[发明专利]差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。