[发明专利]横向相减差动共焦超长焦距测量方法

摘要

本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，属于光学精密测量技术领域。本发明在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾里斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，其次将锐化共焦特性曲线进行差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，然后利用该差动共焦特性曲线零点与差动共焦测量系统焦点精确对应所述特性对被测超长焦距测量时各顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算来精确得到超长焦距，实现超长焦距的高精度测量。本发明具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。

主权项

1.横向相减差动共焦超长焦距测量方法，其特征在于：包括以下步骤，a)打开点光源(1)，调整平面反射镜(6)使其与参考透镜(4)和准直透镜(3)共光轴，点光源(1)发出的光透过分束镜(2)、准直透镜(3)和参考透镜(4)后汇聚成测量光束(5)聚焦在平面反射镜(6)上；b)平面反射镜(6)反射的聚焦测量光束(5)再经参考透镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减差动共焦探测系统(7)，测量光束形成的焦前测量艾里斑(13)被CCD探测器(10)探测，焦后测量艾里斑(16)被CCD探测器(12)探测；c)沿光轴方向移动平面反射镜(6)使测量光束(5)的焦点A点与平面反射镜(6)的顶点位置重合；在所述顶点位置附近相对轴向扫描平面反射镜(6)，将横向相减差动共焦探测系统(7)中焦前大虚拟针孔探测域(14)探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)I_B1(z,‑u_M)和焦前小虚拟针孔探测域(15)探测的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(20)I_S1(z,‑u_M)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线(21)I₁(z,‑u_M)＝I_S1(z,‑u_M)‑γI_B1(z,‑u_M)；将横向相减差动共焦探测系统(7)中焦后大虚拟针孔探测域(17)探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测域(18)探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(23)I_S2(z,+u_M)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)I₂(z,+u_M)＝I_S2(z,+u_M)‑γI_B2(z,+u_M)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，u_M为焦前CCD探测器(10)偏离焦前显微物镜(9)焦平面的距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(12)偏离焦后显微物镜(11)焦平面的距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)I₂(z,+u_M)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线(21)I₁(z,‑u_M)进行差动相减即得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线(25)I_D(z)：I_D(z)＝I₂(z,+u_M)‑I₁(z,‑u_M)  (1)通过离散横向相减差动共焦特性曲线(25)I_D(z)的拟合直线零点(28)精确确定平面反射镜(6)的表面顶点位置，记录此时平面反射镜(6)表面顶点的位置Z₁；d)将被测透镜(37)插入准直透镜(3)和参考透镜(4)之间，并调整被测透镜(37)使其与准直透镜(3)和参考透镜(4)同光轴，则测量光束(5)的焦点位置由A变到B；e)继续沿光轴方向移动平面反射镜(6)，使平面反射镜(6)的表面与测量光束(5)的焦点B重合；在B点位置附近轴向扫描平面反射镜(6)，由横向相减差动共焦探测系统(7)依次通过处理测得的焦前测量艾里斑(13)和焦后测量艾里斑(16)分别得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(21)和焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)，通过锐化共焦特性曲线(21)和焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)的差动相减处理得到与平面反射镜(6)表面B点附近对应的横向相减差动共焦特性曲线(26)，最后通过横向相减差动共焦特性曲线(26)的线性拟合零点来精确确定平面反射镜(6)的表面位置B，记录此时平面反射镜(6)表面位置Z₂，计算平面反射镜(6)位置A和位置B之间的距离Δ＝Z₂‑Z₁，同时测得被测透镜(37)和参考透镜(4)之间的距离d₀；f)由下式计算被测透镜(31)与参考透镜(4)的主平面间距d：其中，被测透镜(37)参数为：厚度b₁、折射率n₁、曲率半径r₁₁和r₁₂；参考透镜(4)参数为：焦距f₂'、厚度b₂、折射率n₂、曲率半径r₂₁和r₂₂。g)由下式计算被测透镜(31)的焦距值：