[发明专利]横向相减差动共焦超大曲率半径测量方法

摘要

本发明公开的横向相减差动共焦超大曲率半径测量方法，属于光学精密检测技术领域。本发明方法在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域(图像区)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，然后将锐化共焦特性曲线进行横向相减差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，最后再利用该横向相减差动共焦特性曲线零点与测量系统焦点精确对应这一特性对超大曲率半径测量中各特征点实现高精度定焦，进而实现超大曲率半径的高精度测量。该方法为超大曲率半径的高精度测量提供了一个全新的技术途径。

主权项

1.横向相减差动共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤，a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光透过分束镜(2)、准直透镜(3)和平行平晶(4)后照射在被测球面元件(6)；b)调整被测球面元件(6)使其与平行平晶(4)和准直透镜(3)共光轴，使准直透镜(3)出射的平行光束经平行平晶(4)和被测球面元件(6)后汇聚成测量光束(5)射向平行平晶(4)A面，平行平晶(4)A面又将汇聚成测量光束(5)反射至被测球面元件(6)，从而使平行平晶(4)A面与被测球面元件(6)测量面间形成反射腔，经被测球面元件(6)反射的平行光束又透过平行平晶(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)，测量光束形成测量艾里斑(13)后被CCD探测器(10)探测；c)沿光轴方向移动被测球面元件(6)使测量光束(5)的在反射腔内经过n次反射后聚焦到平行平晶(4)C面的A点位置，在所述A点位置附近轴向扫描被测球面元件(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)和焦前小虚拟针孔探测域(15)分别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)和焦后小虚拟针孔探测域(18)分别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(9)偏离焦前显微物镜(8)焦平面的距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(11)偏离焦后显微物镜(10)焦平面的距离M的归一化距离；d)将焦后横向相减锐化共焦特性曲线(21)I₂(z,+u_M)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线(24)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)来精确确定汇聚测量光束(5)聚焦的焦点位置A，进而得到被测球面元件(6)的位置Z_n；大/小虚拟针孔探测域探测共焦特性曲线获取和优化方法为：在CCD探测器(9)探测焦前测量艾里斑(10)的每帧图像上选取一个预定大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线I_B(z)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线I_S(z)，然后将I_B(z)和I_S(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z,u_M)＝I_S(z,u_M)‑γI_B(z,u_M)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化；e)沿光轴方向相向移动被测球面元件(6)，使测量光束(5)在反射腔内经过m(m≠n)次反射，聚焦到反射腔的表面附近，在该位置附近轴向扫描被测球面元件(6)，由横向相减差动共焦探测系统(7)依次通过处理测得的测量艾里斑(13)和测量艾里斑(16)分别得到锐化共焦特性曲线(21)和锐化共焦特性曲线(25)，通过锐化共焦特性曲线(21)和锐化共焦特性曲线(25)的差动相减处得到与被测球面元件(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被测球面元件(6)的表面位置B，记录此时被测球面元件(6)的位置z_m；f)根据记录的被测球面元件(6)位置z_n及z_m之间的距离d_m‑n，以及由几何光学计算得到的曲率半径r与焦点位置距离d_m‑n之间的比例系数得被测表面的曲率半径：