[发明专利]基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法

说明书

本发明基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法，属于光学测量技术领域，解决单一共焦技术无法同时实现高轴向分辨率和大测量范围自由曲面的测量，及普通扫描方式无法同时实现高精度和快速扫描的技术难题，在差动共焦技术的基础上引入彩色共焦技术，保证了差动共焦技术高轴向分辨率的同时，大大地增加了测试范围，利用两个面阵彩色光电探测器分别采集焦点前和焦点后的R、G和B三色光强分布，通过差动计算得到被测自由曲面的轴向坐标，测试中小孔阵列板实现了快速高精度面扫描，如需增加横向分辨率，只需利用压电陶瓷横向移动待测曲面即可实现。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法。

背景技术

光学自由曲面对像差校正和控制光线方向有着更大的自由度，不仅能够简化光学系统，使其结构更加紧凑，而且具有更高的光学性能。对于光学自由曲面的检测来说，高轴向分辨率固然重要，因为它直接影响检测精度，但是无论是自由曲面，还是球面的测量，测量范围同样重要。

目前，对于自由曲面的检测有很多接触式和非接触式的测量方法，对于高精度的光学表面，采用接触式测量容易划伤表面。非接触式测量又分为干涉法和扫描法，干涉法的测量精度高，但是对自由曲面来说，每测试一个曲面，就需要一个CGH或者零透镜，大大增加了检测的造价；扫描法有很多种，有干涉式的，也有彩色共焦法，还有差动共焦法等等。

彩色共焦法采用复色光源，通过轴向色散获得波长和位移的映射关系，并结合共聚焦光路获得锐利信号和轴向层析能力，省去了传统激光共聚焦显微镜的轴向扫描过程。目前彩色共焦技术已经实现了商用化，德国PRECITEC公司推出了彩色共焦测量系统，采用卤素光源和多透镜光学系统聚焦，量程达到10mm，轴向分辨率14nm。该方法利用不同波长的光聚焦位置不同来测量表面形状，其优点是量程大，缺点是轴向分辨率不高，无法实现高精度检测。

差动共焦法将探测器放在针孔前后距离相等的焦前、焦后两路探测器进行离焦探测，对采集到的光强电压信号进行差动处理，大大地改善了共焦显微技术的轴向分辨能力，其轴向分辨率可以实现纳米量级，但是其量程仅仅是1mm，无法实现大范围的自由曲面的检测。

另外，大部分共焦测量均是单点或者线扫描，存在机械结构复杂，扫描速度慢等问题。而面扫描常用的Nipkow转盘制作复杂，针孔大小和位置要求严格，光能利用率低，视场小，都会影响测量精度。采用大数值孔径的微透镜阵列替换共焦光学系统中的普通物镜，光束变成了光束阵列，提高了共焦显微系统的光能利用率，具有较高的分辨能力，解决了Nipkow旋转盘视场小的缺点，实现了全场同步测量，因此提高了测量速度，但是此法也存在很多缺点，结构复杂，微透镜制作工艺不完善，轴向测量范围受到限制，信噪比不高，测量精度受到影响。

现有的扫描方法很难在实现快速扫描的同时保证扫描精度，对于光学元件来说，检测精度要求比较高，采用干涉检测的方式可以实现纳米量级的检测，但是采用扫描方式的检测却很难实现如此高精度的检测。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，设计了基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置，并提出了基于差动彩色共焦技术的自由曲面检测方法，解决单一共焦技术无法同时实现高轴向分辨率和大测量范围自由曲面的测量，及普通扫描方式无法同时实现高精度和快速扫描的技术难题。