[发明专利]双边错位差动共焦元件参数测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，属于光学元件参数精密测量技术领域。

技术背景

在光学元件参数测量领域，由于受衍射极限的影响，测量聚焦光束的聚焦定位能力受到制约，并成为元件曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距与间隔等参数高精度测量的技术瓶颈。

实际上，元件曲率半径、透镜厚度、透镜折射率、透镜焦距与镜组间隔参数均为尺寸长度参量。目前激光干涉测长仪、纳米级光栅测长仪的精度足以满足元件参数的测长需求，就光学元件参量测量而言，其测量精度不再受限于测长精度，而受限于光学元件尺寸参量起点位置和终止位置的定位精度。

因而如何提高光学测量系统的聚焦定位能力已成为改善元件参数测量精度的核心问题。

针对这一问题，中国专利“共焦组合超长焦距测量方法与装置”(专利号：200810226967.6)提出了激光共焦定焦技术，其利用共焦元件参数测量装置轴向特性曲线最大值与其聚焦焦点位置精确对应这一特性，通过寻找共焦响应曲线的最大值位置来确定其焦点位置。为进一步提供精度，中国专利“差动共焦组合超长焦距测量方法与装置”(专利号：200810226966.1)提出了激光差动共焦定焦技术，其利用激光差动共焦曲线过零点与聚焦光斑焦点位置精确对应这一特性，对测量光斑焦点位置进行了精确定焦；中国专利“差动共焦镜组间隙测量方法与装置”(专利号：200810226966.1)又提出了激光差动共焦层析定焦技术，实现了内外样品的层析定焦；之后，中国专利“共焦元件多参数测量方法与装置”(专利号：201010621159.7)基于激光差动共焦技术进而提出元件曲率半径、透镜厚度、透镜折射率、透镜焦距和镜组间隔等参数测量新方法，并显著改善相关参数的测量精度。

但是差动共焦定焦技术由于采用了两路焦前、焦后的探测方式，从而使共焦元件参数测量装置的结构变得复杂，且需根据不同物镜来调整两点探测系统的相对离焦量。

从图1可以看出，共焦元件参数测量装置的聚焦定位能力可通过其轴向响应曲线6的半高宽FWHM来衡量，FWHM越小，聚焦定位能力越强。但由于共焦元件参数测量装置会聚物镜4必须满足测量所需的物镜工作距和工作波长，因而不能仅靠通过增大物镜会聚物镜4数值孔径NA和减小光波波长λ来改善其聚焦定位能力。

从共焦元件参数测量装置的轴向响应数据组曲线6可以看出，其理论特性曲线关于极值点位置左右对称，而且半高宽FWHM附近的数据对样品轴向位置极其灵敏，因而本发明提出利用共焦轴向响应数据组曲线6半高宽FWHM附近的数据段来确定其极值点位置，达到改善共焦元件参数测量装置聚焦定位能力，进而提高曲率半径测量的精度。

基于此，本发明提出一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，以期在不改变共焦元件参数测量装置结构的前提下，仅通过测量数据事后处理就能改善元件曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距与间隔等参数的测量精度。

发明内容

本发明的目的是提出一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其对元件曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距与间隔等被测球面元件测量中所涉及的与聚焦焦点对应的位置点的共焦轴向响应数据分别进行双边错位相减处理，通过提高每个位置点的定焦精度，进而提高元件曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距与间隔等参数的测量精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，测量步骤为：打开点光源1，由点光源1出射的光经分光镜2、准直透镜3和会聚物镜4后形成测量光束并照射在被测件5上；调整被测件5的光轴，使其与测量光束共光轴；由被测件5反射回来的光通过会聚物镜4和准直透镜3后由分光镜2反射进入共焦探测系统9，通过共焦探测系统9分别采集到对应元件曲率半径、透镜厚度、透镜折射率、透镜顶焦距、超长焦距以及镜组间隙的尺寸参量起点和终点的共焦轴向响应数据组6；对采集到的各起点位置和终点位置的共焦轴向响应数据组6的双边进行错位差动相减曲线拟合处理；对各起点位置和终点位置的拟合方程求解；通过求对应各参量起点位置和终点位置拟合曲线方程解之间的差值来实现曲率半径、透镜厚度、透镜折射率、透镜顶焦距、超长焦距以及镜组间隙的高精度测量。

本发明所述的一种双边错位差动共焦元件多参数测量方法，可将其用于测量球面元件表面曲率半径的步骤如下：

步骤一、将被测件5置于会聚物镜4后方，调整被测件使其光轴与测量光束共光轴，光照射到被测件表面后部分被反射；