[发明专利]双边错位差动共焦层析定焦方法与装置

说明书

本发明涉及双边错位激光差动共焦层析定焦方法与装置，属于光学测量技术领域。其针对光学元件尺寸参数测量中元件内、外表面高精度、抗散射定焦的共性瓶颈问题，提出在共焦测量光路系统中，通过大、小虚拟针孔共焦特性曲线的横向相减处理来锐化共焦响应特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，通过光线追迹模型补偿来减少各定焦表面间的相互干扰，进而实现被测光学元/部件内外表面的高精度层析定焦和精磨散射表面的高精度定焦，以期解决光学元件参数测量中高精度层析定焦这一共性瓶颈问题，该技术具有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及双边错位差动共焦层析定焦方法与装置，该方法可用于球面/非球面元件特别光学元/部件测量中各表面的精确定位，其为曲率半径、焦距、镜组间隔等元件参数的高精度测量奠定基础。该发明技术可广泛应用于元件/部件尺寸参数，特别是元件/部件大尺寸和超大尺寸参数的光学测量中。

背景技术

光学测量领域存在一个共性问题：由于受衍射极限的限制，制约了光学测量定焦能力的进一步提升，进而制约了检测仪器精度性能的改善提高。例如，球面光学元件参数测量中，除了面形参数之外，其曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距、镜组间隔的高精度测量主要取决于光学测量元件界面间的定焦精度，特别是光学元件界面间的层析定焦精度。实际上，如何提高光学测量的定焦精度，特别是层析定焦精度，是光学元件测量领域亟待解决的关键共性问题。

清晰度法、临界角法和自准直干涉定焦等众多传统定焦瞄准方法中，自准直干涉定焦法由于具有较高的定焦灵敏度而在高精度的测量中被广泛应用，但现有干涉定焦法却存在以下致命的问题：

1)无层析定焦能力。干涉定焦主要用于元件表面的定焦瞄准，制约了其在透镜折射率、厚度和间隔等涉及内部界面参数测量的应用；

2)抗表面散射能力差。表面散射将破坏干涉形成条件，进而使干涉定焦难以适应非完善抛光表面光学元件、金属表面和陶瓷表面等测量领域，阻碍了干涉定焦测量方法的适应范围；

3)干涉定焦速度慢。基于全幅干涉定焦图像采集分析的干涉定焦法，势必降低光学定焦的速度与精度，难以实现快速定焦测量，导致测量时间长、系统漂移大，最终影响测量精度；

4)抗环境干扰能力差。干涉定焦法高灵敏的特征使其对环境气流扰动极度敏感，这在大尺寸的超长焦距和超大曲率半径测量中显得尤为突出，制约了其在大曲率半径和超长焦距测量中的应用。

而由美国学者M.Minsky于1957年提出的共焦显微技术，由于其点照明和点探测的新型成像机制，使共焦显微技术具有光学领域独特的层析成像能力、高分辨成像能力和抗样品散射能力，这就为光学层析定焦提供了基础和前提。

共焦显微镜的基本原理如图1所示，点光源发出的光经过分束镜、测量物镜在被测工件前表面聚焦，经被测工件反射的测量光束沿原路返回，再通过分束镜反射将来自样品的测量光聚焦到置于光电探测器前的针孔内，在光电探测器处形成点探测，光电探测器接收来自物镜焦点处的测量光，焦点以外的返回光被针孔遮挡。当被测工件位于物镜的焦平面时，光电探测器接收到的光强最大，当被测工件偏离焦平面时，反射光被聚焦在针孔前或后的某一位置，此时光电探测器仅接收少部分光能量，也就是说被测工件在离焦时探测到的光强要比在焦平面时弱，光电探测器测得共焦轴向响应曲线，共焦显微镜通过确定共焦轴向响应曲线的峰值点位置便可测得被测工件的高度位置。但这些技术长期用于显微测试领域.

共焦显微镜轴向分辨能力通常通过其共焦轴向响应曲线的半高宽FWHM来表征，FWHM越小，轴向分辨能力越强。但由于受衍射极限等因素的限制，仅通过增大物镜数值孔径NA和减小光波波长λ等来改善共焦显微镜轴向分辨的能力有限。