差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置

摘要

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种差动共焦(共焦)干涉元件多参数测量方法与装置。本发明的核心思想是利用差动共焦(共焦)测量系统测量球面元件表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度以及镜组轴向间隙，利用面形干涉测量系统测量元件表面面形，可实现元件多个参数的同时测量，测量精度高。本发明首次将差动共焦(共焦)探测系统和面形干涉测量系统相融合，测量参数全面，且在元件多个参数测量过程中，无需重新调整光路，拆卸被测元件，对被测元件无损伤，测量速度快。

权利要求

1.差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：打开点光源，由点光源出射的光经第一分光镜、准直透镜和会聚透镜后形成测量光束并照射在被测元件上；调整被测元件的光轴，使其与测量光束共光轴；由被测元件反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后由第一分光镜反射，射向第二分光镜，第二分光镜将光分成两路，一路进入面形干涉测量系统，另一路进入差动共焦测量系统；通过面形干涉测量系统形成干涉图形，通过差动共焦测量系统形成差动共焦响应信号；由干涉图形测量被测元件的表面面形，由差动共焦响应信号测量球面元件表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙。

2.根据权利要求1所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用差动共焦测量系统产生的差动共焦响应信号测量球面元件表面曲率半径时，其具体步骤如下(a)将被测球面元件放置于会聚透镜后方，调整被测球面元件，使其与测量光束共光轴，光照射到被测球面元件表面后部分被反射；

(b)移动被测球面元件，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测球面元件表面的顶点位置相重合，记录此时被测球面元件的位置Z1；

(c)继续沿光轴方向移动被测球面元件，再次通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测球面元件表面的球心位置相重合，记录此时被测球面元件的位置Z2；

(d)计算被测球面元件表面的曲率半径r＝|Z1-Z2|。

3.根据权利要求1所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用差动共焦测量系统产生的差动共焦响应信号测量透镜顶焦距时，其具体步骤如下(a)将会聚透镜取下，在准直透镜出射的平行光路处放置被测透镜，调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴，平行光经被测透镜后形成测量光束；

(b)在被测透镜后放置平面反射镜，调整平面反射镜，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜表面后被反射；

(c)移动平面反射镜，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定被测透镜的焦点与平面反射镜的表面相重合，记录此时平面反射镜的位置Z1；

(d)沿光轴方向移动平面反射镜至被测透镜的后顶点，记录此时平面反射镜的位置Z2；

(e)计算被测透镜的顶焦距lF’＝|Z1-Z2|。

4.根据权利要求1所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用差动共焦测量系统产生的差动共焦响应信号测量透镜折射率及厚度时，其具体步骤如下(a)将被测透镜放置于会聚透镜后方，调整被测透镜，使其与测量光束共光轴，将平面反射镜放置于被测透镜后方，调整平面反射镜，使其与测量光束的光轴相垂直；

(b)整体移动被测透镜和平面反射镜，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测透镜前表面的顶点位置相重合，记录此时被测透镜和平面反射镜的整体位置Z1；

(c)继续沿光轴方向整体移动被测透镜和平面反射镜，使测量光束聚焦到被测透镜后表面，通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测透镜后表面相重合，记录此时被测透镜和平面反射镜的整体位置Z2；

(d)继续沿光轴方向整体移动被测透镜和平面反射镜，使测量光束穿过被测透镜后聚焦到平面反射镜的表面，通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与平面反射镜的表面相重合，记录此时被测透镜和平面反射镜的整体位置Z3；

(e)移除被测透镜，沿光轴方向移动平面反射镜，通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与平面反射镜的表面相重合，记录此时平面反射镜的位置Z4；

(f)结合被测透镜前表面的曲率半径r1、被测透镜后表面的曲率半径r2、会聚透镜的焦距f1及光瞳半径R，使用光线追迹的方法精确获得被测透镜的折射率n和厚度d。

5.根据权利要求1所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用差动共焦测量系统产生的差动共焦响应信号测量镜组轴向间隙时，其具体步骤如下(a)将被测镜组放置于会聚透镜后方，调整被测镜组，使其与测量光束共光轴；

(b)移动被测镜组，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测镜组内透镜各表面的顶点相重合，依次记录各重合点处被测镜组的位置坐标Z1，Z2，…，Zm，m为镜组内透镜的总透光面数；

(c)结合测量光束的数值孔径角α0、被测镜组内各个表面的曲率半径r1～rm、折射率n0～nm-1和被测镜组的位置坐标Z1～Zm，使用光线追迹的方法精确获得被测镜组内第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙dn。

6.根据权利要求1所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用面形干涉测量系统测量光学元件表面面形时，其具体步骤如下(a)将会聚透镜取下，换上齐明透镜，调整齐明透镜，使其与准直透镜共光轴，平行光照射在齐明透镜上时，在齐明透镜参考面上部分光被反射后沿原光路返回；

(b)将被测元件放置于齐明透镜后方，调整被测元件，使其与测量光束共光轴；

(c)光照在被测元件表面后部分光被反射，由被测元件表面反射回的光与由齐明透镜参考面反射回的光发生干涉，并进入面形干涉测量系统，在图像传感器上形成干涉图形；

(d)如果被测元件表面为凹球面或凸球面，则沿光轴方向移动被测元件至测量光束焦点与被测元件表面球心相重合，调整被测元件直至在图像传感器上形成清晰的干涉图形，如果被测元件表面为平面，则直接调整被测元件直至在图像传感器上形成清晰的干涉图形；

(e)通过移相算法测量出被测元件表面面形。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波相差对测量光束的影响，减少测量误差。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：将该方法中的差动共焦测量系统替换成共焦测量系统，由共焦测量系统形成的共焦响应信号测量球面元件表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙。

9.差动共焦干涉元件多参数测量装置，包括点光源，其特征在于：包括第一分光镜、准直透镜、会聚透镜、第二分光镜、差动共焦测量系统、面形干涉测量系统；其中，第一分光镜、准直透镜、会聚透镜放置在光的出射方向，第二分光镜放置在第一分光镜的反射方向，由第二分光镜将光分成两路，一路进入差动共焦测量系统，另一路进入面形干涉测量系统。

10.根据权利要求9所述的差动共焦干涉元件多参数测量装置，其特征在于：将该装置中的差动共焦测量系统替换成共焦测量系统，由共焦测量系统形成的共焦响应信号对被测表面的顶点及球心位置进行高精度定位。

说明书

差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置

技术领域

[0001] 本发明属于光学精密测量技术领域，可用于高精度测量元件的多个参数及表面面形。技术背景

[0002] 在光学精密测量领域中，对元件各种参数的高精度测量具有重要的意义。元件参数的种类很多，例如球面元件的表面曲率半径、透镜材料的折射率、透镜的中心厚度、镜组的轴向间隙以及元件的表面面形等，而这些参数在光学元件的加工过程中都是非常重要的，其加工质量的好坏会对光学系统的成像质量产生较大影响。特别是在光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统中，常常对其内部光学元件的多个参数都有极其严格的要求。以光刻机物镜为例，每个透镜的表面曲率半径、中心厚度、材料折射率的偏差及表面面形的精度下降都会照成系统的像差增大，影响系统成像质量。所以在高性能光学系统中，每个光学元件在加工完成后，都要对其各个参数进行高精度的测量，以保证其光学性能。

[0003] 目前测量各种元件参数的方法及装置已经陆续出现，迄今为止已有多种行之有效的测量方法。

[0004] 如对球面的曲率半径测量，目前已有的测量方法有：球面样板法、球径仪法、自准直法、干涉仪法、刀口仪法、牛顿环法、激光剪切干涉仪法以及莫尔偏析法等。球面样板法和球径仪法属接触测量，测量方法简单，零件不需抛光，但球面样板法只适用于小曲率半径测量，测量精度受样板面形影响较大，并且在接触测量过程中，因球面磨损和挤压带来测量误差；自准直法属于非接触测量，但零件需要抛光处理，光路调整较复杂，调焦和对准难度较大，会带来测量过程中的系统误差；干涉仪法、刀口仪法、牛顿环法、激光剪切干涉仪法以及莫尔偏析法一般用于大曲率半径的测量。干涉仪法在测量过程中易受温度、气流、振动、噪声等因素的干扰，对测量精度影响较大。2006年在《红外与激光工程》上发表的《干涉显微镜测量小球面曲率半径》，研究了一种由单幅静态干涉图测量球面曲率半径的方法。2005年在SPIE上发表的《Radius case study：Optical bench measurement and uncertainty including stage error motion》中，采用干涉仪进行精密定焦实现亚微米级的曲率半径测量精度。

[0005] 针对焦距测量，国内学者提出了新的测量方法，发表的文献主要包括：《中国测试技术》的《泰伯—莫尔法测量长焦距系统的焦距》；《光子学报》的《Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的准确度极限研究》。此类技术主要采用了泰伯-莫尔法，利用Ronchi光栅、Talbot效应实现定焦，通过数字信号处理技术测量焦距。

[0006] 针对透镜折射率和厚度的测量，国内学者提出了无损的测量方法，如《武汉测绘科技大学学报》的《透镜折射率的高精度非接触测量方法》，《哈尔滨理工大学学报》的《用环形横向剪切干涉仪测量透镜的折射率》。此类技术主要采用了浸液法，即：调制不同折射率液体的混合比例使混合液体的折射率与被测透镜匹配，利用阿贝法等方法测量混合液的折射率得到被测透镜的折射率。该方法的测量精度比传统透镜成像测量方法有所提高，但其缺点是折射率液的调配过程繁琐，厚度需要另行测量，需要辅助测量设备并且难以实现工程化。在国外，Eduardo A.Barbosa等学者在文献《Refractive and geometric lens characterization through multi-wavelength digital speckle pattern interferometry》(Optics Communications，281，1022-1029，2008)中提出采用多模激光干涉的方法测量透镜的折射率和厚度。该方法通过多步移相，采集到被测透镜的两个面的反射光的干涉图样，计算出透镜折射率和厚度。该方法测量过程简便，可以独立测量，但其缺点是：数据处理过程繁琐，并且利用干涉成像，易受环境干扰，测量精度不高。

[0007] 在对镜组的轴向间隙进行测量的技术中，较为先进的有：图像测量法、白光共焦法和干涉法。2005年《传感器技术》中发表的《基于图像测量技术的装配间隙在线测量研究》一文中，介绍了一种基于图像测量技术的在线测量方案，将间隙通过光学系统在CCD摄像机中成的像送交图像测量软件处理和分析，由测量软件给出结果。在镜组装配过程中，可以实时测量多个透镜之间的轴向间隙。但由于受摄像机成像系统、CCD分辨力、图像清晰程度和标定系数精确度等的影响，难以达到较高的测量精度，测量误差在0.015mm以内。中国专利“非接触式光学系统空气间隔测量工作方法及设备”(专利号：01133730.3)，采用干涉定位的原理，实现了空气间隔的非接触测量。在镜组安装过程中，此方法可代替接触式测高法来保证镜组内透镜之间的空气间隔，通过移动标准镜头，可对顺序安装的两透镜上表面顶点实现精确定位，用标准镜头两次定位的移动量减去后安装上的透镜的厚度即可得到两透镜之间的空气间隔。但对于已经装配完成的镜组则无法深入其内部进行间隙测量。

[0008] 在面形测量方面，国外的起步较早，具有较为先进的加工及检测技术，特别是在光干涉测量领域一直处于世界领先地位。美国Zygo公司生产的斐索数字面形干涉仪可以作为世界标准，并随着需求的改变在不断地追求技术革新。Zygo公司生产的GPI系列干涉仪，运用移相干涉原理，提供高精度的平面面形，球面面形，曲率半径，样品表面质量，传输波前的测量和分析。GPI系列干涉仪采用精密移相技术和高分辨率CCD接收器件(最高可达2048×2048)，配合功能强大的MetroProTM软件可以获得高精确性和高质量的测量结果，其平面样品PV绝对精度优于λ/100，球面样品PV绝对精度优于λ/140。美国Wyko公司研制生产的Wyko NT9100光学轮廓仪是一款便捷的、精确的、实用的非接触三维形貌测量系统。它采用双光源照明技术，可同时实现对超光滑表面和粗糙表面进行非接触表征，应用范围涵盖了亚纳米量级粗糙度测量到毫米尺度台阶高度测量。近年来国内高等院校、科研院所及光电仪器公司在光干涉测量领域也有诸多创新。南京理工贝索光电科技有限公司生产的CXM-25L、CXM-25W型号的小型干涉仪器，利用斐索干涉原理实现了仪器结构的小型化，可以测量平面和球面光学零件，平面光学零件测试精度为λ/20，球面测试精度为λ/10。
成都太科光电的OSI-120SQ激光球面干涉仪最大工作口径(平面)120mm，标准参照镜表面精度P-V：优于λ/20，球面参照镜面形精度P-V：优于λ/15，测量重复性精度P-V：优于λ/100，能实现光学球面的表面面形、曲率半径、光学平面表面面形的测量。

[0009] 由此可见，目前虽然已有多种测量元件参数的方法和装置，但存在以下几个方面的问题：第一，上述介绍的某些方法采用的是接触式测量，如球面样板法和球径仪法测量球面的曲率半径，该测量方法会挤压或磨损被测元件表面，测量精度不高；第二，有些测量方法虽然测量精度较高，但测量过程繁琐、复杂，如浸液法测量透镜折射率，难以实现工程化；第三，以上所述各种方法中没有一个能对元件的多个参数同时进行高精度的测量，如美国Zygo公司生产的干涉仪，虽然能对表面面形进行高精度的测量，而对其它参数进行测量时，则出现定位精度不高等问题。

[0010] 近年来，国内外显微成像领域的差动共焦(共焦)技术快速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且由于采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了抗环境扰动能力。

[0011] 随即本发明人提出了多种使用差动共焦原理对元件参数进行测量的方法和装置。如在《Laser differential confocal radius measurement》(Optics Express，Vol.18，No.3，2345-2360，2010)一文中，本发明人提出利用差动共焦探测系统的轴向光强响应绝对零点精确对应差动共焦探测系统物镜聚焦焦点这一特性，通过对“猫眼位置”和“共焦位置”的精确定位来实现曲率半径的高精度测量；再如中国专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置”(专利号：201010173084)，该发明提出了一种基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置，该方法利用激光差动共焦响应曲线的绝对零点来精确确定被测透镜前表面与光轴交点、后表面与光轴交点以及有、无被测透镜时测量镜的位置，然后利用测量镜的位置和预先测得的测量镜的曲率半径、焦距及光瞳大小，来对被测透镜两球面及参考反射面来进行逐面光线追迹计算，继而实现被测透镜的折射率和厚度的高精度无损测量；再如中国专利“差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号：
201010000553)，该发明提出了一种差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置，该方法首先通过差动共焦定焦原理对镜组内各透镜表面实现高精度定位，并获得各定位点处差动共焦测头的位置坐标，然后利用光线追迹递推公式依次计算镜组内各轴向间隙。

[0012] 以上所提出的差动共焦测量方法虽然显著提高了元件参数的测量精度，但都只能测量元件的某个参数，不能同时测量元件的多个参数，更不能测量元件的表面面形。本发明“差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置”首次提出了将差动共焦(共焦)测量技术与干涉测量技术相结合，实现同时测量元件的多个参数及表面面形，从而大大降低了测量元件多个参数的成本，且测量精度高，抗环境干扰能力强。

发明内容

[0013] 本发明的目的是为了解决同时对元件多个参数进行高精度测量以及对元件表面面形进行测量的问题，提出将差动共焦(共焦)探测技术和面形干涉测量技术相结合的方法，利用差动共焦(共焦)探测系统的高精度定位特性实现球面元件表面曲率半径测量、透镜顶焦距测量、透镜折射率及厚度测量以及镜组轴向间隙测量，利用面形干涉测量系统实现元件表面面形测量。

[0014] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

[0015] 本发明的一种差动共焦干涉元件多参数测量方法，包括以下步骤：打开点光源，由点光源出射的光经第一分光镜、准直透镜和会聚透镜后形成测量光束并照射在被测元件上；调整被测元件的光轴，使其与测量光束共光轴；由被测元件反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后由第一分光镜反射，射向第二分光镜，第二分光镜将光分成两路，一路进入面形干涉测量系统，另一路进入差动共焦测量系统；通过面形干涉测量系统形成干涉图形，通过差动共焦测量系统形成差动共焦响应信号；由干涉图形测量被测元件的表面面形，由差动共焦响应信号测量球面元件表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙。

[0016] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，可将其用于测量球面元件表面曲率半径，具体测量步骤如下：

[0017] (a)将被测球面元件放置于会聚透镜后方，调整被测球面元件，使其与测量光束共光轴，光照射到被测球面元件表面后部分被反射；

[0018] (b)移动被测球面元件，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测球面元件表面的顶点位置相重合，记录此时被测球面元件的位置Z1；

[0019] (c)继续沿光轴方向移动被测球面元件，再次通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测球面元件表面的球心位置相重合，记录此时被测球面元件的位置Z2；

[0020] (d)计算被测球面元件表面的曲率半径r＝|Z1-Z2|。

[0021] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，可将其用于测量透镜顶焦距，具体测量步骤如下：

[0022] (a)将会聚透镜取下，在准直透镜出射的平行光路处放置被测透镜，调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴，平行光经被测透镜后形成测量光束；

[0023] (b)在被测透镜后放置平面反射镜，调整平面反射镜，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜表面后被反射；

[0024] (c)移动平面反射镜，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定被测透镜的焦点与平面反射镜的表面相重合，记录此时平面反射镜的位置Z1；

[0025] (d)沿光轴方向移动平面反射镜至被测透镜的后顶点，记录此时平面反射镜的位置Z2；

[0026] (e)计算被测透镜的顶焦距lF’＝|Z1-Z2|。

[0027] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，可将其用于测量透镜折射率及厚度，具体测量步骤如下：

[0028] (a)将被测透镜放置于会聚透镜后方，调整被测透镜，使其与测量光束共光轴。将平面反射镜放置于被测透镜后方，调整平面反射镜，使其与测量光束的光轴相垂直；

[0029] (b)整体移动被测透镜和平面反射镜，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测透镜前表面的顶点位置相重合，记录此时被测透镜和平面反射镜的整体位置Z1；

[0030] (c)继续沿光轴方向整体移动被测透镜和平面反射镜，使测量光束聚焦到被测透镜后表面，通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测透镜后表面相重合，记录此时被测透镜和平面反射镜的整体位置Z2；

[0031] (d)继续沿光轴方向整体移动被测透镜和平面反射镜，使测量光束穿过被测透镜后聚焦到平面反射镜的表面，通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与平面反射镜的表面相重合，记录此时被测透镜和平面反射镜的整体位置Z3；

[0032] (e)移除被测透镜，沿光轴方向移动平面反射镜，通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与平面反射镜的表面相重合，记录此时平面反射镜的位置Z4；

[0033] (f)结合被测透镜前表面的曲率半径r1、被测透镜后表面的曲率半径r2、会聚透镜的焦距f1及光瞳半径R，使用光线追迹的方法精确获得被测透镜的折射率n和厚度d。

[0034] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，可将其用于测量镜组轴向间隙，具体测量步骤如下：

[0035] (a)将被测镜组放置于会聚透镜后方，调整被测镜组，使其与测量光束共光轴；

[0036] (b)移动被测镜组，使其沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点与被测镜组内透镜各表面的顶点相重合，依次记录各重合点处被测镜组的位置坐标Z1，Z2，…，Zm(m为镜组内透镜的总透光面数)；

[0037] (c)结合测量光束的数值孔径角α0、被测镜组内各个表面的曲率半径r1～rm、折射率n0～nm-1和被测镜组的位置坐标Z1～Zm，使用光线追迹的方法精确获得被测镜组内第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙dn。

[0038] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，可将其用于测量光学元件表面面形，具体测量步骤如下：

[0039] (a)将会聚透镜取下，换上齐明透镜，调整齐明透镜，使其与准直透镜共光轴，平行光照射在齐明透镜上时，在齐明透镜参考面上部分光被反射后沿原光路返回；

[0040] (b)将被测元件放置于齐明透镜后方，调整被测元件，使其与测量光束共光轴；

[0041] (c)光照在被测元件表面后部分光被反射，由被测元件表面反射回的光与由齐明透镜参考面反射回的光发生干涉，并进入面形干涉测量系统，在图像传感器上形成干涉图形；

[0042] (d)如果被测元件表面为凹球面或凸球面，则沿光轴方向移动被测元件至测量光束焦点与被测元件表面球心相重合，调整被测元件直至在图像传感器上形成清晰的干涉图形。如果被测元件表面为平面，则直接调整被测元件直至在图像传感器上形成清晰的干涉图形；

[0043] (e)通过移相算法测量出被测元件表面面形。

[0044] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波相差对测量光束的影响，减少测量误差。

[0045] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量方法，还可以将该方法中的差动共焦测量系统替换成共焦测量系统，由共焦测量系统形成的共焦响应信号测量球面元件表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙。

[0046] 本发明还提供了一种差动共焦干涉元件多参数测量装置，包括点光源，其特征在于：包括第一分光镜、准直透镜、会聚透镜、第二分光镜、差动共焦测量系统、面形干涉测量系统；其中，第一分光镜、准直透镜、会聚透镜放置在光的出射方向，第二分光镜放置在第一分光镜的反射方向，由第二分光镜将光分成两路，一路进入差动共焦测量系统，另一路进入面形干涉测量系统。

[0047] 本发明所述的差动共焦干涉元件多参数测量装置，还可以将该装置中的差动共焦测量系统替换成共焦测量系统，由共焦测量系统形成的共焦响应信号对被测表面的顶点及球心位置进行高精度定位。

[0048] 有益效果：

[0049] 本发明对比已有技术具有以下主要创新点：

[0050] 1.将差动共焦(共焦)探测系统和面形干涉测量系统有机结合，可实现元件多个参数和表面面形的同时测量；

[0051] 2.在差动共焦探测系统中，基于绝对零点过零触发的焦点跟踪测量方法，实现对元件的精确定位；

[0052] 3.在元件多个参数测量过程中，无需重新调整光路，拆卸被测元件，对被测元件无损伤，测量速度快等。

[0053] 本发明对比已有技术具有以下主要优点：

[0054] 1.融合面形干涉和差动共焦(共焦)定焦技术，利用面形干涉测量系统测量元件表面面形，利用差动共焦(共焦)测量系统测量球面元件表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度以及镜组轴向间隙，以期实现元件的多参数同时测量，提高测量效率；

[0055] 2.面形干涉测量与差动共焦(共焦)测量属于非接触无损测量方法，被测元件不需要进行表面处理，测量方法简单易行；

[0056] 3.利用差动共焦响应曲线的过零点确定目标位置，提高了目标的定焦精度；

[0057] 4.差动共焦(共焦)测量系统利用轴向光强响应作为定焦依据，显著提高了测量系统的抗环境干扰能力等。

附图说明

[0058] 图1为本发明差动共焦干涉元件多参数测量方法的示意图；

[0059] 图2为本发明差动共焦干涉球面元件表面曲率半径测量方法的示意图；

[0060] 图3为本发明差动共焦干涉透镜顶焦距测量方法的示意图；

[0061] 图4为本发明差动共焦干涉透镜折射率及厚度测量方法的示意图；

[0062] 图5为本发明差动共焦干涉镜组轴向间隙测量方法的示意图；

[0063] 图6为本发明差动共焦干涉元件表面面形测量方法的示意图；

[0064] 图7为本发明共焦干涉元件多参数测量方法的示意图；

[0065] 图8为本发明差动共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

[0066] 图9为本发明共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

[0067] 图10为本发明差动共焦干涉球面元件表面曲率半径测量实施例的示意图；

[0068] 图11为本发明差动共焦干涉透镜顶焦距测量实施例的示意图；

[0069] 图12为本发明差动共焦干涉透镜折射率及厚度测量实施例的示意图；

[0070] 图13为本发明差动共焦干涉镜组轴向间隙测量实施例的示意图；

[0071] 图14为本发明差动共焦干涉元件表面面形测量实施例的示意图；

[0072] 图15为本发明共焦干涉元件多参数测量实施例的示意图；

[0073] 图16为本发明由共焦测量系统探测得到的共焦响应曲线；

[0074] 图17为本发明由差动共焦测量系统探测得到的差动共焦响应曲线；

[0075] 其中：1-点光源、2-第一分光镜、3-准直透镜、4-会聚透镜、5-测量光束、6-测量光束焦点、7-干涉准直透镜、8-图像传感器、9-面形干涉测量系统、10-第二分光镜、11-第三分光镜、12-焦前针孔、13-第一光强传感器、14-焦后针孔、15-第二光强传感器、16-差动共焦测量系统、17-被测透镜、18-被测球面元件、19-平面反射镜、20-被测透镜前表面、21-被测透镜后表面、22-被测镜组、23-被测元件、24-齐明透镜、25-齐明透镜参考面、
26-环形光瞳、27-平移台、28-机电控制装置、29-AD采集模块、30-AD采集模块、31-AD采集模块、32-主控计算机、33-调整架、34-焦前显微物镜、35-焦后显微物镜、36-激光点光源发生装置、37-激光器、38-光纤、39-五维调整架、40-CCD探测器、41-CCD探测器、42-CCD探测器、43-图像采集卡、44-图像采集卡、45-图像采集卡、46-共焦测量系统、47-针孔、48-光强传感器、49-被测球面元件表面。

具体实施方式

[0076] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0077] 本发明使用差动共焦(共焦)探测技术和面形干涉测量技术相融合的方法，其基本思想是利用差动共焦(共焦)原理对被测元件进行精确定位，实现透镜表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度和镜组轴向间隙的高精度测量，利用多步移相干涉测量原理实现元件面形的高精度测量。

[0078] 实施例1

[0079] 当被测参数是凸球面的曲率半径时，如附图10所示，差动共焦干涉元件多参数测量装置，其测量步骤是：

[0080] (a)启动主控计算机32中的测量软件，打开激光器37，激光器37所发出的光经光纤38传输后形成点光源1。点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3和会聚透镜4后形成测量光束5；

[0081] (b)将被测球面元件18固定在五维调整架39上，测量光束5照射在被测球面元件表面49上，由被测球面元件表面49反射回来的光通过会聚透镜4和准直透镜3后，由第一分光镜2反射，射向第二分光镜10，第二分光镜10将光分成两路，一路进入面形干涉测量系统9，另一路进入差动共焦测量系统16；

[0082] (c)通过平移台27将被测球面元件18沿光轴移动至测量光束焦点6与被测球面元件表面49的球心位置相接近，观察CCD探测器41中由被测球面元件表面49反射回来的光斑，调整五维调整架39使光斑中点位于CCD探测器41的中心位置，此时被测球面元件18与测量光束5共光轴；

[0083] (d)主控计算机32的测量软件通过机电控制装置28控制平移台27轴向平移，进而带动被测球面元件18沿光轴方向扫描，当测量光束焦点6扫过被测球面元件表面49的顶点位置时，测量软件通过差动共焦测量系统16探测得到如附图17所示的差动共焦响应曲线，通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点6与被测球面元件表面49的顶点位置相重合，记录此时被测球面元件18的位置Z1＝5.0787mm；

[0084] (e)继续移动被测球面元件18沿光轴方向扫描，当测量光束焦点6扫过被测球面元件表面49的球心位置时，同样能得到如附图17所示的差动共焦响应曲线，测量软件再次通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点6与被测球面元件表面49的球心位置相重合，记录此时被测球面元件18的位置Z2＝-31.6262mm；

[0085] (f)计算两位置之间的距离|Z1-Z2|＝36.7049mm，则36.7049mm即为被测球面元件表面49的曲率半径r；

[0086] (g)多次测量被测球面元件表面49的曲率半径，得到测量的重复精度为σk＝0.2μm，相对测量误差为百万分之5。

[0087] 如附图10所示，差动共焦干涉元件多参数测量装置，包括点光源发生装置36，依次放在点光源1出射光方向的第一分光镜2、准直透镜3和会聚透镜4，还包括放置在第一分光镜2反射方向的第二分光镜10以及由第二分光镜10分出来的差动共焦测量系统16和面形干涉测量系统9；主控计算机32与机电控制装置28相连接，使其驱动平移台27带动被测球面元件18沿光轴方向进行扫描。

[0088] 当使用该装置测量透镜表面曲率半径时，使用该系统中的差动共焦测量系统16来对被测球面元件表面49的顶点以及被测球面元件表面49的球心进行高精度定位，进而测得其表面曲率半径。

[0089] 通常差动共焦测量系统16有两种形式，一种为运用针孔探测的差动共焦测量系统，另一种为运用显微物镜探测的差动共焦测量系统。由于运用显微物镜探测的差动共焦测量系统较运用针孔探测的差动共焦测量系统具有装调方便、易于调整被测透镜的优点，所以此处采用了运用显微物镜探测的差动共焦测量系统。此时，进入差动共焦测量系统16的光由第三分光镜11分成两路，一路通过焦前显微物镜34成像在CCD探测器42上，另一路通过焦后显微物镜35成像在CCD探测器41上；图像采集卡44采集CCD探测器42探测得到的模拟信号并转换成数字信号，图像采集卡45采集CCD探测器41探测得到的模拟信号并转换成数字信号，两路信号同时传输给主控计算机32，主控计算机32将从CCD探测器41和CCD探测器42采回的两路信号进行差分处理获得差动共焦信号。

[0090] 实施例2

[0091] 当被测参数是凸透镜顶焦距时，如附图11所示，差动共焦干涉元件多参数测量装置，其测量步骤是：

[0092] (a)启动主控计算机32中的测量软件，打开激光器37，激光器37所发出的光经光纤38传输后形成点光源1。点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3后形成平行光束；

[0093] (b)将会聚透镜4取下，在准直透镜3出射的平行光路处放置被测透镜17，调整被测透镜17，使其与准直透镜3共光轴，平行光经被测透镜17后形成测量光束5；

[0094] (c)将平面反射镜19固定在五维调整架39上，测量光束5照射在平面反射镜19上，由平面反射镜19反射回来的光通过被测透镜17、准直透镜3，由第一分光镜2反射，射向第二分光镜10，第二分光镜10将光分成两路，一路进入面形干涉测量系统9，另一路进入差动共焦测量系统16；

[0095] (d)通过平移台27将平面反射镜19沿光轴移动至测量光束焦点6与平面反射镜19的前表面相接近，观察CCD探测器41中由平面反射镜19反射回来的光斑，调整五维调整架39使光斑中点位于CCD探测器41的中心位置，此时平面反射镜19与测量光束5的光轴相垂直；

[0096] (e)主控计算机32的测量软件通过机电控制装置28控制平移台27轴向平移，进而带动平面反射镜19沿光轴方向扫描，当测量光束焦点6扫过平面反射镜19的表面时，测量软件通过差动共焦测量系统16探测得到如附图17所示的差动共焦响应曲线，通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点6与平面反射镜19的表面相重合，记录此时平面反射镜19的位置Z1＝2.1597mm；

[0097] (f)继续移动平面反射镜19沿光轴方向扫描，当平面反射镜19的表面与被测透镜17的后顶点相接触时，记录此时平面反射镜19的位置Z2＝100.7151mm；

[0098] (g)计算两位置之间的距离|Z1-Z2|＝102.8748mm，则102.8748mm即为被测透镜17的顶焦距。

[0099] 该装置在测量透镜顶焦距时，首先需要取下会聚透镜4，换上被测透镜17，且测量时，差动共焦测量系统16探测的是由平面反射镜19反射回来的光。其余与实施例1相同。

[0100] 实施例3

[0101] 当被测参数是GCL-0101K9平凸透镜的折射率与厚度时，如附图12所示，差动共焦干涉元件多参数测量装置，其测量步骤是：

[0102] (a)启动主控计算机32中的测量软件，打开激光器37，激光器37所发出的光经光纤38传输后形成点光源1。点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3和会聚透镜4后形成测量光束5；

[0103] (b)将被测透镜17固定在五维调整架39上，将平面反射镜19固定在被测透镜17后方，调整被测透镜17，使其与测量光束5共光轴，调整平面反射镜19，使其与测量光束5的光轴相垂直；

[0104] (c)主控计算机32的测量软件通过机电控制装置28控制平移台27轴向平移，进而带动被测透镜17和平面反射镜19同时沿光轴方向扫描，当测量光束焦点6扫过被测透镜前表面20时，测量软件通过差动共焦测量系统16探测得到如附图17所示的差动共焦响应曲线，通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点6与被测透镜前表面20相重合，记录此时平移台27的位置Z1；

[0105] (d)继续沿光轴方向移动被测透镜17和平面反射镜19，当测量光束焦点6扫过被测透镜后表面21时，同样能得到如附图17所示的差动共焦响应曲线，测量软件再次通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点6与被测透镜后表面21相重合，记录此时平移台27的位置Z2；

[0106] (e)继续沿光轴方向移动被测透镜17和平面反射镜19，当测量光束焦点6扫过平面反射镜19的表面时，同样能得到如附图17所示的差动共焦响应曲线，测量软件再次通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点6与平面反射镜19的表面相重合，记录此时平移台27的位置Z3；

[0107] (f)移除被测透镜17，沿光轴方向移动平面反射镜19，测量软件再次通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束焦点6与平面反射镜19的表面相重合，记录此时平移台27的位置Z4；

[0108] (g)由步骤c、d、e、f得到的位置Z1、Z2、Z3、Z4，结合被测透镜前表面20的曲率半径r1、被测透镜后表面21的曲率半径r2、会聚透镜4的焦距f1及光瞳半径R，使用光线追迹的方法精确获得被测透镜17的折射率n和厚度d。

[0109] 所述使用光线追迹的方法精确获得被测透镜17的折射率n和厚度d的具体步骤为：

[0110] GCL-0101 K9平凸透镜的已知参数为：标称折射率n1＝1.51466，标称厚度d＝4.000mm，曲率半径为r1＝∞，r2＝90.7908mm。使用的测量镜最大通光口径D＝9.6mm，焦距f1′＝35mm，环形光瞳的环形光归一化半径ε＝0.7，孔径为R＝4.5mm。用X80激光干涉仪用于测量物镜轴向位移。

[0111] 测量结果为：位置Z1＝-9.34530mm，位置Z2＝-6.71712mm，位置Z3＝-0.02176mm，位置Z4＝1.09363mm。计算得到透镜的折射率n1＝1.51499，其与透镜标称折射率差值为δn＝1.51499-1.51466＝0.00033，其相对误差Δδn＝(0.00033/1.51466)×100％≈0.02％；计算得到透镜的厚度d＝3.996mm，其与透镜标称折射率差值为δd＝4.000-3.996＝0.004，其相对误差Δδn＝(0.004/4.000)×100％＝0.1％。

[0112] 该装置在测量透镜折射率和厚度时，与实施例1不同的是，需用测量光束5对被测透镜的前表面顶点、后表面顶点以及有透镜时平面反射镜19的表面位置和无透镜时平面反射镜19的表面位置这四个位置进行高精度定位，进而使用光线追迹的方法实现对被测透镜17的折射率n和厚度d的高精度测量。

[0113] 实施例4

[0114] 当被测参数是两片透镜镜组的轴向间隙时，如附图13所示，差动共焦干涉元件多参数测量装置，其测量步骤是：

[0115] (a)启动主控计算机32中的测量软件，打开激光器37，激光器37所发出的光经光纤38传输后形成点光源1。点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3和会聚透镜4后形成测量光束5；

[0116] (b)在测量软件中输入被测镜组22的参数，曲率半径从左往右依次为：r1＝195.426mm、r2＝-140.270mm、r3＝-140.258mm、r4＝-400.906mm，折射率从左往右依次为：
n0＝1，n1＝1.5143，n2＝1，n3＝1.668615；

[0117] (c)将被测镜组22固定在五维调整架39上，测量光束5照射在被测镜组22上，由被测镜组22光学表面反射回来的光通过会聚透镜4、准直透镜3，由第一分光镜2反射，射向第二分光镜10，第二分光镜10将光分成两路，一路进入面形干涉测量系统9，另一路进入差动共焦测量系统16；

[0118] (d)通过调整五维调整架39，使被测镜组22与测量光束5共光轴，避免因光轴偏移而引起的测量误差；

[0119] (e)主控计算机32的测量软件通过机电控制装置28控制平移台27轴向平移，进而带动被测镜组22沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统16通过探测CCD探测器41与CCD探测器42的差动响应信号的绝对零点值来确定测量光束焦点6与被测镜组22内透镜的各表面顶点相重合，并依次记录各重合点处平移台27的位置坐标Z1～Z4，测得Z1＝0.16215mm，Z2＝-7.8946mm，Z3＝-8.2271mm，Z4＝-14.5258mm；

[0120] (f)主控计算机32中的测量软件结合被测镜组22的参数由以下的光线追迹递推公式依次计算得到各光学面之间的轴向间隙：

[0121]

[0122] n＝1，2，3

[0123] 式中已知参数包括测量光束5的数值孔径角α0、被测镜组22内两个单片透镜的各表面曲率半径r1～r4、折射率n0～n3和测得的四个位置坐标Z1～Z4；初始条件为：α0′＝α0，l0′＝|zn+1-z1|，d0＝0。其迭代结果即为第n个光学表面与第n+1个光学表面之间的轴向间隙dn＝ln′。带入参数可得两透镜之间的轴向间隙d＝0.3178mm。

[0124] 该装置在测量镜组的轴向间隙时，与实施例1不同的是，需用测量光束5对被测镜组的各个光学表面顶点进行高精度定位，进而使用光线追迹方法实现对被测镜组的轴向间隙的高精度测量。

[0125] 实施例5

[0126] 当被测参数是元件表面面形时，如附图14所示，差动共焦干涉元件多参数测量装置，其测量步骤是：

[0127] (a)启动主控计算机32中的测量软件，打开激光器37，激光器37所发出的光经光纤38传输后形成点光源1。点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3后形成平行光束；

[0128] (b)将会聚透镜4取下，根据不同的被测元件23表面选择不同的齐明透镜24，在准直透镜3出射的平行光路处装上齐明透镜24，调整齐明透镜24与准直透镜3共光轴，平行光照射在齐明透镜24上时，齐明透镜参考面25将部分光沿原光路反射回去；

[0129] (c)将被测元件23固定在五维调整架39上，通过五维调整架39调整被测元件23，使其与测量光束5共光轴。光照射在被测元件23的表面上，部分光被被测元件23的表面所反射，反射回的光与齐明透镜参考面25返回的光发生干涉，这两束干涉光通过准直透镜3后由第一分光镜2反射，射向第二分光镜10，第二分光镜10将光分成两路，一路进入面形干涉测量系统9，另一路进入差动共焦测量系统16；

[0130] (d)如果被测元件23表面为凹球面或凸球面，则通过平移台27将被测元件23移动至测量光束焦点6与被测元件23表面的球心位置相重合处，调整五维调整架39直至通过CCD探测器40可观察到清晰的干涉条纹。如果被测元件23表面为平面，则直接调整五维调整架39直至通过CCD探测器40可观察到清晰的干涉条纹；

[0131] (e)通过四步移相方式沿轴向移动齐明透镜24，主控计算机32的测量软件通过CCD探测器40采得四幅干涉图形，并用相位解包裹算法解出被测元件23的表面面形。

[0132] 该装置在测量元件表面面形时，与实施例1不同的是，需将会聚透镜4取下，换上齐明透镜24，且测量时，主要使用该装置的面形干涉测量系统9，运用四步移相法，对所测得的干涉图形进行相位解包裹计算，测得被测元件23的表面面形。

[0133] 该系统中的面形干涉测量系统9，包括干涉准直透镜7和CCD探测器40；干涉准直透镜7将干涉光束准直后照射在CCD探测器40上形成干涉图像，CCD探测器40将探测得到的干涉图像通过图像采集卡43输入主控计算机32的测量软件，由测量软件解出被测元件23的表面面形。

[0134] 实施例6

[0135] 与实施例1-5所不同的是，以上实施例中的差动共焦测量系统16均可换成共焦测量系统46，构成如附图15所示的共焦干涉元件多参数测量装置。当用该装置测量球面元件表面曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙时，与实施例1-4所不同的是：当测量光束焦点6扫过被测表面的顶点或球心位置时，主控计算机32中的测量软件通过共焦测量系统46探测得到如附图16所示的共焦响应信号，测量软件通过定位共焦响应信号的最大值点来确定测量光束焦点6与被测表面的顶点或球心位置相重合。其余测量步骤与以上实施例相同。

[0136] 共焦干涉元件多参数测量装置中的共焦测量系统46，包括针孔47和光强传感器48；针孔47放在返回光束的焦点位置处，进入共焦测量系统46的光通过针孔47后照射在光强传感器48上；AD采集模块采集光强传感器48探测得到的模拟信号后将其转换成数字信号，并将其传输给主控计算机32；主控计算机将从光强传感器48采回的信号进行处理获得共焦响应信号。

[0137] 此实施例通过一系列的措施实现了同时对元件多个参数进行高精度测量以及对元件表面面形进行测量。且在整个测量过程不接触被测元件，无需重新调整光路，拆卸被测元件，测量精度高、速度快。

[0138] 以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。