[发明专利]双边错位差动共焦层析定焦方法与装置

摘要

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。

主权项

1.双边错位差动共焦层析定焦方法，其特征在于：包括以下步骤：a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)和测量物镜(4)后形成测量光束照射在被测工件(5)上；b)调整被测工件(5)，使其与汇聚的测量光束共光轴，由被测面反射回来的光再通过测量物镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射，反射的光束聚焦为测量艾里斑(15)，并被横向相减共焦探测系统(10)探测；c)沿光轴方向移动被测工件(5)，使汇聚的测量光束的焦点与被测工件(5)的第一层析定焦表面(16)顶点位置重合；在第一层析定焦表面(16)顶点附近扫描被测工件(5)；将横向相减共焦探测系统(10)中大虚拟针孔探测域(14)探测的大虚拟针孔共焦特性曲线(23)I_B(z)，和小虚拟针孔探测域(15)探测的小虚拟针孔共焦特性曲线(24)I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(20)I(z)＝I_S(z)‑γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；d)将锐化共焦特性曲线(20)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(25)，并使锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(25)的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(25)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(21)I_D(z)＝I(z)‑I(z,‑S)，利用差动共焦线性拟合直线(26)对错位相减差动共焦特性曲线(21)的线性段数据进行直线拟合，通过差动共焦线性拟合直线(26)的拟合直线零点(27)以及反向平移移位差动共焦拟合直线(28)的零点m来确定汇聚的测量光束精确定焦在被测工件的第一层析定焦表面(16)顶点位置，进而精确确定测量光束的焦点位置Z₁；e)继续沿光轴方向移动被测工件(5)，使汇聚的测量光束的焦点依次与被测工件的第二层析定焦表面(17)至第N层析定焦表面顶点位置重合；重复步骤c)和d)，在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测工件(5)，由横向相减共焦探测系统(10)测得各层锐化共焦特性曲线(20)后，主控计算机(30)再进行双边错位差动相减处理得到移位差动共焦拟合直线(28)的零点位置m，主控计算机(30)通过零点m来确定测量光束精确定焦在被测工件的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z₂、…和Z_N，进而实现N个表面的精确层析定位；f)与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，进而消除上述各表面定焦过程中各层析定焦表面参数间的相互影响；如图7和下述公式所示，r_N为第N个表面S_N的曲率半径，n_N为第N个表面S_N与第N+1个表面S_N+1之间的材料折射率，d_N‑1为第N‑1个表面S_N‑1与第N个表面S_N之间的轴向间隙，l_N′为S_N顶点到S_N出射线与光轴交点的距离，u_N′为S_N出射光线与光轴的夹角；根据上述公式能够递推计算出表面S_N与S_N+1之间的轴向间隙d_N＝l_N′，消除了各表面间几何参数和折射率参数对定焦精度的影响，利于精确层析定焦。