CN104568389B - 双边错位差动共焦元件参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学成像与检测技术领域，涉及一种双边错位差动共焦元件参数测量方法。该方法通过对包括曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距与间隔的各个尺寸参数起点和终点测得的共焦轴向特性数据组两侧边的错位差动相减处理，来提高各尺寸参数起点和终点的定位精度，进而提高曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距与间隔等光学元件的测量精度。本发明由于利用了共焦特性曲线靠近半高宽位置附近对轴向位移非常灵敏的两段数据来进行错位差动相减处理，因而由该数据段推算出的共焦特性曲线的极值点位置要比现有共焦特性曲线顶部拟合方法灵敏和准确，其结果在不改变共焦元件参数系统结构的条件下，可显著改善系统的轴向定焦能力和信噪比等。
Description
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；
步骤二、移动被测件5，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统探测到对应顶点位置z1的球顶共焦响应数据组14；
步骤三、继续沿光轴方向移动被测件5，再次通过共焦探测系统9探测到对应球心位置z2的球心共焦响应数据组18；
步骤四、对共焦探测系统9采集到的球顶共焦响应数据组14进行双边交汇相减处理来准确获取顶点位置，过程包括：求球顶共焦响应数据组14的最大值M1，将球顶共焦响应数据组14沿横坐标左移S使该球顶左移共焦数据组15与球顶共焦响应数据组14在值为M1/2的附近交汇；对球顶共焦响应数据组14与球顶左移共焦数据组15进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到顶点错位相减共焦数据组16；对该顶点错位相减共焦数据组16零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到顶点双边错位差动共焦拟合曲线17和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤五、对共焦探测系统采集到的球心共焦响应数据组18进行双边交汇相减处理来准确获取球心位置，过程包括：求球心共焦响应数据组18的最大值M2，将球心共焦响应数据组18沿横坐标左移S使该球心左移共焦数据组19与球心共焦响应数据组18在值为M2/2的附近交汇；对球心共焦响应数据组18与球心左移共焦数据组19进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到顶点错位相减共焦数据组20；对该顶点错位相减共焦数据组20零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到顶点双边错位差动共焦拟合曲线21和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤六、计算被测球面元件曲率半径r＝|S2-S1|。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，可将其用于测量透镜厚度，具体测量步骤如下：
步骤一、将被测球透镜22置于会聚物镜4后方，调整被测球透镜22，使其光轴与测量光束共光轴，光束会聚到被测球透镜22左顶点附近；
步骤二、移动被测球透镜22，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到对应左顶点位置z1的左顶点共焦响应数据组23；
步骤三、继续沿光轴方向平移被测球透镜22，再次通过共焦探测系统9探测到对应右顶点位置z2的右顶点共焦响应数据组27；
步骤四、对共焦探测系统9采集到的左顶点共焦响应数据组23进行双边交汇相减处理来准确获取顶点位置，过程包括：求左顶点共焦响应数据组23的最大值M1，将左顶点共焦响应数据组23沿横坐标左移S使该左顶点左移共焦数据组24与左顶点共焦响应数据组23在值为M1/2的附近交汇；对左顶点共焦响应数据组23与左顶点左移共焦数据组24进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到左顶点错位相减共焦数据组25；对该左顶点错位相减共焦数据组25零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到左顶点双边错位差动共焦拟合曲线26和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤五、对共焦探测系统9采集到的右顶点共焦响应数据组27进行双边交汇相减处理来准确获取球心位置，过程包括：右顶点共焦响应数据组27的最大值M2，将右顶点共焦响应数据组27沿横坐标左移S使该右顶点左移共焦数据组28与右顶点共焦响应数据组27在值为M2/2的附近交汇；对右顶点共焦响应数据组27与右顶点左移共焦数据组28进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到右顶点错位相减共焦数据组29；对该右顶点错位相减共焦数据组29零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到右顶点双边错位差动共焦拟合曲线30和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤六、利用已知折射率n、透镜曲率半径r，光学追迹计算被测球面元件厚度d＝|S2-S1|。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，可将其用于测量透镜折射率的步骤如下：
步骤一、将被测球透镜22放置于会聚物镜4后方，调整会聚物镜4，使其与测量光束共光轴。将平面反射镜31放置于被测球透镜22后方，调整平面反射镜31，使其与测量光束的光轴相垂直；
步骤二、整体移动被测球透镜22和平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到被测球透镜22左顶点附近，共焦探测系统9探测到与位置z1对应的左顶点共焦响应数据组32；求左顶点共焦响应数据组32的最大值M1，将左顶点共焦响应数据组32沿横坐标左移S并与左顶点共焦响应数据组32在值为M1/2的附近交汇；对左顶点共焦响应数据组32及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到左顶点错位相减共焦数据组33；对左顶点错位相减共焦数据组33零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到左顶点双边错位差动共焦拟合曲线34和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤三、继续沿光轴方向整体移动被测球透镜22和平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到被测球透镜22右顶点附近，共焦探测系统9探测到与位置z2对应的右顶点共焦响应数据组35；求右顶点共焦响应数据组35的最大值M2，将右顶点共焦响应数据组35沿横坐标左移S并与右顶点共焦响应数据组35在值为M2/2的附近交汇；对右顶点共焦响应数据组35及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到右顶点错位相减共焦数据组36；对右顶点错位相减共焦数据组36零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到右顶点双边错位差动共焦拟合曲线37和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤四、继续沿光轴方向整体移动被测球透镜22和平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到平面反射镜31表面附近，共焦探测系统9探测到与位置z3对应的有透镜平面共焦响应数据组38；有透镜平面共焦响应数据组38的最大值M3，有透镜平面共焦响应数据组38沿横坐标左移S并与有透镜平面共焦响应数据组38在值为M3/2的附近交汇；对有透镜平面共焦响应数据组38及其移位共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到有透镜错位相减共焦数据组39；对有透镜错位相减共焦数据组39零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到有透镜双边错位差动共焦拟合曲线40和拟合曲线方程I3(z)；求拟合曲线方程I3(z)＝0的解z3＝S3；
步骤五、移去被测球透镜22，沿光轴方向移动平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到平面反射镜31表面附近，共焦探测系统9探测到与位置z4对应的无透镜平面共焦响应数据组41；求无透镜平面共焦响应数据组41的最大值M4，无透镜平面共焦响应数据组41沿横坐标左移S并与无透镜平面共焦响应数据组41在值为M4/2的附近交汇；对无透镜平面共焦响应数据组41及其移位共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到无透镜错位相减共焦数据组42；对无透镜错位相减共焦数据组42零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到无透镜双边错位差动共焦拟合曲线43和拟合曲线方程I4(z)；求拟合曲线方程I4(z)＝0的解z4＝S4；
步骤六、结合被测透镜22前、后表面曲率半径r1和r2、通过光线追迹的方法精确获得被测透镜的折射率n。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，可将其用于测量透镜顶焦距的步骤如下：
步骤一、将会聚物镜4取下，在准直透镜3出射的平行光路处放置被测焦距透镜44，调整被测焦距透镜44使其与准直透镜3共光轴，平行光经准直透镜3后形成测量光束；
步骤二、在被测焦距透镜44后放置平面反射镜31，调整平面反射镜31，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜31表面后被反射；
步骤三、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组45；求点反射共焦数据组45的最大值M1，将点反射共焦数据组45沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组45在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组45及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组46；对点反射错位相减共焦数据组46零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线47和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤四、沿光轴方向移动平面反射镜31至被测焦距透镜44的后顶点，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与被测焦距透镜44的后顶点z2对应的面反射共焦数据组48；求面反射共焦数据组48的最大值M2，将面反射共焦数据组48沿横坐标左移S并与面反射共焦数据组48在值为M2/2的附近交汇；对面反射共焦数据组48及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到面反射错位相减共焦数据组49；对面反射错位相减共焦数据组49零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到面反射双边错位差动共焦拟合曲线50和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤五、计算被测透镜的顶焦距F＝|z1-z2|。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，可将其用于测量镜组间隙的步骤如下：
步骤一、将被测透镜组53放置于会聚物镜4后方，调整被测透镜组53，使其与测量光束共光轴；
步骤二、移动被测透镜组53，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9通过共焦轴向响应数据组6的最大值来使测量光束焦点与被测镜组内透镜各表面的顶点相重合，依次记录各重合点处被测透镜组53内部各顶点位置的位置坐标z1～zm(m为镜组内透镜的总透光面数)；
步骤三、移动被测透镜组53，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与前透镜前顶点位置z1对应的前透镜前顶点共焦响应数据组54，求前透镜前顶点共焦响应数据组54的最大值M1，将前透镜前顶点共焦响应数据组54沿横坐标左移S并与前透镜前顶点共焦响应数据组54在值为M1/2的附近交汇；对前透镜前顶点共焦响应数据组54及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到前透镜前顶点错位相减共焦数据组55；对前透镜前顶点错位相减共焦数据组55零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到前透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线56和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1。
依次类推利用双边错位差动共焦元件多参数测量方法准确求得对应位置z1～zm的S1～Sm位置(m为镜组内透镜的总透光面数)。
步骤四、结合测量光束的数值孔径角α0、被测镜组内各个表面的曲率半径r1～rm、折射率n0～nm-1和被测镜组的位置坐标S1～Sm，使用光线追迹的方法精确获得被测镜组内第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙dn。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，可将其用于反射式测量镜组间隙的步骤如下：
步骤一、将会聚物镜4取下，在准直透镜3出射的平行光路处放置被测透镜组63，调整被测透镜组63使其与准直透镜3共光轴，平行光经准直透镜3后形成测量光束；
步骤二、在被测透镜组63后放置平面反射镜31，调整平面反射镜31，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜31表面后被反射；
步骤三、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组66；求点反射共焦数据组66的最大值M1，将点反射共焦数据组66沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组66在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组66及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组67；对点反射错位相减共焦数据组67零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线68和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1。
步骤四、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与前透镜前顶点位置z2对应的前透镜前顶点共焦响应数据组69；求前透镜前顶点共焦响应数据组69的最大值M2，将前透镜前顶点共焦响应数据组69沿横坐标左移S并与前透镜前顶点共焦响应数据组69在值为M1/2的附近交汇；对前透镜前顶点共焦响应数据组69及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到前透镜前顶点错位相减共焦数据组70；对前透镜前顶点错位相减共焦数据组70零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到前透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线71和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S1。
依次类推利用双边错位差动共焦元件多参数测量方法准确求得对应位置z1～zm的S1～Sm位置(m为镜组内透镜的总透光面数)。
步骤五、结合测量光束的数值孔径角α0、被测镜组内各个表面的曲率半径r1～rm、折射率n0～nm-1和被测镜组的位置坐标S1～Sm，使用光线追迹的方法精确获得被测镜组内第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙dn。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，可将其测量超长焦距的步骤如下：
步骤一、调整会聚物镜4使其与测量光束共光轴，将平面反射镜31放置于会聚物镜4后方，调整平面反射镜31使其与测量光轴相垂直；
步骤二、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组79；求点反射共焦数据组的最大值M1，将点反射共焦数据组79沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组79自身在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组79及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组80；对点反射错位相减共焦数据组80零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线81和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1。
步骤三、将被测长焦距透镜78放置于准直透镜3和会聚物镜4之间，调整被测长焦距透镜78，使其与测量光束共光轴。移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z2对应的加被测透镜点反射共焦数据组82；求点反射共焦数据组82的最大值M2，将加被测透镜点反射共焦数据组82沿横坐标左移S并与点反射双边错位差动共焦拟合曲线81自身在值为M2/2的附近交汇；对加被测透镜点反射共焦数据组82及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到加被测透镜点反射错位相减共焦数据组83；对点反射错位相减共焦数据组83零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线84和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2。
步骤四、求有被测长焦距透镜78和无被测长焦距透镜78时会聚物镜4的焦点变化位置Δl＝S2-S1。
步骤五、测量被测长焦距透镜78的透镜厚度b1、折射率n1、曲率半径r11、r12，会聚物镜4的焦距f2'、厚度b2、折射率n2、曲率半径r21、r22；
步骤六、测量会聚物镜4和被测长焦距透镜78之间的间隔d0；
步骤七、由下式计算被测透镜78的长焦距值：
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，对i位置共焦响应数据组85的双边错位相减处理可以通过以下过程来实现，求i位置共焦响应数据组85的最大值M，将i位置共焦响应数据组85沿横坐标右移S并与i位置共焦响应数据组85在值为M/2的附近交汇得到右移i位置共焦响应数据组86；对i位置共焦响应数据组85及其右移i位置共焦响应数据组86进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到i位置双边错位相减共焦数据组87；对i位置双边错位相减共焦数据组87零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到i位置双边错位差动共焦数据组拟合曲线88和拟合曲线方程Ii(z)；求拟合曲线方程Ii(z)＝0的解zi＝Si。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，对k位置共焦响应数据组89的双边错位相减处理可以通过以下过程来实现，求k位置左边共焦响应数据组89的最大值M，以M为界将k位置左边共焦响应数据组89分为k位置左边共焦响应数据组90和k位置右边共焦响应数据组91，将k位置左边共焦响应数据组90沿横坐标右移S得到k位置右边右移共焦响应数据组92并使其与k位置左边共焦响应数据组91在值为M/2的附近交汇；对k位置左边共焦响应数据组91和k位置右边右移共焦响应数据组92进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到k位置双边错位相减共焦数据组93；对k位置双边错位相减共焦数据组93零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到k位置双边错位差动共焦数据组拟合曲线94和拟合曲线方程Ik(z)；求拟合曲线方程Ik(z)＝0的解zk＝Sk。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，对k位置共焦响应数据组89的双边错位相减处理可以通过以下过程来实现，求k位置左边共焦响应数据组89的最大值M，以M为界将k位置左边共焦响应数据组89分为k位置左边共焦响应数据组90和k位置右边共焦响应数据组91，将k位置左边共焦响应数据组90沿横坐标左移S得到k位置右边左移共焦响应数据组95并使其与k位置左边共焦响应数据组90在值为M/2的附近交汇；对k位置左边共焦响应数据组90和k位置右边左移共焦响应数据组95并使其进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到k位置左移双边相减共焦数据组96；对该k位置左移双边错位相减共焦数据组96零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到k位置左移双边错位差动共焦数据组拟合曲线97和拟合曲线方程Ik(z)；求拟合曲线方程Ik(z)＝0的解zk＝Sk。
本发明所述的双边错位差动共焦元件多参数测量方法，对共焦轴向响应数据组6的双边错位相减处理，可以通过共焦轴向响应数据组6两边共焦响应数据组的相向平移来实现。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下创新点：
提出一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其对被测透镜尺寸参数两尺寸段位置的共焦轴向响应数据分别进行双边错位相减，利用双边错位差动共焦数据组中斜率最大、灵敏度最高的过零点信息来对被测透镜尺寸的两端相对位置进行高精度定位，进而提高球面元件曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距与间隔等尺寸参数的测量精度。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1)由于利用了共焦特性曲线靠近半高宽位置附近对轴向位移非常灵敏的两段数据来进行相减处理，因而由该数据段推算出的两尺寸段位置就更准确；
2)基于本发明方法的共焦元件参数测量装置的针孔探测器始终放置在准直透镜的焦点位置处，因而不需要像差动共焦元件参数测量装置要根据不同被测透镜来调整针孔探测器相对于焦面的离焦量，降低了系统的复杂性，使操作过程更简便；
3)本发明方法是在共焦元件参数测量装置上实现的，其与已有的差动共焦元件参数测量装置相比，该装置仅采用一路点探测器，因而结构简单，易仪器化，降低了仪器研发成本与可靠性；
4)本方法本质上虽仍为共焦元件参数测量方法，但却具有现有差动共焦元件参数测量方法测量精度高、抗干扰能力强的显著优点，同时又规避了差动共焦元件参数测量装置结构复杂等问题，使测量光路紧凑，可有效降低环境扰动对测量精度的影响。
附图说明
图1.双边错位差动共焦元件参数测量方法；
图2.双边错位差动共焦曲率半径测量方法；
图3.双边错位差动共焦透镜厚度测量方法；
图4.双边错位差动共焦透镜折射率测量方法；
图5.双边错位差动共焦透镜顶焦距测量方法；
图6.双边错位差动共焦透镜组间隔测量方法；
图7.双边错位差动反射共焦透镜组间隔测量方法；
图8.双边错位差动共焦超长焦距透镜组合焦距测量方法；
图9.双边错位右移差动共焦数据组处理方法；
图10.双边分割错位右移差动共焦数据组处理方法；
图11.双边分割错位左移差动共焦数据组处理方法；
图12.双边错位差动共焦元件参数测量装置实施例。
其中：1-点激光源、2-第一分光镜、3-准直透镜、4-会聚物镜、5-被测件，6-共焦轴向响应数据组、7-针孔、8-共焦探测系统、9-光强探测器、10-信号采集处理系统、11-点光源发生装置、12-激光器、13-光纤、14-球顶共焦响应数据组、15-球顶左移共焦数据组、16-顶点错位相减共焦数据组、17-顶点双边错位差动共焦拟合曲线、18-球心共焦响应数据组19-球心左移共焦数据组、20-球心双边错位差动共焦数据组、21-球心双边错位差动共焦拟合曲线、22-被测球透镜、23-左顶点共焦响应数据组、24-左顶点左移共焦数据组、25-左顶点错位相减共焦数据组、26-左顶点双边错位差动共焦拟合曲线、27-右顶点共焦响应数据组、28-右顶点左移共焦数据组、29-右顶点错位相减共焦数据组、30-右顶点双边错位差动共焦拟合曲线、31-平面反射镜、32-左顶点共焦响应数据组、33-左顶点错位相减共焦数据组、34-左顶点双边错位差动共焦拟合曲线、35-右顶点共焦响应数据组、36-右顶点错位相减共焦数据组、37-右顶点双边错位差动共焦拟合曲线、38-有透镜平面共焦响应数据组、39-有透镜错位相减共焦数据组、40-有透镜双边错位差动共焦拟合曲线、41-无透镜平面共焦响应数据组、42-无透镜错位相减共焦数据组、43-无透镜双边错位差动共焦拟合曲线、44-被测焦距透镜、45-点反射共焦数据组、46-点反射错位相减共焦数据组、47-点反射双边错位差动共焦拟合曲线、48-面反射共焦数据组、49-面反射错位相减共焦数据组、50-面反射双边错位差动共焦拟合曲线、51-被测前透镜、52-被测后透镜、53-被测透镜组、54-前透镜前顶点共焦响应数据组、55-前透镜前顶点错位相减共焦数据组、56-前透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线、57-前透镜后顶点共焦响应数据组、58-前透镜后顶点错位相减共焦数据组、59-前透镜后顶点双边错位差动共焦拟合曲线、60-后透镜前顶点共焦响应数据组、61-后透镜前顶点错位相减共焦数据组、62-后透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线、63-被测透镜组、64-被测后透镜、65-被测前透镜、66-点反射共焦数据组、67-点反射错位相减共焦数据组、68-点反射双边错位差动共焦拟合曲线、69-前透镜前顶点共焦响应数据组、70-前透镜前顶点错位相减共焦数据组、71-前透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线、72-前透镜后顶点共焦响应数据组、73-前透镜后顶点错位相减共焦数据组、74-前透镜后顶点双边错位差动共焦拟合曲线、75-后透镜前顶点共焦响应数据组、76-后透镜前顶点错位相减共焦数据组、77-后透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线、78-被测长焦距透镜、79-点反射共焦数据组、80-点反射错位相减共焦数据组、81-点反射双边错位差动共焦拟合曲线、82-加被测透镜点反射共焦数据组、83-加被测透镜点反射错位相减共焦数据组、84-加被测透镜点反射双边错位差动共焦拟合曲线、85-i位置共焦响应数据组、86-右移i位置共焦响应数据组、87-i位置双边错位相减共焦数据组、88-i位置双边错位差动共焦数据组拟合曲线、89-k位置共焦响应数据组、90-k位置左边共焦响应数据组、91-k位置右边共焦响应数据组、92-k位置左边右移共焦响应数据组、93-k位置双边错位相减共焦数据组、94-k位置双边错位差动共焦数据组拟合曲线、89-k位置共焦响应数据组、90-k位置左边共焦响应数据组、91-k位置右边共焦响应数据组、92-k位置左边右移共焦响应数据组、93-k位置双边错位相减共焦数据组、94-k位置双边错位差动共焦数据组拟合曲线、95-k位置右边左移共焦响应数据组、96-k位置左移双边错位相减共焦数据组、97-k位置左移双边错位差动共焦数据组拟合曲线、98-调整工作台、99-平移测长导轨装置、100-机电测控装置、101-主控计算机。
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。
本发明实施例基于图12所示的双边错位差动共焦元件参数测量装置来实现，其包括：点激光源1，依次放置在点激光源1出射光方向的分光镜2、准直透镜3、会聚物镜4、被测件5、调整工作台98、平移测长导轨装置99和机电测控装置100，以及分光镜2反射光方向反方向的聚焦针孔7、置于针孔7后的光强探测器8与信号采集处理系统10以及处理光电探测器信号的计算机测控系统101。其中点激光源1可以由激光器12、光纤13构成。
如图12所示，利用共焦元件参数测量装置采集对应球顶共焦响应数据组14和球心共焦响应数据组11过程为：点激光源1出射的激光光束透过分光镜2、准直透镜3后经会聚物镜4聚焦到被测件5的球顶，该球顶位置反射测量光束再次经过会聚物镜4、准直透镜3后被分光镜2反射后聚焦到位于准直透镜3焦点处的针孔7，光强探测器8位于针孔7后用于探测透过针孔7的对应被测透镜参数尺寸段起点位置。利用调整工作台98和平移测长导轨装置99来调整被测件5的姿态与位置，主控计算机101通过机电测控装置100控制平移测长导轨装置99，使其带动被测件5沿光轴在被测尺寸段起端位置附近移动扫描并通过光强探测器8探测到对应尺寸段的起点共焦响应数据组，然后主控计算机101继续通过机电测控装置100控制平移测长导轨装置99，使其带动被测件5沿光轴在被测尺寸段终点位置附近移动扫描并通过光强探测器8探测到对应尺寸段的终点共焦响应数据组。
元件曲率半径、元件透镜厚度、元件透镜折射率、元件透镜顶焦距、元件超长焦距以及镜组间隙的测量最终归结为尺寸长度测量。
实施例1
结合图2，利用本发明方法测量球面元件表面曲率半径的具体步骤如下：
步骤一、将被测件5置于会聚物镜4后方，调整被测件5使其光轴与测量光束共光轴，光照射到被测件5表面后部分被反射；
步骤二、移动被测件5，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到对应顶点位置Z1的球顶共焦响应数据组14；
步骤三、继续沿光轴方向移动被测件5，再次通过共焦探测系统9探测到对应球心位置Z2的球心共焦响应数据组18；
步骤四、对共焦探测系统9采集到的球顶共焦响应数据组14进行双边交汇相减处理来准确获取顶点位置，过程包括：求球顶共焦响应数据组14的最大值M1，将球顶共焦响应数据组14沿横坐标左移S使该球顶左移共焦数据组15与球顶共焦响应数据组14在值为M1/2的附近交汇；对球顶共焦响应数据组14与球顶左移共焦数据组15进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到顶点错位相减共焦数据组16；对该顶点错位相减共焦数据组16零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到顶点双边错位差动共焦拟合曲线17和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝0.00077mm；
步骤五、对共焦探测系统9采集到的球心共焦响应数据组18进行双边交汇相减处理来准确获取球心位置，过程包括：求球心共焦响应数据组18的最大值M2，将球心共焦响应数据组18沿横坐标左移S使该球心左移共焦数据组19与球心共焦响应数据组18在值为M2/2的附近交汇；对球心共焦响应数据组18与球心左移共焦数据组19进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到顶点错位相减共焦数据组20；对该顶点错位相减共焦数据组20零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到顶点双边错位差动共焦拟合曲线21和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝5.55797mm；
步骤六、计算被测球面元件曲率半径r＝|z1-z2|＝5.55720mm。
实施例2
结合图3，利用本发明方法测量透镜厚度具体步骤如下：
步骤一、将被测球透镜22置于会聚物镜4后方，调整被测球透镜22，使其光轴与测量光束共光轴，光束会聚到被测球透镜22左顶点附近；
步骤二、移动被测球透镜22，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到对应左顶点位置Z1的左顶点共焦响应数据组23；
步骤三、继续沿光轴方向平移被测球透镜22，再次通过共焦探测系统9探测到对应右顶点位置Z2的右顶点共焦响应数据组27；
步骤四、对共焦探测系统9采集到的左顶点共焦响应数据组23进行双边交汇相减处理来准确获取顶点位置，过程包括：求左顶点共焦响应数据组23的最大值M1，将左顶点共焦响应数据组23沿横坐标左移S使该左顶点左移共焦数据组24与左顶点共焦响应数据组23在值为M1/2的附近交汇；对左顶点共焦响应数据组23与左顶点左移共焦数据组24进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到左顶点错位相减共焦数据组25；对该左顶点错位相减共焦数据组25零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到左顶点双边错位差动共焦拟合曲线26和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1＝0.0027mm；
步骤五、对共焦探测系统9采集到的右顶点共焦响应数据组27进行双边交汇相减处理来准确获取球心位置，过程包括：右顶点共焦响应数据组27的最大值M2，将右顶点共焦响应数据组27沿横坐标左移S使该右顶点左移共焦数据组28与右顶点共焦响应数据组27在值为M2/2的附近交汇；对右顶点共焦响应数据组27与右顶点左移共焦数据组28进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到右顶点错位相减共焦数据组29；对该右顶点错位相减共焦数据组29零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到右顶点双边错位差动共焦拟合曲线30和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2＝3.2793mm；
步骤六、利用已知折射率n＝1.5163、空气折射率nair＝1、测量光束会聚角θ＝7.918°、透镜曲率半径r＝-100.968mm、和定焦测量到的光学距离l＝|S2-S1|＝3.2766mm，通过光学追迹计算被测球面元件厚度：
实施例3
选被测球透镜22为GCL-0101 K9平凸透镜，其已知参数为：标称折射率n1＝1.51466，标称厚度d＝4.000mm，曲率半径为r1＝∞，r2＝90.7908mm。
测量系统，使用的测量镜最大通光口径D＝9.6mm，焦距f1'＝35mm，孔径为R＝4.5mm。用纳米级分辨力光栅平移测长导轨装置进行测长。
结合图4，利用本发明方法测量透镜折射率具体步骤如下：
步骤一、将被测球透镜22放置于会聚物镜4后方，调整会聚物镜4，使其与测量光束共光轴。将平面反射镜31放置于被测球透镜22后方，调整平面反射镜31，使其与测量光束的光轴相垂直；
步骤二、整体移动被测球透镜22和平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到被测球透镜22左顶点附近，共焦探测系统9探测到与位置z1对应的左顶点共焦响应数据组32；求左顶点共焦响应数据组32的最大值M1，将左顶点共焦响应数据组32沿横坐标左移S并与左顶点共焦响应数据组32在值为M1/2的附近交汇；对左顶点共焦响应数据组32及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到左顶点错位相减共焦数据组33；对左顶点错位相减共焦数据组33零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到左顶点双边错位差动共焦拟合曲线34和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝-9.34530mm；
步骤三、继续沿光轴方向整体移动被测球透镜22和平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到被测球透镜22右顶点附近，共焦探测系统9探测到与位置z2对应的右顶点共焦响应数据组35；求右顶点共焦响应数据组35的最大值M2，将右顶点共焦响应数据组35沿横坐标左移S并与右顶点共焦响应数据组35在值为M2/2的附近交汇；对右顶点共焦响应数据组35及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到右顶点错位相减共焦数据组36；对右顶点错位相减共焦数据组36零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到右顶点双边错位差动共焦拟合曲线37和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝-6.71712mm；
步骤四、继续沿光轴方向整体移动被测球透镜22和平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到平面反射镜31表面附近，共焦探测系统9探测到与位置z3对应的有透镜平面共焦响应数据组38；有透镜平面共焦响应数据组38的最大值M3，有透镜平面共焦响应数据组38沿横坐标左移S并与有透镜平面共焦响应数据组38在值为M3/2的附近交汇；对有透镜平面共焦响应数据组38及其移位共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到有透镜错位相减共焦数据组39；对有透镜错位相减共焦数据组39零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到有透镜双边错位差动共焦拟合曲线40和拟合曲线方程I3(z)；求拟合曲线方程I3(z)＝0的解z3＝-0.02176mm；
步骤五、移去被测球透镜22，沿光轴方向移动平面反射镜31，使会聚物镜4聚焦光束会聚到平面反射镜31表面附近，共焦探测系统9探测到与位置z4对应的无透镜平面共焦响应数据组41；求无透镜平面共焦响应数据组41的最大值M4，无透镜平面共焦响应数据组41沿横坐标左移S并与无透镜平面共焦响应数据组41在值为M4/2的附近交汇；对无透镜平面共焦响应数据组41及其移位共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到无透镜错位相减共焦数据组42；对无透镜错位相减共焦数据组42零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到无透镜双边错位差动共焦拟合曲线43和拟合曲线方程I4(z)；求拟合曲线方程I4(z)＝0的解z4＝1.09363mm。
计算得到透镜的折射率n1＝1.51499，其与透镜标称折射率差值为δn＝1.51499-1.51466＝0.00033，其相对误差Δδn＝(0.00033/1.51466)×100％≈0.02％。
实施例4
结合图5，利用本发明方法测量透镜顶焦距具体步骤如下：
步骤一、将会聚物镜4取下，在准直透镜3出射的平行光路处放置被测焦距透镜44，调整被测焦距透镜44使其与准直透镜3共光轴，平行光经准直透镜3后形成测量光束；
步骤二、在被测焦距透镜44后放置平面反射镜31，调整平面反射镜31，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜31表面后被反射；
步骤三、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组45；求点反射共焦数据组45的最大值M1，将点反射共焦数据组45沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组45在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组45及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组46；对点反射错位相减共焦数据组46零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线47和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝-2.15970mm；
步骤四、沿光轴方向移动平面反射镜31至被测焦距透镜44的后顶点，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与被测焦距透镜44的后顶点z2对应的面反射共焦数据组48；求面反射共焦数据组48的最大值M2，将面反射共焦数据组48沿横坐标左移S并与面反射共焦数据组48在值为M2/2的附近交汇；对面反射共焦数据组48及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到面反射错位相减共焦数据组49；对面反射错位相减共焦数据组49零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到面反射双边错位差动共焦拟合曲线50和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝100.71510mm；
计算两位置之间的距离F＝|z1-z2|＝102.87480mm，则102.87480mm，即为被测透镜44的顶焦距。
实施例5
选取的被测镜组53的参数为：曲率半径从左往右依次为：r1＝195.426mm、r2＝-140.270mm、r3＝-140.258mm、r4＝-400.906mm，折射率从左往右依次为：n0＝1，n1＝1.5143，n2＝1，n3＝1.668615；
结合图6，利用本发明方法测量该镜组间隙的具体步骤如下：
步骤一、将被测透镜组53放置于会聚物镜4后方，调整被测透镜组53，使其与测量光束共光轴；
步骤二、移动被测透镜组53，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9通过共焦轴向响应数据组6的最大值来使测量光束焦点与被测镜组内透镜各表面的顶点相重合，依次记录各重合点处被测透镜组53内部各顶点位置的坐标z1、z2、z3和z4；
步骤三、移动被测透镜组53，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与前透镜前顶点位置z1对应的前透镜前顶点共焦响应数据组54，求前透镜前顶点共焦响应数据组54的最大值M1，将前透镜前顶点共焦响应数据组54沿横坐标左移S并与前透镜前顶点共焦响应数据组54在值为M1/2的附近交汇；对前透镜前顶点共焦响应数据组54及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到前透镜前顶点错位相减共焦数据组55；对前透镜前顶点错位相减共焦数据组55零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到前透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线56和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝0.16215mm。
依次类推利用双边错位差动共焦元件多参数测量方法准确求得对应位置z1、z2～z4的值z1＝0.16215mm，z2＝-7.8946mm，z3＝-8.2271mm，z4＝-14.5258mm。
步骤四、主控计算机101结合被测镜组53的参数由以下的光线追迹递推公式依次计算得到各光学面之间的轴向间隙：
式中已知参数包括测量光束102的数值孔径角α0、被测镜组53内两个单片透镜的各表面曲率半径r1～r4、折射率n0～n3和测得的四个位置坐标Z1～Z4；初始条件为：α0′＝α0，l0′＝|zn+1-z1|，d0＝0。其迭代结果即为第n个光学表面与第n+1个光学表面之间的轴向间隙dn＝ln′。带入参数可得两透镜之间的轴向间隙d＝0.3178mm。
实施例6
结合图7，利用本发明方法反向测量镜组间隙具体步骤如下：
步骤一、将会聚物镜4取下，在准直透镜3出射的平行光路处放置被测透镜组63，调整被测透镜组63使其与准直透镜3共光轴，平行光经准直透镜3后形成测量光束；
步骤二、在被测透镜组63后放置平面反射镜31，调整平面反射镜31，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜31表面后被反射；
步骤三、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组66；求点反射共焦数据组66的最大值M1，将点反射共焦数据组66沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组66在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组66及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组67；对点反射错位相减共焦数据组67零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线68和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝1475.6273mm。
步骤四、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与前透镜前顶点位置z2对应的前透镜前顶点共焦响应数据组69；求前透镜前顶点共焦响应数据组69的最大值M2，将前透镜前顶点共焦响应数据组69沿横坐标左移S并与前透镜前顶点共焦响应数据组69在值为M2/2的附近交汇；对前透镜前顶点共焦响应数据组69及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到前透镜前顶点错位相减共焦数据组70；对前透镜前顶点错位相减共焦数据组70零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到前透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线71和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝1761.7226mm。
步骤五、计算平面反射镜31移动的间距ΔL＝286.0952mm；
步骤六、根据下式计算透镜间隔d0：
其中
式中，被测前透镜65的半径r21＝-1418.985mm，被测后透镜64和被测前透镜65组合透镜的出射孔径角U0＝0.2344，被测前透镜65厚度值b2＝119.7879mm，折射率n2＝1.5068。
实施例7
结合图8，利用本发明方法测量超长焦距测量步骤如下：
步骤一、调整会聚物镜4使其与测量光束共光轴，将平面反射镜31放置于会聚物镜4后方，调整平面反射镜31使其与测量光束的光轴相垂直；
步骤二、移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组79；求点反射共焦数据组的最大值M1，将点反射共焦数据组79沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组79自身在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组79及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组80；对点反射错位相减共焦数据组80零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线81和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1＝-0.0092mm。
步骤三、将被测长焦距透镜78放置于准直透镜3和会聚物镜4之间，调整被测长焦距透镜78，使其与测量光束共光轴。移动平面反射镜31，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统9探测到与点反射位置z2对应的82-加被测透镜点反射共焦数据组；求点反射共焦数据组82的最大值M2，将加被测透镜点反射共焦数据组82沿横坐标左移S并与点反射双边错位差动共焦拟合曲线81自身在值为M2/2的附近交汇；对加被测透镜点反射共焦数据组82及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到加被测透镜点反射错位相减共焦数据组83；对点反射错位相减共焦数据组83零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位差动共焦拟合曲线84和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2＝233.3039mm。
步骤四、求有被测长焦距透镜78和无被测长焦距透镜78时会聚物镜4的焦点变化位置Δl＝S2-S1＝233.3382mm。
步骤五、测量被测长焦距透镜78的透镜厚度b1、折射率n1、曲率半径r11、r12，会聚物镜4的焦距f2'、厚度b2、折射率n2、曲率半径r21、r22；
步骤六、利用实施例4所用的方法测量会聚物镜4的焦距f2'＝2797.5419mm；
步骤七、利用实施例6所用的方法测量会聚物镜4和被测长焦距透镜78之间的间隔d0＝417.8699mm；
步骤八、由下式计算被测透镜78的长焦距值：
式中，被测镜厚度b1＝46.5mm，被测镜左表面曲率半径r11＝9377.868mm，被测镜右表面曲率半径r12＝28133.886mm，被测镜折射率n1＝1.4498。
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 (10)
1.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤Ⅰ、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)；
步骤Ⅱ、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；
步骤Ⅲ、求解各起点位置和终点位置拟合方程的解，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。
2.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减测量曲率半径包括以下步骤：
步骤一、将被测件(5)置于会聚物镜(4)后方，调整被测件(5)使其光轴与测量光束共光轴，光照射到被测件(5)表面后部分被反射；
步骤二、移动被测件(5)，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)探测到对应顶点位置z1的球顶共焦响应数据组(14)；
步骤三、继续沿光轴方向移动被测件(5)，再次通过共焦探测系统(9)探测到对应球心位置z2的球心共焦响应数据组(18)；
步骤四、对共焦探测系统(9)采集到的球顶共焦响应数据组(14)进行双边错位相减处理来准确获取顶点位置，过程包括：求球顶共焦响应数据组14的最大值M1，将球顶共焦响应数据组(14)沿横坐标左移S使该球顶左移共焦数据组(15)与球顶共焦响应数据组(14)在值为M1/2的附近交汇；对球顶共焦响应数据组(14)与球顶左移共焦数据组(15)进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到顶点错位相减共焦数据组(16)；对该顶点错位相减共焦数据组(16)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到顶点双边错位相减共焦拟合曲线(17)和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤五、对共焦探测系统(9)采集到的球心共焦响应数据组(18)进行双边错位相减处理来准确获取球心位置，过程包括：求球心共焦响应数据组(18)的最大值M2，将球心共焦响应数据组(18)沿横坐标左移S使该球心左移共焦数据组(19)与球心共焦响应数据组(18)在值为M2/2的附近交汇；对球心共焦响应数据组(18)与球心左移共焦数据组(19)进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到球心错位相减共焦数据组(20)；对该球心错位相减共焦数据组(20)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到球心双边错位相减共焦拟合曲线(21)和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤六、计算被测球面元件曲率半径r＝|S2-S1|。
3.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减测量透镜厚度包括以下步骤：
步骤一、将被测球透镜(22)置于会聚物镜(4)后方，调整被测球透镜(22)，使其光轴与测量光束共光轴，光束会聚到被测球透镜(22)左顶点附近；
步骤二、移动被测球透镜(22)，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)探测到对应左顶点位置z1的左顶点共焦响应数据组(23)；
步骤三、继续沿光轴方向平移被测球透镜(22)，再次通过共焦探测系统(9)探测到对应右顶点位置z2的右顶点共焦响应数据组(27)；
步骤四、对共焦探测系统(9)采集到的左顶点共焦响应数据组(23)进行双边错位相减处理来准确获取顶点位置，过程包括：求左顶点共焦响应数据组(23)的最大值M1，将左顶点共焦响应数据组(23)沿横坐标左移S使该左顶点左移共焦数据组(24)与左顶点共焦响应数据组(23)在值为M1/2的附近交汇；对左顶点共焦响应数据组(23)与左顶点左移共焦数据组(24)进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到左顶点错位相减共焦数据组(25)；对该左顶点错位相减共焦数据组(25)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到左顶点双边错位相减共焦拟合曲线(26)和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤五、对共焦探测系统(9)采集到的右顶点共焦响应数据组(27)进行双边错位相减处理来准确获取球心位置，过程包括：右顶点共焦响应数据组(27)的最大值M2，将右顶点共焦响应数据组(27)沿横坐标左移S使该右顶点左移共焦数据组(28)与右顶点共焦响应数据组(27)在值为M2/2的附近交汇；对右顶点共焦响应数据组(27)与右顶点左移共焦数据组(28)进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到右顶点错位相减共焦数据组(29)；对该右顶点错位相减共焦数据组(29)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到右顶点双边错位相减共焦拟合曲线(30)和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤六、利用已知折射率n、透镜曲率半径r，通过光学追迹计算被测球面元件厚度d＝|S2-S1|。
4.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减测量透镜折射率包括以下步骤：
步骤一、将被测球透镜(22)放置于会聚物镜(4)后方，调整会聚物镜(4)，使其与测量光束共光轴；将平面反射镜(31)放置于被测球透镜(22)后方，调整平面反射镜(31)，使其与测量光束的光轴相垂直；
步骤二、整体移动被测球透镜(22)和平面反射镜(31)，使会聚物镜(4)聚焦光束会聚到被测球透镜(22)左顶点附近，共焦探测系统(9)探测到与位置z1对应的左顶点共焦响应数据组(32)；求左顶点共焦响应数据组(32)的最大值M1，将左顶点共焦响应数据组(32)沿横坐标左移S并与左顶点共焦响应数据组(32)在值为M1/2的附近交汇；对左顶点共焦响应数据组(32)及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到左顶点错位相减共焦数据组(33)；对左顶点错位相减共焦数据组(33)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到左顶点双边错位相减共焦拟合曲线(34)和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤三、继续沿光轴方向整体移动被测球透镜(22)和平面反射镜(31)，使会聚物镜(4)聚焦光束会聚到被测球透镜(22)右顶点附近，共焦探测系统(9)探测到与位置z2对应的右顶点共焦响应数据组(35)；求右顶点共焦响应数据组(35)的最大值M2，将右顶点共焦响应数据组(35)沿横坐标左移S并与右顶点共焦响应数据组(35)在值为M2/2的附近交汇；对右顶点共焦响应数据组(35)及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到右顶点错位相减共焦数据组(36)；对右顶点错位相减共焦数据组(36)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到右顶点双边错位相减共焦拟合曲线(37)和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤四、继续沿光轴方向整体移动被测球透镜(22)和平面反射镜(31)，使会聚物镜(4)聚焦光束会聚到平面反射镜(31)表面附近，共焦探测系统(9)探测到与位置z3对应的有透镜平面共焦响应数据组(38)；有透镜平面共焦响应数据组(38)的最大值M3，有透镜平面共焦响应数据组(38)沿横坐标左移S并与有透镜平面共焦响应数据组(38)在值为M3/2的附近交汇；对有透镜平面共焦响应数据组(38)及其移位共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到有透镜错位相减共焦数据组(39)；对有透镜错位相减共焦数据组(39)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到有透镜双边错位相减共焦拟合曲线(40)和拟合曲线方程I3(z)；求拟合曲线方程I3(z)＝0的解z3＝S3；
步骤五、移去被测球透镜(22)，沿光轴方向移动平面反射镜(31)，使会聚物镜(4)聚焦光束会聚到平面反射镜(31)表面附近，共焦探测系统(9)探测到与位置z4对应的无透镜平面共焦响应数据组(41)；求无透镜平面共焦响应数据组(41)的最大值M4，无透镜平面共焦响应数据组(41)沿横坐标左移S并与无透镜平面共焦响应数据组(41)在值为M4/2的附近交汇；对无透镜平面共焦响应数据组(41)及其移位共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到无透镜错位相减共焦数据组(42)；对无透镜错位相减共焦数据组(42)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到无透镜双边错位相减共焦拟合曲线(43)和拟合曲线方程I4(z)；求拟合曲线方程I4(z)＝0的解z4＝S4；
步骤六、结合被测透镜(22)前、后表面的曲率半径r1和r2、通过光线追迹的方法精确获得被测透镜的折射率n。
5.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减测量透镜顶焦距包括以下步骤：
步骤一、将会聚物镜(4)取下，在准直透镜(3)出射的平行光路处放置被测焦距透镜(44)，调整被测焦距透镜(44)使其与准直透镜(3)共光轴，平行光经准直透镜(3)后形成测量光束；
步骤二、在被测焦距透镜(44)后放置平面反射镜(31)，调整平面反射镜(31)，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜(31)表面后被反射；
步骤三、移动平面反射镜(31)，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组(45)；求点反射共焦数据组(45)的最大值M1，将点反射共焦数据组(45)沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组(45)在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组(45)及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组(46)；对点反射错位相减共焦数据组(46)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到点反射双边错位相减共焦拟合曲线(47)和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
步骤四、沿光轴方向移动平面反射镜(31)至被测焦距透镜(44)的后顶点，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)探测到与被测焦距透镜(44)的后顶点z2对应的面反射共焦数据组(48)；求面反射共焦数据组(48)的最大值M2，将面反射共焦数据组(48)沿横坐标左移S并与面反射共焦数据组(48)在值为M2/2的附近交汇；对面反射共焦数据组(48)及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到面反射错位相减共焦数据组(49)；对面反射错位相减共焦数据组(49)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到面反射双边错位差动共焦拟合曲线(50)和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤五、计算被测透镜的顶焦距F＝|S1-S2|。
6.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减测量镜组间隙的过程包括以下步骤：
步骤一、将被测透镜组(53)放置于会聚物镜(4)后方，调整被测透镜组(53)，使其与测量光束共光轴；
步骤二、移动被测透镜组(53)，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)通过共焦轴向响应数据组(6)的最大值来使测量光束焦点与被测镜组内透镜各表面的顶点相重合，依次记录各重合点处被测透镜组(53)内部各顶点位置的位置坐标z1～zm(m为镜组内透镜的总透光面数)；
步骤三、移动被测透镜组(53)，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)探测到与前透镜前顶点位置z1对应的前透镜前顶点共焦响应数据组(54)，求前透镜前顶点共焦响应数据组(54)的最大值M1，将前透镜前顶点共焦响应数据组(54)沿横坐标左移S并与前透镜前顶点共焦响应数据组(54)在值为M1/2的附近交汇；对前透镜前顶点共焦响应数据组(54)及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到前透镜前顶点错位相减共焦数据组(55)；对前透镜前顶点错位相减共焦数据组(55)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到前透镜前顶点双边错位差动共焦拟合曲线(56)和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；
依次类推利用双边错位相减的共焦元件多参数测量方法准确求得对应位置z1～zm的S1～Sm位置(m为镜组内透镜的总透光面数)；
步骤四、结合测量光束的数值孔径角α0、被测镜组内各个表面的曲率半径r1～rm、折射率n0～nm-1和被测镜组的位置坐标S1～Sm，使用光线追迹的方法精确获得被测镜组内第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙dn。
7.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减测量透镜超长焦距包括以下步骤：
步骤一、调整会聚物镜(4)使其与测量光束共光轴，将平面反射镜(31)放置于会聚物镜(4)后方，调整平面反射镜(31)使其与测量光轴相垂直；
步骤二、移动平面反射镜(31)，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)探测到与点反射位置z1对应的点反射共焦数据组(79)；求点反射共焦数据组的最大值M1，将点反射共焦数据组(79)沿横坐标左移S并与点反射共焦数据组(79)自身在值为M1/2的附近交汇；对点反射共焦数据组(79)及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到点反射错位相减共焦数据组(80)；对点反射错位相减共焦数据组(80)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到加被测透镜点反射双边错位相减共焦拟合曲线(81)和拟合曲线方程I1(z)；求拟合曲线方程I1(z)＝0的解z1＝S1；步骤三、将被测长焦距透镜(78)放置于准直透镜(3)和会聚物镜(4)之间，调整被测长焦距透镜(78)，使其与测量光束共光轴；移动平面反射镜(31)，使其沿光轴方向扫描，共焦探测系统(9)探测到与点反射位置z2对应的加被测透镜点反射共焦数据组(82)；求加被测透镜点反射共焦数据组(82)的最大值M2，将加被测透镜点反射共焦数据组(82)沿横坐标左移S并与加被测透镜点反射双边错位相减共焦拟合曲线(81)自身在值为M2/2的附近交汇；对加被测透镜点反射共焦数据组(82)及其左移共焦响应数据组进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到加被测透镜点反射错位相减共焦数据组(83)；对加被测透镜点反射错位相减共焦数据组(83)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到加被测透镜点反射双边错位相减共焦拟合曲线(84)和拟合曲线方程I2(z)；求拟合曲线方程I2(z)＝0的解z2＝S2；
步骤四、求有被测长焦距透镜(78)和无被测长焦距透镜(78)时会聚物镜4的焦点变化位置△l＝S2-S1；
步骤五、测量被测长焦距透镜(78)的透镜厚度b1、折射率n1、曲率半径r11、r12，会聚物镜(4)的焦距f2'、厚度b2、折射率n2、曲率半径r21、r22；
步骤六、测量会聚物镜(4)和被测长焦距透镜(78)之间的间隔d0；
步骤七、由下式计算被测透镜(78)的长焦距值：
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<mrow>
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<mn>12</mn>
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<mo>-</mo>
<msub>
<mi>r</mi>
<mn>11</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
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<mo>(</mo>
<msub>
<mi>n</mi>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>b</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
8.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减处理各位置点共焦响应数据组包括以下步骤：
步骤一、求i位置共焦响应数据组(85)的最大值M，将i位置共焦响应数据组(85)沿横坐标右移S并与i位置共焦响应数据组(85)在值为M/2的附近交汇得到右移i位置共焦响应数据组(86)；
步骤二、对i位置共焦响应数据组(85)及其右移i位置共焦响应数据组(86)进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到i位置双边错位相减共焦数据组(87)；
步骤三、对i位置双边错位相减共焦数据组(87)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到双边错位差动共焦数据组拟合曲线(88)和拟合曲线方程Ii(z)；
步骤四、求拟合曲线方程Ii(z)＝0的解zi＝Si。
9.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减处理各位置点共焦响应数据组包括以下步骤：
步骤一、求k位置共焦响应数据组(89)的最大值M，以M为界将k位置共焦响应数据组(89)分为k位置左边共焦响应数据组(90)和k位置右边共焦响应数据组(91)；
步骤二、将k位置左边共焦响应数据组(90)沿横坐标右移S得到k位置右边右移共焦响应数据组(92)并使其与k位置左边共焦响应数据组(91)在值为M/2的附近交汇；
步骤三、对k位置右边共焦响应数据组(91)和k位置右边右移共焦响应数据组(92)进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到k位置双边错位相减共焦数据组(93)；
步骤四、对k位置双边错位相减共焦数据组(93)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到k位置双边错位差动共焦数据组拟合曲线(94)和拟合曲线方程Ik(z)；
步骤五、求拟合曲线方程Ik(z)＝0的解zk＝Sk。
10.一种双边错位差动共焦元件参数测量方法，其特征在于双边错位差动相减处理各位置点共焦响应数据组包括以下步骤：
求k位置共焦响应数据组(89)的最大值M，以M为界将k位置共焦响应数据组(89)分为k位置左边共焦响应数据组(90)和k位置右边共焦响应数据组(91)，将k位置左边共焦响应数据组(90)沿横坐标左移S得到k位置右边左移共焦响应数据组(95)并使其与k位置左边共焦响应数据组(90)在值为M/2的附近交汇；对k位置左边共焦响应数据组(90)和k位置右边左移共焦响应数据组(95)并使其进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到k位置左移双边错位相减共焦数据组(96)；对该k位置左移双边错位相减共焦数据组(96)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行拟合，得到k位置左移双边错位差动共焦数据组拟合曲线(97)和拟合曲线方程Ik(z)；求拟合曲线方程Ik(z)＝0的解zk＝Sk。
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