CN102175426B - 共焦干涉定焦及曲率半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共焦干涉定焦及曲率半径测量方法，属于光学精密测量技术领域。本发明是在共焦光路的基础上引入干涉参考光，然后利用该共焦干涉响应曲线的最大值来精确定位被测球面元件表面的顶点及球心位置，进而得到被测球面元件表面的曲率半径，最大限度地锐化共焦响应曲线的主瓣。本发明首次运用传统的共焦干涉显微成像技术提高光学测量系统的定焦精度，使系统具有更高的轴向分辨力，且该系统结构简洁，降低了该系统装置的研发成本。

Description

共焦干涉定焦及曲率半径测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于共焦干涉技术的定焦方法，属于光学精密测量技术领域。该定焦技术可用于精确定位球面的顶点及球心位置，进而测量诸如曲率半径等元件参数。

技术背景

由于受衍射极限的限制，聚焦光束的定焦能力受到很大制约，而定焦精度是影响曲率半径测量的主要因素，因而目前如何最大限度的提高聚焦光束的定焦精度成为改善元件参数测量精度的核心问题。本发明将以曲率半径的测量为例，阐述了共焦干涉定焦方法及其在曲率半径测量中的具体应用。

曲率半径测量具有重大的意义，且其测量精度的高低将直接影响诸如焦距、像差等其它光学参数的精度。针对曲率半径的测量，一直以来都有国内外学者不断的进行研究，迄今为止已有多种行之有效的测量方法，传统的测量方法有接触测量法和非接触测量法两种。接触测量法不仅要求被测表面进行抛光处理，而且会带来光学球面磨损或挤压造成的测量误差；非接触测量法，虽避免了对待测光学球面的磨损，但光路调焦对准都需要非常准确，从而使调校光路困难，且光路调校过程容易引出系统误差；球面样板法、球径仪法、自准直显微镜法等传统的测量方法中大部分采用目视读数方法，自动化程度不高，也加大了测量的随机误差。所以高精度的曲率半径测量一直是光学测量领域的一个难点。

在机电控制一体化技术高度发展的今天，曲率半径测量方法也随之在精度上及在自动化程度上有了更进一步的发展。国内许多单位都对曲率半径的测量进行了深入的研究，近年来积累了一定的科研成果。

2002年浙江大学提出了一种利用激光偏振干涉体系产生非接触的牛顿环并与CCD图像处理技术相结合的测量方法。该方法通过移动五角棱镜或被测透镜并用CCD列阵测得两组干涉牛顿条纹后，通过计算机对两组图像的处理计算得到被测透镜表面的曲率半径。该方法可测量的曲率半径为1～25m，具有很宽的测量范围；并且该方法为非接触测量，不会损坏高精度被测透镜表面。

2006年南京理工大学研究了一种由单幅静态干涉图测量球面曲率半径的方法。该方法针对小曲率半径的球面用林尼克干涉显微镜得到被测球面的静态干涉图，基于阻尼最小二乘法，拟合干涉条纹的光强曲线，得到被测小球面面形的多项式表达式，并由此计算出被测件的曲率半径。该方法通过对已知曲率半径的标准微小凸球面样板的测量，得到相对误差为0.093％的测量结果。

2007年武汉工交职业学院基于白光干涉理论基础上，将莫尔光栅位移测量系统及CCD数字图像采集处理系统集成到迈克尔逊干涉仪上，利用CCD数字图像处理技术，构建了光学球面曲率半径自动测量系统。由于该系统采用了光学无损测量方法，避免了接触性测量对光学表面的损害；利用数字图像处理技术可直接对图像进行处理并根据图像测量数据计算得到测量结果，减少了目视光学测量系统调焦对准误差，能达到近百微米测量精度。

国外在面形测量方面的研究起步较早，具有较为先进的加工及检测技术，特别是在光学干涉测量领域方面一直处于世界领先地位。

2004年美国计量院的Wang Quandou及其工作小组构建了一台超高精度的移相干涉仪XCALIBIR，该干涉仪可以用于测量球面的曲率半径。该方法通过参考球面与被测透镜球面产生的移相干涉图像来计算得到被测透镜球面的曲率半径。该方法通过对于环境的苛刻控制，补偿十余项误差后，其曲率半径测量精度达到了0.003％。

2006年Xianyang Cai等人在加拿大研究理事会上就大曲率半径的测量提出了一种新方法，该方法将斐索干涉仪与变焦镜头相结合构成了一套紧凑的测量仪器，同时可以测量具有大曲率半径的凹球面曲率半径和凸球面曲率半径。对于曲率半径为10m的球面，其测量精度为0.04％。

2008年，Wang Quandou在移相干涉仪测量曲率半径的基础上，引入全息技术，用于大曲率半径球面的曲率半径测量。该方法通过在检测光路中引入菲涅尔全息板，压缩光路整体长度，可实现曲率半径大于10m的镜面的高精度检测。

从当前曲率半径测量技术研究现状来看，无论是国内还是国外，在曲率半径的测量方法上，其评价尺度都是基于垂轴方向的图像信息。由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，如果能够选取一种轴向信息作为评价尺度，则可以进一步提高曲率半径测量的灵敏度。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且由于采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”，提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级。该方法采用差动共焦显微双接收光路布置和双探测器相减形成差动共焦信号，对被测工件进行测量，通过光学超分辨共焦显微检测方法提高横向分辨力，通过差动共焦显微探测方法提高纵向分辨力，从而达到差动共焦扫描检测的高空间分辨力检测。该方法可以满足高空间分辨力、高精度和较大测量范围的要求，特别适用于表面三维微细结构、微台阶、微沟槽、线宽以及表面形貌的测量等。

本发明人于2009年提出了一种利用差动共焦原理来对曲率半径进行高精度测量的方法，并申请国家发明专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”。该方法将差动共焦显微原理扩展到曲率半径测量领域，形成差动共焦定焦原理，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点。

为进一步提高曲率半径的测量精度，本发明“共焦干涉定焦及曲率半径测量方法”采用共焦干涉定焦的方法，在共焦光路的基础上引入干涉参考光，由共焦干涉响应曲线的最大值来精确定位被测球面元件表面的顶点位置和球心位置，进而测得被测球面元件表面的曲率半径。该方法利用干涉条纹锐化了共焦响应曲线的主瓣，使系统具有更高的轴向分辨力和定焦能力。

该方法与国家发明专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”相比，除了具有更高的定焦灵敏度和测量精度外，在探测系统中减少了一路信号接收装置，简化了系统，降低了该系统的研发成本。

发明内容

为了提高定焦精度，本发明提出一种共焦干涉定焦方法，并利用它解决曲率半径的高精度测量问题。该共焦干涉定焦方法的核心思想是在共焦光路的基础上引入干涉参考光，最大限度地锐化共焦响应曲线的主瓣，然后利用该共焦干涉响应曲线的最大值来精确定位被测球面元件表面的顶点及球心位置，进而得到被测球面元件表面的曲率半径。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种共焦干涉定焦方法，包括以下步骤：

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和齐明透镜后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经齐明透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(b)调整齐明透镜，使其与准直透镜共光轴。准直透镜将点光源产生的光准直成平行光。平行光照射在齐明透镜上，在齐明透镜参考面上部分光被反射后沿原光路返回，返回的光通过准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(c)调整平面反射镜，使其与测量光束共光轴。由平面反射镜的表面反射回来的光和由齐明透镜参考面反射回来的光在共焦干涉测量系统中发生干涉；

(d)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的焦点聚焦到平面反射镜的表面。在该位置附近扫描平面反射镜，由共焦干涉测量系统探测得到共焦干涉响应曲线，通过共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定测量光束的焦点位置。

本发明所述的共焦干涉定焦方法，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。

本发明所述的共焦干涉定焦方法，还可以在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦干涉测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。

本发明所述的共焦干涉定焦方法，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由共焦干涉测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦干涉响应信号，将该调制信号解调后得到共焦干涉响应曲线，提高系统的定焦灵敏度。

本发明还涉及一种共焦干涉曲率半径测量方法，包括以下步骤：

(a)将被测球面元件放置于齐明透镜后方。打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和齐明透镜后照射在被测球面元件上，部分光被被测球面元件表面反射，反射回来的光经齐明透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(b)调整齐明透镜，使其与准直透镜共光轴。准直透镜将点光源产生的光准直成平行光。平行光照射在齐明透镜上，在齐明透镜参考面上部分光被反射后沿原光路返回，返回的光通过准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(c)调整被测球面元件，使其与测量光束共光轴。由被测球面元件表面反射回来的光和由齐明透镜参考面反射回来的光在共焦干涉测量系统中发生干涉；

(d)沿光轴方向移动被测球面元件，使测量光束的焦点聚焦到被测球面元件表面的顶点位置处。在该位置附近扫描被测球面元件，由共焦干涉测量系统探测得到共焦干涉响应曲线，通过共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束的焦点与被测球面元件表面的顶点相重合，记录此时被测球面元件的位置Z₁；

(e)继续沿光轴方向移动被测球面元件，使测量光束的焦点聚焦到被测球面元件表面的球心位置处。在该位置附近扫描被测球面元件，由共焦干涉测量系统探测得到共焦干涉响应曲线，通过共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束的焦点与被测球面元件表面的球心相重合，记录此时被测球面元件的位置Z₂；

(f)计算被测球面元件表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

本发明所述的共焦干涉曲率半径测量方法，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量被测球面元件表面的曲率半径时波相差对测量光束的影响，从而提高测量精度。

本发明所述的共焦干涉曲率半径测量方法，还可以在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦干涉测量系统配合工作，提高测量精度。

本发明所述的共焦干涉曲率半径测量方法，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由共焦干涉测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦干涉响应信号，将该调制信号解调后得到共焦干涉响应曲线，提高系统的测量精度。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.首次运用传统的共焦干涉显微成像技术提高光学测量系统的定焦精度，利用干涉条纹锐化了共焦响应曲线的主瓣，使系统具有更高的轴向分辨力；

2.将共焦干涉定焦技术运用到了曲率半径的测量，利用共焦干涉响应曲线的最大值来对测量光束的焦点来进行定位，显著提高了系统的测量精度；

3.在光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差的对测量结果的影响；

4.对点光源发出的光进行光强调制，在接收端又对传感器接受到的光强信号进行解调，获得共焦干涉响应曲线，显著提高了系统的抗环境干扰能力，进一步提高了曲率半径的测量精度。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.相比于差动共焦测量原理，共焦干涉测量原理进一步提高了系统的轴向分辨能力，具有更高的测量精度；

2.相比于差动共焦测量装置，共焦干涉测量装置在探测系统中减少了一路信号接收装置，简化了系统装置，降低了该系统装置的研发成本；

3.共焦干涉测量方法属于非接触无损测量方法，被测元件不需要进行表面处理，测量方法简单易行；

4.该测量光路紧凑，有效降低了环境扰动对测量精度的影响。

附图说明

图1为本发明共焦干涉定焦方法的示意图；

图2为本发明共焦干涉曲率半径测量方法的示意图；

图3为本发明共焦干涉定焦实施例的示意图；

图4为本发明共焦干涉曲率半径测量实施例的示意图；

图5为本发明由共焦干涉测量系统探测得到的共焦干涉响应曲线；

其中：1-点光源、2-分光镜、3-准直透镜、4-齐明透镜、5-齐明透镜参考面、6-针孔、7-光强传感器、8-被测球面元件、9-被测球面元件表面、10-环形光瞳、11-测量光束、12-共焦干涉测量系统、13-AD采集模块、14-机电控制装置、15-主控计算机、16-平移台、17-五维调整架、18-光纤、19-激光器、20-点光源发生装置、21-平面反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明使用一种基于共焦干涉技术的定焦方法提高了光学测量系统的定焦精度，进而用该定焦方法解决了曲率半径的高精度测量问题。其核心思想是在共焦光路的基础上引入干涉参考光，由共焦干涉响应曲线的最大值来精确定位被测球面元件表面的顶点及球心位置。

实施例1

使用该方法对测量光束焦点进行定位时，如附图3所示，共焦干涉定焦装置，其测量步骤是：

(a)启动主控计算机15中的测量软件，打开激光器19，激光器19所发出的光经光纤18传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2、准直透镜3和齐明透镜4后形成测量光束11；

(b)调整齐明透镜4，使其与准直透镜3共光轴。准直透镜3将点光源1产生的光准直成平行光。平行光照射在齐明透镜4上，在齐明透镜参考面5上部分光被反射后沿原光路返回，返回的光通过准直透镜3后由分光镜2反射进入共焦干涉测量系统12；

(c)将平面反射镜21固定在五维调整架17上，通过五维调整架17调整平面反射镜21，使其与测量光束11共光轴。照射在平面反射镜21上的光被平面反射镜21的表面反射，反射回来的光通过齐明透镜4和准直透镜3后由分光镜2反射进入共焦干涉测量系统12。由平面反射镜21的表面反射回来的光和由齐明透镜参考面5反射回来的光在共焦干涉测量系统12中发生干涉，干涉光通过针孔6后照射在光强传感器7上。主控计算机15中的测量软件通过AD采集模块13获得由光强传感器7采集到的光强信号；

(d)主控计算机15中的测量软件通过机电控制装置14控制平移台16轴向平移，进而带动平面反射镜21沿光轴方向扫描。当测量光束11的焦点扫过平面反射镜21的表面位置时，测量软件通过光强传感器7采集到的数据处理出如附图5所示的共焦干涉响应曲线，测量软件通过探测共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束11的焦点与平面反射镜21的表面相重合，以此精确确定测量光束11的焦点位置。

如附图3所示，共焦干涉定焦装置，包括点光源发生装置20，依次放在点光源1出射光方向的分光镜2、准直透镜3和齐明透镜4，还包括放置在分光镜2反射方向的共焦干涉测量系统12；其中，共焦干涉测量系统12包括针孔6和光强传感器7，入射到共焦干涉测量系统12的光通过针孔6后照射在光强传感器7上，主控计算机15中的测量软件通过AD采集模块13获得由光强传感器7采集到的光强信号；主控计算机15与机电控制装置14相连接，使其驱动平移台16带动平面反射镜21沿光轴方向进行扫描。

实施例2

使用该定焦方法测量凸球面的曲率半径，如附图4所示，共焦干涉曲率半径测量装置，其测量步骤是：

(a)启动主控计算机15中的测量软件，打开激光器19，激光器19所发出的光经光纤18传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2、准直透镜3和齐明透镜4后形成测量光束11；

(b)调整齐明透镜4，使其与准直透镜3共光轴。准直透镜3将点光源1产生的光准直成平行光。平行光照射在齐明透镜4上，在齐明透镜参考面5上部分光被反射后沿原光路返回，返回的光通过准直透镜3后由分光镜2反射进入共焦干涉测量系统12；

(c)将被测球面元件8固定在五维调整架17上，通过五维调整架17调整被测球面元件8，使其与测量光束11共光轴。部分照射在被测球面元件8上的光被被测球面元件表面9反射，反射回来的光通过齐明透镜4和准直透镜3后由分光镜2反射进入共焦干涉测量系统12。由被测球面元件表面9反射回来的光和由齐明透镜参考面5反射回来的光在共焦干涉测量系统12中发生干涉，干涉光通过针孔6后照射在光强传感器7上。主控计算机15中的测量软件通过AD采集模块13获得由光强传感器7采集到的光强信号；

(d)主控计算机15中的测量软件通过机电控制装置14控制平移台16轴向平移，进而带动被测球面元件8沿光轴方向扫描。当测量光束11的焦点扫过被测球面元件表面9的顶点位置时，测量软件通过光强传感器7采集到的数据处理出如附图5所示的共焦干涉响应曲线，测量软件通过探测共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束11的焦点与被测球面元件表面9的顶点相重合，记录此时被测球面元件8的位置Z₁＝1.3951mm；

(e)继续沿光轴方向移动被测球面元件8，当测量光束的焦点扫过被测球面元件表面9的球心位置时，同样能得到如附图5所示的共焦干涉响应曲线，测量软件通过探测共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束11的焦点与被测球面元件表面9的球心相重合，记录此时被测球面元件8的位置Z₂＝-25.1498mm；

(f)计算两位置之间的距离|Z₁-Z₂|＝26.5449mm，则26.5449mm即为被测球面元件表面9的曲率半径r。

如附图4所示，共焦干涉曲率半径测量装置，包括点光源发生装置20，依次放在点光源1出射光方向的分光镜2、准直透镜3和齐明透镜4，还包括放置在分光镜2反射方向的共焦干涉测量系统12；其中，共焦干涉测量系统12包括针孔6和光强传感器7，入射到共焦干涉测量系统12的光通过针孔6后照射在光强传感器7上，主控计算机15中的测量软件通过AD采集模块13获得由光强传感器7采集到的光强信号；主控计算机15与机电控制装置14相连接，使其驱动平移台16带动被测球面元件8沿光轴方向进行扫描。

此实施例通过一系列的措施实现了对测量光束的精确定焦，并用该定焦方法对被测球面元件表面曲率半径进行了高精度的测量。在测量过程中使用共焦干涉响应曲线对被测球面元件表面的顶点位置和球心位置高精度定位，从而显著提高了系统的测量精度。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.共焦干涉定焦方法，其特征在于具体步骤如下：

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和齐明透镜后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经齐明透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(b)调整齐明透镜，使其与准直透镜共光轴；准直透镜将点光源产生的光准直成平行光；平行光照射在齐明透镜上，在齐明透镜参考面上部分光被反射后沿原光路返回，返回的光通过准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(c)调整平面反射镜，使其与测量光束共光轴；由平面反射镜的表面反射回来的光和由齐明透镜参考面反射回来的光在共焦干涉测量系统中发生干涉；

(d)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的焦点聚焦到平面反射镜的表面；在该位置附近扫描平面反射镜，由共焦干涉测量系统探测得到共焦干涉响应曲线，通过共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定测量光束的焦点位置。

2.根据权利要求1所述的共焦干涉定焦方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳，用于对测量光束进行调制，形成环形光束，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。

3.根据权利要求1或2所述的共焦干涉定焦方法，其特征在于：在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦干涉测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。

4.根据权利要求1所述的共焦干涉定焦方法，其特征在于：对点光源发出的光进行光强调制，由共焦干涉测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦干涉响应信号，将该调制信号解调后得到共焦干涉响应曲线，提高系统的定焦灵敏度。

5.共焦干涉曲率半径测量方法，其特征在于：

(a)将被测球面元件放置于齐明透镜后方；打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和齐明透镜后照射在被测球面元件上，部分光被被测球面元件表面反射，反射回来的光经齐明透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(b)调整齐明透镜，使其与准直透镜共光轴；准直透镜将点光源产生的光准直成平行光；平行光照射在齐明透镜上，在齐明透镜参考面上部分光被反射后沿原光路返回，返回的光通过准直透镜后由分光镜反射进入共焦干涉测量系统；

(c)调整被测球面元件，使其与测量光束共光轴；由被测球面元件表面反射回来的光和由齐明透镜参考面反射回来的光在共焦干涉测量系统中发生干涉；

(d)沿光轴方向移动被测球面元件，使测量光束的焦点聚焦到被测球面元件表面的顶点位置处；在该位置附近扫描被测球面元件，由共焦干涉测量系统探测得到共焦干涉响应曲线，通过共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束的焦点与被测球面元件表面的顶点相重合，记录此时被测球面元件的位置Z₁；

(e)继续沿光轴方向移动被测球面元件，使测量光束的焦点聚焦到被测球面元件表面的球心位置处；在该位置附近扫描被测球面元件，由共焦干涉测量系统探测得到共焦干涉响应曲线，通过共焦干涉响应曲线的最大值来确定测量光束的焦点与被测球面元件表面的球心相重合，记录此时被测球面元件的位置Z₂；

(f)计算被测球面元件表面的曲率半径r=|Z₁-Z₂|。

6.根据权利要求5所述的共焦干涉曲率半径测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量被测球面元件表面的曲率半径时波相差对测量光束的影响，从而提高测量精度。

7.根据权利要求5或6所述的共焦干涉曲率半径测量方法，其特征在于：在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦干涉测量系统配合工作，提高测量精度。

8.根据权利要求5所述的共焦干涉曲率半径测量方法，其特征在于：对点光源发出的光进行光强调制，由共焦干涉测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦干涉响应信号，将该调制信号解调后得到共焦干涉响应曲线，提高系统的测量精度。

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