平调心于一体的自动化装置，有自动调节模式和手动调节模式两种模式；所述调心调平单元600中调平装置采用开尔文铰链结构，使用三个支撑球609-1精确约束部件位置，三个支撑球609-1与三个v型槽609-2相接触，三个v型槽609-2的中心线交于一点。其中两个v型槽的上表面自内向外倾斜向下；且该调平装置结构关于另一个v型槽对称设计。两个调平旋钮609-3分别通过对应的步进伺服电机609-5对两个倾斜的v型槽中的支撑球的位置进行微调；
55.具体的是通过主控单元中的自动调平控制系统检测光谱共焦传感器306-1的具体参数，然后主控单元通过参数驱动步进伺服电机609-5进行调整。
56.调心流程与调平流程相似，通过两个调心旋钮609-4进行调整。两个调心旋钮609-4能够通过对应的步进伺服电机对位置进行微调；
57.本实施例中，如图10所示，所述的洁净控制单元700，包括百级层流罩7011-4、低噪风机7011-1、高洁净空气过滤器7011-2、阻尼层7011-3、减震层7011-6。整个装置的主要设备设置在洁净控制单元700内部，即成像单元100、扫描运动单元200、轮廓测量单元300、自动聚焦单元400、样品装夹单元500、调平调心单元600均设置在洁净控制单元700内部。
58.所述洁净控制单元的上方安装有百级层流罩7011-4，将环境空气以稳定风压通过高效空气过滤器7011-2后产生洁净空气，洁净空气再经阻尼层7011-3均压后形成均流层并呈垂直单向流动送入检测区，检验区空气再经下侧排气孔7011-5排除；
59.本实施例中，如图11所示，所述主控单元800包括运动控制系统8012-27、照明光源控制系统8012-24、图像采集控制系统8012-25、自动调平控制系统8012-26。
60.核心的运动控制系统8012-27采用8轴运动控制器ec8012-10和两个4轴电机驱动器8012-13(支持直线电机、音圈电机和旋转伺服电机)，8轴运动控制器8012-10和高性能计算机8012-9之间通过ethernet连接，8轴运动控制器8012-10和4轴电机驱动器8012-13之间使用ethercat总线连接，从而实现对x轴直线位移台8012-16、y轴直线位移台8012-17、z轴直线位移台8012-18、f轴聚焦位移台8012-19、c轴工件旋转台8012-20、p轴测头摆转台8012-21、倍率切换台8012-22的驱动和控制。
61.所述照明光源控制系统8012-24中，计算机通过usb口与led驱动器8012-8相连，并通过cdc虚拟串行协议控制明场led光源8012-1、暗场led光源8012-2的亮度和开闭。
62.所述图像采集控制系统8012-25，暗场模式下，计算机通过cameralink采集卡8012-7控制高频线扫相机8012-4(即线阵相机)曝光和采图；明场模式下，计算机通过usb3.0接口连接高帧率面阵相机，并由外部触发控制相机曝光和采图。
63.所述自动调平控制系统8012-26主要用于控制调心调平单元，计算机通过opencan运动控制卡8012-23与两个步进伺服电机8012-6相连，并通过can协议控制自动调平装置8012-5工作。轮廓测量单元中的光谱共焦传感器8012-15与光谱仪8012-12、高性能计算机连接，自动聚焦单元中的psd信号处理器8012-11与afprobe8012-14也通过8轴运动控制器
与高性能计算机建立联系。
64.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于包括成像单元(100)、扫描运动单元(200)、轮廓测量单元(300)、自动聚焦单元(400)、样品装夹单元(500)、调平调心单元(600)、主控单元(800)；所述成像单元(100)由粗测量光路和精测量光路组成，且粗测量光路和精测量光路共用一套一体化光学模组(102-2)，并通过一台压电谐振微型转台(102-1)实现低倍和高倍物镜的自动切换；所述的扫描运动单元(200)，包括五轴圆柱坐标扫描测量结构和宏微两级驱动结构；所述五轴圆柱坐标扫描测量结构集成三个直线轴与两个旋转轴，采用了rtttr结构形式；光学器件放置于调平调心单元(600)中绕竖直轴线旋转的c轴(205-5)上，整个成像单元(100)置于绕水平轴线旋转的p轴(205-4)之上，旋转轴c轴和p轴之间通过直线运动轴和基座相联系；c轴(205-5)整体置于x轴(205-1)上，p轴(205-4)整体置于z轴(205-3)上，z轴(205-3)置于y轴(205-2)上，y轴(205-2)则放置在大理石横梁上，x轴(205-1)安装在大理石台面上；所述宏微两级驱动结构由五轴圆柱坐标扫描测量结构中的z轴(205-3)与聚焦位移台构成装置的f轴(205-6)组成，通过宏微两级驱动结构实现清晰物像；所述轮廓测量单元(300)利用光谱共焦位移传感器(306-1)测量被测元件表面距离，通过空间变换驱动音圈电机(306-2)运动，摆转p轴(205-4)使光谱共焦位移传感器(306-1)垂直于水平面，驱动z轴(205-3)使被测元件最高点和最低点都在光谱共焦位移传感器(306-1)测量范围以内；固定z轴(205-3)，驱动x轴(205-1)和y轴(205-2)对被测元件在x-y平面实施栅格扫描(306-3)，获取光谱共焦测量值及其x-y平面坐标，拟合生成聚焦地形图(306-4)；所述自动聚焦单元(400)由psd位置转换器(407-1)、运动控制器(407-2)、半导体激光器(407-4)、音圈电机(407-3)通过驱动显微物镜(103-12)进行微动聚焦；psd位置转换器(407-1)的输出作为运动控制器(407-2)的反馈输入信号，运动控制器(407-2)根据反馈输入信号对音圈电机(407-3)进行控制，从而调整显微物镜(103-12)上下微动，实现自动聚焦成像，半导体激光器(407-4)用于发射激光；所述的样品装夹单元(500)用于固定被测样品，包括三爪弹力卡盘和径向锁紧装置(508-1)；所述调心调平单元(600)是集调平调心于一体的自动化装置。2.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，所述粗测量光路基于低倍率显微物镜进行暗场扫描成像，用于快速发现元件表面缺陷；暗场光源采用环形落射照明(103-13)设计，暗场led光源(103-1)通过导光柱(103-2)进入光纤线束(103-3)，再通过环形透镜将光束环形照射在元件上，从而形成环形落射照明(103-13)；漫反射及衍射光线经过5倍显微物镜(103-12)先进入第一结像镜组(103-6)，然后是第一结像镜组(103-6)后方的第二薄膜分光镜(103-7)，经第二薄膜分光镜(103-7)分光后，进入面阵相机(103-8)和线阵相机(103-9)，完成图像采集。3.根据权利要求2所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于成像单元(100)还集成有明场照明模块(103-14)，明场照明模块(103-14)包括明场光源(103-11)第二结像镜组(103-10)；当需要明场观察时，在物镜(103-12)和第一结像镜组(103-6)之间移入第一薄膜分光镜(103-4)；通过明场照明模块(103-14)的灯光实现明暗场
切换。4.根据权利要求4所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，所述精测量光路有明暗场两种工作模式，在暗场工作模式下，光路中用于明暗场切换的薄膜分光镜(103-4)将被移出，相机切换薄膜分光镜(103-7)也将被移出，切换为20倍显微物镜(104-1)，该工作模式下样品表面缺陷所反射的光线将最大程度进入面阵相机(103-8)，保证缺陷检测的灵敏度；在明场工作模式下，精测量光路在明场led光源发出的光经明场光源适配镜组后完成准直和均匀化，并与20倍显微物镜(104-1)共像面；经过薄膜分光镜(103-4)的反射作用，光束进入20倍显微物镜(104-1)照射在样品表面，反射光线依次经过20倍显微物镜(104-1)、薄膜分光镜(103-4)、结像镜组(103-6)后，经第二薄膜分光镜(103-7)分光，最终被面阵相机(103-8)和线阵相机(103-9)捕获并成像。5.根据权利要求4所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，所述的样品装夹单元(500)具体结构实现如下：三爪弹力卡盘包括三组扭簧(508-2)，三组扭簧(508-2)固定在卡盘外环安装环上，三爪预紧力均匀；所述径向锁紧装置(508-1)分布在三爪弹力卡盘外缘，径向锁紧装置(508-1)位置可调；测量小尺寸元件时安装于三爪弹力卡盘中部预留安装区域(508-3)，且径向锁紧装置(508-1)的顶杆头部设计有可更换的贴合块(508-4)。6.根据权利要求5所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，所述贴合块(508-4)的贴合面设计为圆柱面结构；所述三爪弹力卡盘接触头材料优选pom质；所述贴合块材料优选尼龙材质。7.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，所述调心调平单元(600)是集调平调心于一体的自动化装置，调心调平单元(600)采用开尔文铰链结构，使用三个支撑球(609-1)精确约束部件位置，三个支撑球(609-1)与三个v型槽(609-2)相接触，三个v型槽(609-2)的中心线交于一点；其中两个v型槽的上表面自内向外倾斜向下；且结构关于另一个v型槽对称设计；两个调平旋钮(609-3)分别通过对应的步进伺服电机609-5对两个倾斜的v型槽中的支撑球的位置进行微调。8.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，该装置还设置有洁净控制单元(700)，包括百级层流罩(7011-4)、低噪风机(7011-1)、高洁净空气过滤器(7011-2)、阻尼层(7011-3)、减震层(7011-6)；整个装置的主要设备设置在洁净控制单元(700)内部，即成像单元(100)、扫描运动单元(200)、轮廓测量单元(300)、自动聚焦单元(400)、样品装夹单元(500)、调平调心单元(600)均设置在洁净控制单元(700)内部。9.根据权利要求7所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，所述洁净控制单元的上方安装有百级层流罩(7011-4)，将环境空气以稳定风压通过高效空气过滤器(7011-2)后产生洁净空气，洁净空气再经阻尼层(7011-3)均压后形成均流层并呈垂直单向流动送入检测区，检验区空气再经下侧排气孔(7011-5)排除。10.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷测量的装置，其特征在于，所述主控单元(800)包括运动控制系统、照明光源控制系统、图像采集控制系统、自动调平控制系统；核心的运动控制系统采用8轴运动控制器ec和两个4轴电机驱动器，8轴运动控制器和高性能计算机之间通过ethernet连接，8轴运动控制器和4轴电机驱动器之间使用ethercat总线连接，从而实现对x轴直线位移台、y轴直线位移台、z轴直线位移台、f轴聚焦位移台、c轴工件旋转台、p轴测头摆转台、倍率切换台的驱动和控制；
所述照明光源控制系统中，计算机通过usb口与led驱动器相连，并通过cdc虚拟串行协议控制明场led光源、暗场led光源的亮度和开闭；所述图像采集控制系统，暗场模式下，计算机通过cameralink采集卡控制线阵相机曝光和采图；明场模式下，计算机通过usb3.0接口连接高帧率面阵相机，并由外部触发控制相机曝光和采图；所述自动调平控制系统主要用于控制调心调平单元，计算机通过opencan运动控制卡与两个步进伺服电机相连，并通过can协议控制自动调平装置工作；轮廓测量单元中的光谱共焦传感器与光谱仪、高性能计算机连接，自动聚焦单元中的psd信号处理器与afprobe也通过8轴运动控制器与高性能计算机建立联系。

技术总结
本发明公开了一种光学元件表面缺陷测量的装置。本发明包括成像单元、扫描运动单元、轮廓测量单元、自动聚焦单元、样品装夹单元、调平调心单元、主控单元。成像单元由粗测量光路和精测量光路组成；轮廓测量单元拟合生成聚焦地形图；自动聚焦单元调整显微物镜上下微动实现自动聚焦成像；所述的样品装夹单元用于固定被测样品；调心调平单元是集调平调心于一体的自动化装置。本发明利用低倍率暗场散射结合高倍率明暗场成像方式，快速的发现光学元件表面缺陷以及精确测量缺陷尺寸；本发明保证了缺陷识别和分类的效率和精度。别和分类的效率和精度。别和分类的效率和精度。


技术研发人员：孙安玉 虞兵 曲凯歌 张师健 居冰峰 陈远流 朱吴乐 管凯敏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/9/9