CN110044414B - 横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，属于光学精密测量技术领域。本发明将高层析、抗散射的共焦显微测量技术创新性地融入大尺寸元件参数测量的面形干涉测量系统中，利用自行提出的横向相减差动共焦测量技术来测量元件曲率半径、透镜折射率、透镜厚度、透镜顶焦距和镜组间隙等参数，利用自行提出的被测工件移向干涉面形测量技术来测量元件的表面面形，以期在同一测量装置上实现元件参数的高精度综合测量，大幅提高测量精度和测量效率，同时有效规避干涉测量无法测试精磨元件曲率半径等尺寸参数的难题，为光学球面加工摆脱传统样板检测束缚提供可能，具有广泛应用前景。

Description

横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其涉及用于高精度测量元件的多个参数及表面面形多参数测量方法与装置。

背景技术

球面光学元件由于其优异的加工性能目前仍被作为主要元件在激光核聚变光学系统、紫外光刻机物镜、干涉仪物镜和显微物镜等光学系统中广泛应用，球面光学元件的成像特性主要通过曲率半径r、折射率n、透镜中心厚度t和面形w来控制，如何高精度地测量球面元件的参数对于确保球面光学元件的性能进而确保光学系统的整体性能置关重要。

但现有球面元件参数测量仍存在以下两方面的问题：

1)球面元件曲率半径r、折射率n、透镜中心厚度t和面形参数w的测量方法各异，需要不同的仪器单独去测量，需要反复装卡，测量过程繁杂，测量效率低；

2)球面元件曲率半径r、透镜中心厚度d和折射率n由于受现有光学定焦精度的影响，测量精度普遍不高。

为了改善现有球面元件参数的测量精度以及多参数综合测量能力，本发明人提出了多种使用差动共焦原理对元件参数进行测量的方法和装置。例如：在“Laserdifferential confocal radius measurement”(Optics Express，V.18，N.3，2010)一文中，其利用差动共焦探测系统的轴向光强响应绝对零点精确对应差动共焦探测系统物镜聚焦焦点这一特性，通过对“猫眼位置”和“共焦位置”的精确定位来实现曲率半径的高精度测量；在中国发明专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置”(ZL201010173084)中，其提出利用激光差动共焦响应曲线的绝对零点来精确确定被测元件前表面与光轴交点、后表面与光轴交点以及有、无被测元件时测量镜的位置，然后利用测量镜的位置和预先测得的测量镜的曲率半径、焦距及光瞳大小，来对被测元件两球面及参考反射面来进行逐面光线追迹计算，继而实现被测元件的折射率和厚度的高精度无损测量；在中国发明专利“差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(ZL201010000553)中，其提出首先通过差动共焦定焦原理对镜组内各透镜表面实现高精度定位，并获得各定位点处差动共焦测头的位置坐标，然后利用光线追迹递推公式依次计算镜组内各轴向间隙；在中国发明专利“差动共焦元件多参数测量方法与装置” (ZL201010621159.7)中，其针对现有元件参数测量方法各异、精度不高、仪器种类繁多等问题，提出将激光差动共焦定焦光路与激光球面干涉光路相融合，利用激光差动共焦元件参数测量技术测量光学元件曲率半径、厚度、折射率和焦距等尺寸参数，利用激光球面干涉测量技术测量光学元件的面形，进而在一台仪器上首次实现光学元件曲率半径、厚度、折射率、焦距和面形等参数的综合测量。

但上述各种差动共焦元件参数测量方法中长衍射焦深对各参数测量精度的影响依然较大，为了进一步突破长衍射焦深对元件参数测量系统精度影响的瓶颈问题，本发明提出了横向相减差动共焦元件多参数测量方法，该方法首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔图像探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线进行相减处理来锐化共焦特性曲线，然后将放在探测光路焦前和焦后的横向相减探测系统分别得到的两条锐化共焦特性曲线再进行差动相减处理进而得到轴向高灵敏的横向相减差动共焦特性曲线，最后利用该横向相减差动共焦特性曲线零点与焦点精确定焦这一特性来对被测界面进行层析定焦，进而显著提升曲率半径、焦距和镜组间隔等元件参数的测量精度。

发明内容

为了解决同时对元件多个参数进行高精度测量以及对元件表面面形进行测量的问题，本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置的目的是利用横向相减差动共焦探测系统的高精度定位特性实现球面元件表面的高精度层析定焦、曲率半径测量、透镜顶焦距测量、透镜折射率透镜厚度测量、镜组轴向间隙测量、抛物面顶点曲率半径测量和柱面曲率半径测量，利用面形干涉测量系统实现元件表面面形测量，进而实现元件参数的高精度综合测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，利用横向相减差动共焦探测系统的高精度定位特性实现球面元件表面的高精度层析定焦、曲率半径测量、透镜顶焦距测量、透镜折射率透镜厚度测量、镜组轴向间隙测量、抛物面顶点曲率半径测量和柱面曲率半径测量，利用面形干涉测量系统实现元件表面面形测量，进而实现元件参数的高精度综合测量。

本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，包括如下步骤：打开点光源，由点光源出射的光经偏振分光镜、四分之一波片、第一分束镜、准直透镜和测量物镜后形成测量光束并照射在被测元件上；调整被测元件的光轴使其与测量光束共光轴；由被测元件反射回来的光再通过测量物镜和准直透镜后由第一分束镜分为两路；经第一分束镜透射的光进入粗瞄监测系统，用于被测元件的大视场粗瞄找正；经第一分束镜反射的光透过四分之一波片和偏振分光镜后又被第二分束镜分光，经第二分束镜反射的一路光进入面形干涉测量系统，经第二分束镜透射的光进入横向相减差动共焦系统；通过面形干涉测量系统形成干涉图形来测量被测元件的表面面形，通过横向相减差动共焦系统形成差动共焦定焦响应信号用于测量被测元件的高精度综合测量参数，所述高精度综合测量参数包括曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙；

所述粗瞄监测系统由粗瞄分划板和粗瞄CCD探测器组成；

所述面形干涉测量系统由干涉准直透镜和CCD探测器组成；

所述横向相减差动共焦系统由第三分束镜、焦前显微物镜、焦前CCD探测器、焦后显微物镜和焦后CCD探测器组成；进入横向相减差动共焦系统的光部分被第三分束镜反射后，经过焦后显微物镜后，被焦后CCD探测器采集；由第三分束镜透射的光经过焦前显微物镜后被焦前CCD探测器采集；

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量柱面元件表面曲率半径时，具体步骤如下：

(a)将被测元件放置于测量全息物镜前方，调整被测元件，使其与柱面测量光束共光轴，测量光束照射到被测元件表面后部分被反射；

(b)移动柱面被测元件，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定柱面测量光束的焦线与柱面被测元件表面的母线相重合，记录此时柱面被测元件的位置Z₁；

(c)继续沿光轴方向移动柱面被测元件，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定柱面测量光束的焦线与柱面被测元件表面的柱面中心线重合的位置，记录此时被测元件的位置Z₂；

(d)计算柱面被测元件表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|；

横向相减差动共焦系统探测横向相减差动共焦定焦曲线A，进而确定测量光束焦点位置的步骤如下：

(e)将横向相减差动共焦探测系统中焦前大虚拟针孔探测域和焦前小虚拟针孔探测域分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线 I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线I₁(z,-u_M)＝I_S1(z,-u_M)-γI_B1(z,-u_M)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，u_M为焦前CCD探测器偏离焦前显微物镜焦平面的距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器偏离焦后显微物镜焦平面的距离M的归一化距离；

(f)将横向相减差动共焦探测系统中焦后大虚拟针孔探测域和焦后小虚拟针孔探测域分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线 (27)I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线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；

(g)将焦后锐化共焦特性曲线I₂(z,+u_M)和焦前锐化共焦特性曲线I₁(z,-u_M)进行差动相减即可得到轴向高灵敏的焦后锐化共焦特性曲线I_D(z)＝I₂(z,+u_M)-I₁(z,-u_M)；

(h)利用横向相减差动共焦线性拟合直线对焦后锐化共焦特性曲线I_D(z)进行直线拟合得到拟合直线零点，拟合直线零点精确对应测量光束的焦点；

(i)通过焦后锐化共焦特性曲线I_D(z)的拟合直线零点来确定被测元件的各特征位置点；

当用面形干涉测量系统测量被测元件表面面形时，具体步骤如下：

(1-1)将测量物镜取下，换上齐明透镜，调整齐明透镜，使其与准直透镜共光轴，平行光照射在齐明透镜上时，在齐明透镜参考面上部分光被反射后沿原光路返回；

(1-2)将被测元件放置于齐明透镜前方，调整被测元件，使其与测量光束共光轴；

(1-3)光照在被测元件表面后部分光被反射，由被测元件表面反射回的光与由齐明透镜参考面反射回的光发生干涉，并进入面形干涉测量系统，在CCD探测器上形成干涉图形；

(1-4)依据横向相减差动共焦系统探测的横向相减差动共焦定焦曲线A的过零点与测量光束焦点精确对应的特性，沿光轴方向移动被测元件至测量光束的焦点与被测元件的表面球心相重合，调整被测元件直至在CCD探测器上形成清晰的干涉图形；当被测元件表面为平面，则直接调整被测元件直至在CCD探测器上形成清晰的干涉图形；

(1-5)通过多步移相方式控制轴向测量运动系统带动球面被测元件进行多步移相，主控计算机的测量软件通过CCD探测器采得多幅干涉图形，并用相位解包裹算法解出球面被测元件的表面面形。

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量球面元件表面曲率半径时，具体步骤如下：

将被测元件放置于测量物镜前方，调整被测元件，使其与测量光束共光轴，测量光束照射到被测元件表面后部分被反射；

移动被测元件，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束的焦点与被测元件表面的顶点相重合，记录此时被测元件的位置Z₁；

继续沿光轴方向移动被测元件，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束的焦点与被测元件表面的球心重合的位置，记录此时被测元件的位置Z₂；计算被测元件表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量抛物面元件顶点曲率半径时，具体步骤如下：

(a)将平面半反半透镜和抛物面被测元件放置于测量物镜前方，调整平面半反半透镜和抛物面被测元件，使其与测量光束共光轴，测量光束照射到抛物面被测元件表面后部分被反射；

(b)移动抛物面被测元件，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确测量光束的焦点与抛物面被测元件表面的焦点重合位置，记录此时抛物面被测元件的位置Z₁；

(e)沿光轴方向移动抛物面被测元件，使测量光束的焦点与抛物面被测元件顶点位置重合，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束的焦点与抛物面被测元件顶点重合的位置，记录此时被测元件的位置Z₂；

(f)计算柱面被测元件表面的曲率半径r＝2|Z₁-Z₂|。

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量透镜顶焦距时，具体步骤如下：

(2-1)将测量物镜取下，在准直透镜出射的平行光路处放置被测元件，调整被测元件，使其与准直透镜共光轴，平行光经被测元件后形成测量光束；

(2-2)在被测元件后放置平面反射镜，调整平面反射镜，使其与测量光束的光轴相垂直，光照射到平面反射镜表面后被反射；

(2-3)移动平面反射镜，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定被测元件的焦点与平面反射镜的表面相重合，记录此时平面反射镜的位置Z₁；

(2-4)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的焦点与被测元件的顶点位置重合，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束的焦点与被测元件的顶点重合的位置，记录此时平面反射镜的位置Z₂；

(2-5)计算被测元件的顶焦距l_F’＝|Z₁-Z₂|。

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量透镜厚度时，具体步骤如下：

(3-1)将被测元件放置于测量物镜前方，调整被测元件，使其与测量光束共光轴，光照射到被测元件表面后部分被反射；

(3-2)移动被测元件，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束的焦点与被测元件表面的顶点位置相重合，记录此时被测元件的位置Z₁；

(3-3)继续沿光轴方向移动被测元件，使测量汇聚光束的焦点依次与被测元件的后表面顶点位置重合；在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件，由横向相减差动共焦探测系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束精确聚焦在被测元件的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z₂；

(3-4)根据建立的透镜中心厚度模型计算透镜中心厚度d；

其中：α₀为测量光束(7)的数值孔径角，r₁为被测元件(8)的前表面曲率半径， n₀为空气折射率，n为被测元件(8)的折射率，l＝|Z₂-Z₁|为两次定焦位置之间的距离。

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量透镜折射率时，具体步骤如下：

(4-1)将被测元件放置于测量物镜前方，调整被测元件，使其与测量光束共光轴，光照射到被测元件表面后部分被反射；

(4-2)移动被测元件，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束的焦点与被测元件表面的顶点重合位置，记录此时被测元件的位置Z₁；

(4-3)继续沿光轴方向移动被测元件，使测量汇聚光束的焦点依次与被测元件的后表面顶点位置重合；在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件，由横向相减差动共焦探测系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束精确聚焦在被测元件的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z₂；

(4-4)根据建立的透镜中心厚度模型计算被测元件折射率n；

其中：α₀为测量光束的数值孔径角，r₁为被测元件的前表面曲率半径，n₀为空气折射率， n为被测元件的折射率，l＝|Z₂-Z₁|为两次定焦位置之间的距离，d为透镜中心厚度。

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量镜组轴向间隙时，具体步骤如下：

(5-1)将被测元件放置于测量物镜前方，调整被测元件，使其与测量光束共光轴，光照射到被测元件表面后部分被反射；

(5-2)移动被测元件，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束焦点与被测元件表面的顶点位置相重合，记录此时被测元件的位置Z₁；

(5-3)继续沿光轴方向移动被测元件，使测量汇聚光束的焦点依次与被测元件的第二层析定焦表面至第N层析定焦表面顶点位置重合；在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件，由横向相减差动共焦探测系统通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点来确定测量光束精确聚焦在被测元件的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z₂、…和Z_N；

(5-4)根据公式递推计算出表面S_N与S_N+1之间的轴向间隙d_N＝l_N′；

其中，r_N为第N个表面S_N的曲率半径，n_N为第N个表面S_N与第N+1个表面S_N+1之间的材料折射率，d_N-1为第N-1个表面S_N-1与第N个表面S_N之间的轴向间隙，l_N′为S_N顶点到 S_N出射线与光轴交点的距离，u_N′为S_N出射光线与光轴的夹角。

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，降低测量元件参数时波相差对测量光束的影响，减少测量误差。

本发明还公开横向相减差动共焦元件多参数测量装置，包括点光源、点光源光轴方向设置的偏振分光镜、四分之一波片、第一分束镜、准直透镜、测量物镜、第二分束镜、面形干涉测量系统、横向相减差动共焦系统和粗瞄监测系统；其中，第一分束镜、准直透镜、测量物镜放置在光的出射方向，粗瞄监测系统放置在第一分束镜的透射光轴方向，第二分束镜放置在第一分束镜反射方向，其将反射的测量光束分为两路，经第二分束镜反射的光进入面形干涉测量系统，经第二分束镜透射的光进入横向相减差动共焦系统。

本发明还公开横向相减差动共焦元件多参数测量装置，将横向相减差动共焦系统替换成横向相减共焦测量系统，由横向相减共焦测量系统形成的锐化共焦特性曲线用于测量元件高精度综合测量参数。

有益效果：

1)本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，通过基于大、小虚拟针孔横向相减探测的焦前锐化共焦特性曲线和焦后锐化共焦特性曲线的差动相减探测，显著提高横向相减差动共焦定焦曲线的灵敏度和信噪比，能够突破光学尺寸参数测量中长衍射焦深层析定焦的技术瓶颈，为球面元件表面定焦位置、曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度和镜组轴向间隙参数的高精度测量提供前提和基础。

2)本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，在横向相减差动共焦探测系统中，将横向相减差动共焦显微术与光线追迹术有机融合，抑制层析定焦中前表面参数、元件折射率等对后表面定焦精度的影响，实现光学内表面的高精度层析定焦和定轴。

3)本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，在横向相减差动共焦探测系统中，采用横向相减差动共焦响应曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升光学定焦精度、定焦速度和抗散射能力。

4)本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，将高轴向层析能力和抗散射能力的横向相减差动共焦探测系统与面形干涉测量系统有机结合，能够实现精磨表面(非抛光)元件尺寸参数测量和抛光表面面形的测量，显著增强测量系统的测量精度，降低对测量系统的高要求。

5)本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，实现高精度层析能力有效突破，能够解决光学元件参数测量方法繁多、基准不便统一的问题，使现有各种光学元件尺寸参数首次统一到横向相减差动共焦测量体系下进行测量，而且在测量中无需重新调整光路，拆卸被测元件等，其显著提高了光学元件的综合测量能力。

6)本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，在测量光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减像差的对测量结果的影响。

7)本发明公开的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，基于抗散射的横向相减差动共焦技术与光滑表面的面型测量技术相结合，既适应非抛光精磨表面元件参数的测量，又适应光滑抛光表面面型的高精度测量，测量适应性显著增强。

附图说明

图1为长工作距聚焦测量光束衍射焦深光斑示意图；

图2为共焦显微成像原理示意图；

图3为本发明横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法的示意图；

图4为本发明大小虚拟针孔共焦特性曲线横向相减锐化示意图；

图5为本发明锐化共焦特性曲线横向相减差动共焦定位示意图；

图6为本发明建立的光线追迹及其补偿模型示意图；

图7为本发明横向相减差动共焦干涉球面曲率半径测量方法的示意图；

图8为本发明横向相减差动共焦干涉柱面曲率半径测量方法的示意图；

图9为本发明横向相减差动共焦干涉抛物面曲率半径测量方法的示意图；

图10为本发明横向相减差动共焦干涉透镜顶焦距测量方法的示意图；

图11为本发明横向相减差动共焦干涉透镜折射率及厚度测量方法的示意图；

图12为本发明横向相减差动共焦干涉镜组轴向间隙测量方法的示意图；

图13为本发明横向相减差动共焦干涉元件表面面形测量方法的示意图；

图14为本发明横向相减差动共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

图15为本发明横向相减差动共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

图16为本发明横向相减差动共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

图17为本发明横向相减差动共焦干涉球面曲率半径测量方法实施例的示意图；

图18为本发明横向相减差动共焦干涉柱面曲率半径测量方法实施例的示意图；

图19为本发明横向相减差动共焦干涉抛物面曲率半径测量方法实施例的示意图

图20为本发明横向相减差动共焦干涉透镜顶焦距测量方法实施例的示意图；

图21为本发明横向相减差动共焦干涉透镜折射率及厚度测量方法实施例示意图

图22为本发明横向相减差动共焦干涉镜组轴向间隙测量方法实施例的示意图；

图23为本发明横向相减差动共焦干涉元件表面面形测量方法实施例的示意图；

图24为本发明横向相减差动共焦干涉球面曲率半径测量方法实施例测量结果；

图25为本发明横向相减差动共焦干涉柱面曲率半径测量方法实施例测量结果；

图26为本发明横向相减差动共焦干涉抛物面曲率半径测量方法实施例测量结果

图27为本发明横向相减差动共焦干涉透镜顶焦距测量方法实施例测量结果；

图28为本发明横向相减差动共焦干涉透镜折射率及厚度测量方法实施例测量结果；

图29为本发明横向相减差动共焦干涉镜组轴向间隙测量方法实施例测量结果。

其中：1-点光源、2-偏振分光镜、3-四分之一波片、4-第一分束镜、5-准直透镜、6-测量物镜、7-测量光束、8-被测元件、9-第二分束镜、10-面形干涉测量系统、11-横向相减差动共焦探测系统、12-第三分束镜、13-焦前显微物镜、14-焦前CCD探测器、15-焦前测量艾里斑、 16-焦前大虚拟针孔探测域、17-焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线、18-焦前小虚拟针孔探测域、19-焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线、20-焦前锐化共焦特性曲线、21-焦后显微物镜、 22-焦后CCD探测器、23-焦后测量艾里斑、24-焦后大虚拟针孔探测域、25-焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线、26-焦后小虚拟针孔探测域、27-焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线、28- 焦后锐化共焦特性曲线、29-横向相减差动共焦定焦曲线A、30-横向相减差动共焦线性拟合直线、31-拟合直线零点、32-横向相减差动共焦定焦曲线B、33-干涉准直透镜、34-CCD探测器、 35-干涉图像、36-粗瞄分划板、37-粗瞄CCD探测器、38-粗瞄艾里斑、39-粗瞄监测系统、40- 长焦深衍射焦斑、41-针孔、42-光电探测器、43-共焦特性曲线、44-测量全息物镜、45-平面半反半透镜、46-平面反射镜、47-第一层析定焦表面、48-第二层析定焦表面、49-第三层析定焦表面、50-第N层析定焦表面、51-图像采集系统、52-主控计算机、53-多路电机驱动系统、 54-轴向测量运动系统、55-五维调整系统、56-激光器、57-显微物镜、58-针孔、59-光纤耦合器、60-光纤点衍射光源、61-环形光瞳、62-齐明透镜。

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。

本发明将横向相减差动共焦探测技术和面形干涉测量技术创新相融合，其基本思想是利用高层析、抗散射横向相减差动共焦元件参数测量技术对被测元件进行精确定位，实现元件曲率半径、透镜折射率、透镜厚度、透镜顶焦距和镜组轴向间隙的高精度测量，利用多步移相干涉测量原理实现元件面形的高精度测量。具体实施例如下：

实施例1

当被测参数是柱面曲率半径时，如附图3、图4、图5、图7和图17所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将被测元件8固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5和测量物镜6后形成测量光束7并照射在被测元件8上；

2)通过五维调整系统55和粗瞄监测系统39调整球面被测元件8，使其与准直透镜5和测量物镜6共光轴，测量物镜6将准直透镜5出射的平行光束汇聚成测量光束7照射在球面被测元件8上，由被测元件(8)表面反射回来的光通过测量物镜6、准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3和偏振分光镜2后被第二分束镜9分光，透过第二分束镜9的光进入横向相减差动共焦探测系统11；主控计算机52通过图像采集系统51获得由焦前CCD探测器14和焦后CCD探测器22采集到的焦前测量艾里斑15和焦后测量艾里斑23；

3)沿光轴方向移动球面被测元件8，使测量光束7的焦点与球面被测元件8的球心重合，即球面被测元件8处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描球面被测元件8，将横向相减差动共焦探测系统11中焦前大虚拟针孔探测域16和焦前小虚拟针孔探测域18分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线20I₁(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11中焦后大虚拟针孔探测域24和焦后小虚拟针孔探测域26分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线25I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线27I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线 28I₂(z,+u_M)＝I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5，u_M＝2.98。

4)主控计算机52将焦前锐化共焦特性曲线20和焦后锐化共焦特性曲线28进行差动相减处理得到横向相减差动共焦定焦曲线A29I_D(z)＝I₁(z,-u_M)-I₂(z,+u_M)；

5)将横向相减差动共焦定焦曲线A29依据图5进行拟合得到横向相减差动共焦线性拟合直线30，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31确定球面被测元件8的“共焦”位置，得到球面被测元件8的位置Z₁＝-0.00093mm；

6)继续沿测量物镜6的光轴方向移动球面被测元件8，使测量光束7的焦点与球面被测元件8的顶点位置重合即“猫眼”位置，此时测量光束7被球面被测元件8原路反射进入横向相减差动共焦探测系统11被探测。在该位置附近扫描球面被测元件8，由横向相减差动共焦探测系统11测得横向相减差动共焦定焦曲线B32，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来精确确定测量物镜6的焦点位置Z₂，记录此时球面被测元件8的“猫眼”位置Z₂＝-36.69542mm，测量结果如图24所示；

7)计算球面被测元件8两位置之间的距离Z₂-Z₁＝36.69449mm，则-36.69449mm即为球面被测元件8的曲率半径r。

实施例2

当被测参数是柱面曲率半径时，如附图3、图4、图5、图8和图18所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将柱面被测元件8固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5和测量全息物镜44后形成柱面测量光束7并照射在柱面被测元件8上；

2)通过五维调整系统55和粗瞄监测系统39调整柱面被测元件8，使其与准直透镜和测量全息物镜44共光轴，测量全息物镜44将准直透镜5出射的平行光束汇聚成柱面测量光束7照射在柱面被测元件8上，由柱面被测元件8表面反射回来的光通过测量全息物镜44、准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3和偏振分光镜2后被第二分束镜9分光，透过第二分束镜9的光进入横向相减差动共焦探测系统11；主控计算机52通过图像采集系统51获得由焦前CCD探测器14和焦后CCD探测器22采集到的焦前测量艾里斑15和焦后测量艾里斑23；

3)沿光轴方向移动柱面被测元件8，使柱面测量光束7的焦线与柱面被测元件8的中心线重合，即柱面被测元件8处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描柱面被测元件8，将横向相减差动共焦探测系统11中焦前大虚拟针孔探测域16和焦前小虚拟针孔探测域18分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线20I₁(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11中焦后大虚拟针孔探测域24和焦后小虚拟针孔探测域26分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线25I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线27I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线 28I₂(z,+u_M)＝I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5，u_M＝2.98。

4)主控计算机52将焦前锐化共焦特性曲线20和焦后锐化共焦特性曲线28进行差动相减处理得到横向相减差动共焦定焦曲线A29I_D(z)＝I₁(z,-u_M)-I₂(z,+u_M)；

5)将横向相减差动共焦定焦曲线A29依据图5进行拟合得到横向相减差动共焦线性拟合直线30，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来确定柱面被测元件8的“共焦”位置，得到柱面被测元件8的位置Z₁＝0.0238mm；

6)主控计算机52通过多路电机驱动系统53和轴向测量运动系统54控制五维调整系统55继续沿测量全息物镜44的光轴方向移动柱面被测元件8，使柱面测量光束7的焦线与柱面被测元件8的母线位置重合即“猫眼”位置，此时测量光束7被柱面被测元件8原路反射进入横向相减差动共焦探测系统11被探测。在该位置附近扫描柱面被测元件8，由横向相减差动共焦探测系统11测得横向相减差动共焦定焦曲线B32，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来精确确定测量全息物镜44的焦线位置Z₂，记录此时柱面被测元件8的“猫眼”位置Z₂＝-25.8344mm，测量结果如图25所示；

7)计算柱面被测元件8两位置之间的距离Z₂-Z₁＝-25.8582mm，则-25.8582mm即为柱面被测元件8的曲率半径r。

实施例3

当被测参数是抛物面顶点曲率半径时，如附图3、图4、图5、图9和图19所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将被测元件8固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5、测量物镜6和平面半反半透镜45后照射在抛物面被测元件8上。

2)通过五维调整系统55和粗瞄监测系统39调整抛物面被测元件8，使其与准直透镜5 和测量物镜6共光轴，测量物镜6将准直透镜5出射的平行光束汇聚成测量光束7照射在抛物面被测元件8上，由抛物面被测元件8表面反射回来的光通过平面半反半透镜45、测量物镜6、准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3和偏振分光镜2后被第二分束镜9分光，透过第二分束镜9的光进入横向相减差动共焦探测系统11；主控计算机52通过图像采集系统51获得由焦前CCD探测器14和焦后CCD探测器22采集到的焦前测量艾里斑15和焦后测量艾里斑23；

3)沿光轴方向移动抛物面被测元件8，使测量光束7的焦点与抛物面被测元件8的球心重合，即抛物面被测元件8处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描抛物面被测元件8，将横向相减差动共焦探测系统11中焦前大虚拟针孔探测域16和焦前小虚拟针孔探测域18分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线20I₁(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11中焦后大虚拟针孔探测域24和焦后小虚拟针孔探测域26分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线25I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线27I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线 28I₂(z,+u_M)＝I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5，u_M＝2.98。

4)主控计算机52将焦前锐化共焦特性曲线20和焦后锐化共焦特性曲线28进行差动相减处理得到横向相减差动共焦定焦曲线A29I_D(z)＝I₁(z,-u_M)-I₂(z,+u_M)；

5)将横向相减差动共焦定焦曲线A29依据图5进行拟合得到横向相减差动共焦线性拟合直线30，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来确定抛物面被测元件8的“共焦”位置，记录测试抛物面被测元件8的表面顶点位置 Z₁＝-0.12104mm；

6)主控计算机52通过多路电机驱动系统53和轴向测量运动系统54控制五维调整系统 55继续沿测量物镜6光轴方向移动抛物面被测元件8，当测量光束7的焦点扫过抛物面被测元件8的焦点位置时，测量光束7经抛物面被测元件8反射后准直为平行光束射向平面半反半透镜45上，光束经平面半反半透镜45再反射后又经抛物面被测元件8、平面半反半透镜 45、测量物镜6和准直透镜5后沿原光路返回并进入横向相减差动共焦探测系统11被探测。在该位置附近扫描抛物面被测元件8，由横向相减差动共焦探测系统11测得横向相减差动共焦定焦曲线B32，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31 来精确确定抛物面被测元件8的焦点位置，记录此时抛物面被测元件8的焦点位置 Z₂＝23.86669mm，测量结果如图26所示；

7)计算抛物面被测元件8两位置之间的距离Z₁-Z₂＝23.98773mm，则23.98773mm即为抛物面被测元件8的焦距值，23.98773mm×2＝47.9755mm，即为抛物面被测元件8的顶点曲率半径值。

实施例4

当被测参数是透镜顶焦距时，如附图3、图4、图5、图10和图20所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将测量物镜6取下，在准直透镜5出射的平行光路处放置被测元件8，将平面反射镜46固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。点光源1经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5和被测元件8照射在平面反射镜46上；

2)通过五维调整系统55和粗瞄监测系统39调整平面反射镜46和被测元件8，使其与准直透镜5和被测元件8共光轴，被测元件8将准直透镜5出射的平行光束汇聚照射在平面反射镜46上；经平面反射镜46反射回来的光通过被测元件8、准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3、偏振分光镜2后被第二分束镜9分光，透过第二分束镜9的光进入横向相减差动共焦探测系统11；主控计算机52通过图像采集系统51获得由焦前CCD探测器14和焦后CCD探测器22采集到的焦前测量艾里斑15和焦后测量艾里斑23；

3)沿光轴方向移动平面反射镜46，使测量光束7的焦点与平面反射镜46面重合；在该位置附近扫描平面反射镜46，将横向相减差动共焦探测系统11中焦前大虚拟针孔探测域16和焦前小虚拟针孔探测域18分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线20I₁(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11中焦后大虚拟针孔探测域24和焦后小虚拟针孔探测域26分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线 25I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线27I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线28I₂(z,+u_M)＝I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5，u_M＝2.98。

4)主控计算机52将焦前锐化共焦特性曲线20和焦后锐化共焦特性曲线28进行差动相减处理得到横向相减差动共焦定焦曲线A29I_D(z)＝I₁(z,-u_M)-I₂(z,+u_M)；

5)将横向相减差动共焦定焦曲线A29依据图5进行拟合得到横向相减差动共焦线性拟合直线30，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来确定平面反射镜46位置，记录此时平面反射镜46的位置Z₁＝-99.17363mm；

6)主控计算机52通过多路电机驱动系统53和轴向测量运动系统54控制五维调整系统 55继续沿测量物镜6的光轴方向移动平面反射镜46使测量光束7的焦点与球面被测元件8 顶点位置重合，此时测量光束7被球面被测元件8原路反射进入横向相减差动共焦探测系统 11被探测。在该位置附近扫描球面被测元件8，由横向相减差动共焦探测系统11测得横向相减差动共焦定焦曲线B32，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来精确确定平面反射镜46的位置Z₂，记录此时平面反射镜46的位置 Z₂＝0.17223mm，测量结果如图27所示；

7)计算两位置之间的距离Z₂-Z₁＝99.34586mm，则2(Z₂-Z₁)＝198.6917mm即为被测元件 8的顶焦距值；

实施例5

当被测参数是透镜厚度时，如附图3、图4、图5、图6、图11和图21所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将球面透镜被测元件8固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5和测量物镜6后形成测量光束7 并照射在球面透镜被测元件8上；

2)通过五维调整系统55和粗瞄监测系统39调整球面透镜被测元件8，使其与准直透镜5和测量物镜6共光轴，测量物镜6将准直透镜5出射的平行光束汇聚成测量光束7照射在球面透镜被测元件8上，由球面透镜被测元件8前表面顶点反射回来的光通过测量物镜6、准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3和偏振分光镜2后被第二分束镜9分光，透过第二分束镜9的光进入横向相减差动共焦探测系统11；主控计算机52通过图像采集系统51获得由焦前CCD探测器14和焦后CCD探测器22采集到的焦前测量艾里斑15和焦后测量艾里斑23；

3)沿光轴方向移动球面透镜被测元件8，使测量光束7的焦点与球面透镜被测元件8 的后表面顶点重合；在该后表面顶点位置附近扫描球面透镜被测元件8，将横向相减差动共焦探测系统11中焦前大虚拟针孔探测域16和焦前小虚拟针孔探测域18分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线20I₁(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11中焦后大虚拟针孔探测域24和焦后小虚拟针孔探测域26分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线25I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线 27I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线28I₂(z,+u_M)＝ I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5，u_M＝2.98。

4)主控计算机52将焦前锐化共焦特性曲线20和焦后锐化共焦特性曲线28进行差动相减处理得到横向相减差动共焦定焦曲线A29I_D(z)＝I₁(z,-u_M)-I₂(z,+u_M)；

5)将横向相减差动共焦定焦曲线A29依据图5进行拟合得到横向相减差动共焦线性拟合直线30，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来确定球面透镜被测元件8的前表面顶点位置，记录此时球面透镜被测元件8的透镜顶点位置Z₁＝0.0027mm。

6)主控计算机52通过多路电机驱动系统53和轴向测量运动系统54控制五维调整系统 55继续沿测量物镜6的光轴方向移动球面透镜被测元件8，使测量光束7的焦点与球面透镜被测元件8的后表面顶点位置重合，此时测量光束7被球面透镜被测元件8原路反射进入横向相减差动共焦探测系统11被探测。在该位置附近扫描球面透镜被测元件8，由横向相减差动共焦探测系统11测得横向相减差动共焦定焦曲线B32，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来精确确定测量物镜6的焦点位置Z₂，记录此时球面透镜被测元件8后表面顶点位置Z₂＝3.2797mm，测量结果如图28所示。

7)主控计算机52根据球面透镜被测元件8前表面曲率半径r₁＝100.9680mm、空气折射率n₀＝1和球面透镜被测元件8折射率n＝1.5143，根据建立的光线追迹及其补偿模型公式1 计算出球面透镜被测元件8的中心厚度d＝5.0735mm。

实施例6

当被测参数是透镜折射率时，如附图3、图4、图5、图6、图11和图21所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将球面透镜被测元件8固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5和测量物镜6后形成测量光束7 并照射在球面透镜被测元件8上；

2)通过五维调整系统 55和粗瞄监测系统39调整球面透镜被测元件8，使其与准直透镜5 和测量物镜6共光轴，测量物镜6将准直透镜5出射的平行光束汇聚成测量光束7照射在球面透镜被测元件8上，由球面透镜被测元件8前表面顶点反射回来的光通过测量物镜6、准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3和偏振分光镜2后被第二分束镜9分光，透过第二分束镜9的光进入横向相减差动共焦探测系统11；主控计算机52通过图像采集系统51获得由焦前CCD探测器14和焦后CCD探测器22采集到的焦前测量艾里斑15和焦后测量艾里斑23；

3)沿光轴方向移动球面透镜被测元件8，使测量光束7的焦点与球面透镜被测元件8 的后表面顶点重合；在该后表面顶点位置附近扫描球面透镜被测元件8，将横向相减差动共焦探测系统11中焦前大虚拟针孔探测域16和焦前小虚拟针孔探测域18分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线20I₁(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11中焦后大虚拟针孔探测域24和焦后小虚拟针孔探测域26分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线25I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线 27I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线28I₂(z,+u_M)＝ I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5，u_M＝2.98。

4)主控计算机52将焦前锐化共焦特性曲线20和焦后锐化共焦特性曲线28进行差动相减处理得到横向相减差动共焦定焦曲线A29 I_D(z)＝I₁(z,-u_M)-I₂(z,+u_M)；

5)将横向相减差动共焦定焦曲线A29依据图5进行拟合得到横向相减差动共焦线性拟合直线30，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来确定球面透镜被测元件8的前表面顶点位置，记录此时球面透镜被测元件8的透镜顶点位置Z₁＝0.0027mm。

6)主控计算机52通过多路电机驱动系统53和轴向测量运动系统54控制五维调整系统 55继续沿测量物镜6的光轴方向移动球面透镜被测元件8，使测量光束7的焦点与球面透镜被测元件8的后表面顶点位置重合，此时测量光束7被球面透镜被测元件8原路反射进入横向相减差动共焦探测系统11被探测。在该位置附近扫描球面透镜被测元件8，由横向相减差动共焦探测系统11测得横向相减差动共焦定焦曲线B32，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来精确确定测量物镜6的焦点位置Z₂，记录此时球面透镜被测元件8后表面顶点位置B的Z₂＝3.2797mm，测量结果如图28所示。

7)主控计算机52根据球面透镜被测元件8前表面曲率半径r₁＝100.9680mm、空气折射率n₀＝1和球面透镜被测元件8中心厚度d＝5.0735mm，根据建立的光线追迹及其补偿模型公式2计算出面透镜被测元件8的折射率n＝1.5143。

实施例7

当被测参数是镜组轴向间隙时，如附图3、图4、图5、图6、图12和图22所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将球面镜组被测元件8固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5和测量物镜6后形成测量光束7 并照射在球面镜组被测元件8上；

2)通过五维调整系统55和粗瞄监测系统39调整球面镜组被测元件8，使其与准直透镜5和测量物镜6共光轴，测量物镜6将准直透镜5出射的平行光束汇聚成测量光束7照射在球面镜组被测元件8上，由球面镜组被测元件8前表面顶点反射回来的光通过测量物镜6、准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3和偏振分光镜2后被第二分束镜9分光，透过第二分束镜9的光进入横向相减差动共焦探测系统11；主控计算机52通过图像采集系统51获得由焦前CCD探测器14和焦后CCD探测器22采集到的焦前测量艾里斑15和焦后测量艾里斑23；

3)沿光轴方向移动球面镜组被测元件8，使测量光束7的焦点与球面镜组被测元件8 的后表面顶点重合；在该后表面顶点位置附近扫描球面镜组被测元件8，将横向相减差动共焦探测系统11中焦前大虚拟针孔探测域16和焦前小虚拟针孔探测域18分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线20I₁(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11中焦后大虚拟针孔探测域24和焦后小虚拟针孔探测域26分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线25I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线 27I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线28I₂(z,+u_M)＝ I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5，u_M＝2.98。

4)主控计算机52将焦前锐化共焦特性曲线20和焦后锐化共焦特性曲线28进行差动相减处理得到横向相减差动共焦定焦曲线A29I_D(z)＝I₁(z,-u_M)-I₂(z,+u_M)；

5)将横向相减差动共焦定焦曲线A29依据图5进行拟合得到横向相减差动共焦线性拟合直线30，主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来确定球面镜组被测元件8的第一层析定焦表面47顶点的位置Z₁，记录此时球面镜组被测元件8 的透镜顶点位置Z₁＝0.1622mm。

6)主控计算机52通过多路电机驱动系统53和轴向测量运动系统54控制五维调整系统55 继续沿测量物镜6的光轴方向相向球面镜组被测元件8，使测量光束7的焦点依次与球面镜组被测元件8的第二层析定焦表面48、第三层析定焦表面49和第N层析定焦表面50的顶点重合；在该镜组透镜各层析表面顶点位置附近轴向扫描球面镜组被测元件8，由横向相减差动共焦探测系统11依次测得与球面镜组被测元件8的镜组层析表面顶点B48、层析表面顶点C49和层析表面顶点N50对应的横向相减差动共焦定焦曲线B32，然后由主控计算机52通过横向相减差动共焦线性拟合直线30的拟合直线零点31来依次精确确定球面镜组被测元件8的第二层析定焦表面48、第三层析定焦表面49和第N层析定焦表面50的位置，记录此时球面镜组被测元件8后各层析表面顶点位置Z₂＝-7.8946mm、 Z₃＝-8.2271mm和Z₄＝-14.5258mm，测量结果如图29所示。

7)主控计算机52在测量软件中输入球面镜组被测元件8的参数，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。

8)主控计算机52根据球面镜组被测元件8的参数由以下光线追迹递推公式

递推计算得到两透镜之间轴向间隙d＝0.3178mm。

实施例8

当被测参数是球面面型时，如附图13和图23所示，横向相减差动共焦元件多参数测量装置，其测量步骤是：

1)将球面被测元件8固定在五维调整系统55上，启动主控计算机52中的测量软件，打开激光器56，激光器56所发出的光经显微物镜57、针孔58传输后形成点光源1。点光源 1发出的经偏振分光镜2、四分之一波片3、第一分束镜4、准直透镜5后形成平行光束；

2)将测量物镜6取下，换上齐明透镜62，调整齐明透镜62，使其与准直透镜5共光轴，平行光照射在齐明透镜62上时，在齐明透镜62参考面上部分光被反射后沿原光路返回；

3)将球面被测元件8固定在五维调整系统55上，通过五维调整系统55调整被测元件8，使其与测量光束7共光轴；

4)测量光束7照射在球面被测元件8的表面上，部分光被球面被测元件8的表面所反射，反射回的光与齐明透镜62参考面返回的光发生干涉，所述两束干涉光通过准直透镜5、第一分束镜4、四分之一波片3、经偏振分光镜2后由第二分束镜9分光，经第二分束镜9透射的光进入横向相减差动共焦探测系统11，经第二分束镜9反射的光进入由干涉准直透镜33 和和CCD探测器34构成的面形干涉测量系统10；

5)依据横向相减差动共焦探测系统11探测的横向相减差动共焦定焦曲线A29的过零点与测量光束7焦点精确对应这一特性，通过轴向测量运动系统54将球面被测元件8移动至测量光束7焦点与球面被测元件8表面的球心位置相重合处，调整五维调整系统55直至通过 CCD探测器34可观察到清晰的干涉条纹。如果球面被测元件8表面为平面，则直接调整五维调整系统55直至通过CCD探测器34可观察到清晰的干涉条纹；

6)通过四步移相方式控制轴向测量运动系统54带动球面被测元件8进行移相，主控计算机52的测量软件通过CCD探测器34采得四幅干涉图形，并用相位解包裹算法解出球面被测元件8的表面面形。

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 (9)

1.横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：包括如下步骤：打开点光源(1)，由点光源(1)出射的光经偏振分光镜(2)、四分之一波片(3)、第一分束镜(4)、准直透镜(5)和测量物镜(6)后形成测量光束(7)并照射在被测元件(8)上；调整被测元件(8)的光轴使其与测量光束(7)共光轴；由被测元件(8)反射回来的光再通过测量物镜(6)和准直透镜(5)后由第一分束镜(4)分为两路；经第一分束镜(4)透射的光进入粗瞄监测系统(39)，用于被测元件(8)的大视场粗瞄找正；经第一分束镜(4)反射的光透过四分之一波片(3)和偏振分光镜(2)后又被第二分束镜(9)分光，经第二分束镜(9)反射的一路光进入面形干涉测量系统(10)，经第二分束镜(9)透射的光进入横向相减差动共焦系统(11)；通过面形干涉测量系统(10)形成干涉图形来测量被测元件(8)的表面面形，通过横向相减差动共焦系统(11)形成差动共焦定焦响应信号用于测量被测元件(8)的高精度综合测量参数，所述高精度综合测量参数包括曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙；所述粗瞄监测系统(39)由粗瞄分划板(36)和粗瞄CCD探测器(37)组成；

所述面形干涉测量系统(10)由干涉准直透镜(33)和CCD探测器(34)组成；所述横向相减差动共焦系统(11)由第三分束镜(12)、焦前显微物镜(13)、焦前CCD探测器(14)、焦后显微物镜(21)和焦后CCD探测器(22)组成；进入横向相减差动共焦系统(11)的光部分被第三分束镜(12)反射后，经过焦后显微物镜(21)后，被焦后CCD探测器(22)采集；由第三分束镜(12)透射的光经过焦前显微物镜(13)后被焦前CCD探测器(14)采集；

当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量柱面元件表面曲率半径时，具体步骤如下：

(a)将被测元件(8)放置于测量全息物镜(44)前方，调整被测元件(8)，使其与柱面测量光束(7)共光轴，测量光束(7)照射到被测元件(8)表面后部分被反射；

(b)移动柱面被测元件(8)，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定柱面测量光束(7)的焦线与柱面被测元件(8)表面的母线相重合，记录此时柱面被测元件(8)的位置Z₁；

(c)继续沿光轴方向移动柱面被测元件(8)，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定柱面测量光束(7)的焦线与柱面被测元件(8)表面的柱面中心线重合的位置，记录此时被测元件(8)的位置Z₂；

(d)计算柱面被测元件(8)表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|；

横向相减差动共焦系统(11)探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)，进而确定测量光束(7)焦点位置的步骤如下：

(e)将横向相减差动共焦探测系统(11)中焦前大虚拟针孔探测域(16)和焦前小虚拟针孔探测域(18)分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(17)I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前锐化共焦特性曲线(20)I₁(z,-u_M)＝I_S1(z,-u_M)-γI_B1(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(14)偏离焦前显微物镜(13)焦平面的距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(22)偏离焦后显微物镜(21)焦平面的距离M的归一化距离；

(f)将横向相减差动共焦探测系统(11)中焦后大虚拟针孔探测域(24)和焦后小虚拟针孔探测域(26)分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(25)I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(27)I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后锐化共焦特性曲线(28)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；

(g)将焦后锐化共焦特性曲线(28)I₂(z,+u_M)和焦前锐化共焦特性曲线(20)I₁(z,-u_M)进行差动相减即可得到轴向高灵敏的焦后锐化共焦特性曲线(28)I_D(z)＝I₂(z,+u_M)-I₁(z,-u_M)；

(h)利用横向相减差动共焦线性拟合直线(30)对焦后锐化共焦特性曲线(28)I_D(z)进行直线拟合得到拟合直线零点(31)，拟合直线零点(31)精确对应测量光束(7)的焦点；

(i)通过焦后锐化共焦特性曲线(28)I_D(z)的拟合直线零点(31)来确定被测元件(8)的各特征位置点；

当用面形干涉测量系统测量被测元件表面面形时，具体步骤如下：

(1-1)将测量物镜(6)取下，换上齐明透镜(62)，调整齐明透镜(62)，使其与准直透镜(5)共光轴，平行光照射在齐明透镜(62)上时，在齐明透镜(62)参考面上部分光被反射后沿原光路返回；

(1-2)将被测元件(8)放置于齐明透镜(62)前方，调整被测元件(8)，使其与测量光束(7)共光轴；

(1-3)光照在被测元件(8)表面后部分光被反射，由被测元件(8)表面反射回的光与由齐明透镜(62)参考面反射回的光发生干涉，并进入面形干涉测量系统(10)，在CCD探测器(34)上形成干涉图形；

(1-4)依据横向相减差动共焦系统(11)探测的横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的过零点与测量光束(7)焦点精确对应的特性，沿光轴方向移动被测元件(8)至测量光束(7)的焦点与被测元件(8)的表面球心相重合，调整被测元件(8)直至在CCD探测器(34)上形成清晰的干涉图形；当被测元件(8)表面为平面，则直接调整被测元件(8)直至在CCD探测器(34)上形成清晰的干涉图形；

(1-5)通过多步移相方式控制轴向测量运动系统(54)带动球面被测元件(8)进行多步移相，主控计算机(52)的测量软件通过CCD探测器(34)采得多幅干涉图形，并用相位解包裹算法解出球面被测元件(8)的表面面形。

2.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量球面元件表面曲率半径时，具体步骤如下：

(1)将被测元件(8)放置于测量物镜(6)前方，调整被测元件(8)，使其与测量光束(7)共光轴，测量光束(7)照射到被测元件(8)表面后部分被反射；

(2)移动被测元件(8)，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)的焦点与被测元件(8)表面的顶点相重合，记录此时被测元件(8)的位置Z₁；

(3)继续沿光轴方向移动被测元件(8)，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)的焦点与被测元件(8)表面的球心重合的位置，记录此时被测元件(8)的位置Z₂；

(4)计算被测元件(8)表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

3.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量抛物面元件顶点曲率半径时，具体步骤如下：

(2-1)将平面半反半透镜(45)和抛物面被测元件(8)放置于测量物镜(6)前方，调整平面半反半透镜(45)和抛物面被测元件(8)，使其与测量光束(7)共光轴，测量光束(7)照射到抛物面被测元件(8)表面后部分被反射；

(2-2)移动抛物面被测元件(8)，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确测量光束(7)的焦点与抛物面被测元件(8)表面的焦点重合位置，记录此时抛物面被测元件(8)的位置Z₁；

(2-3)沿光轴方向移动抛物面被测元件(8)，使测量光束(7)的焦点与抛物面被测元件(8)顶点位置重合，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)的焦点与抛物面被测元件(8)顶点重合的位置，记录此时被测元件(8)的位置Z₂；

(2-4)计算柱面被测元件(8)表面的曲率半径r＝2|Z₁-Z₂|。

4.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量透镜顶焦距时，具体步骤如下：

(3-1)将测量物镜(6)取下，在准直透镜(5)出射的平行光路处放置被测元件(8)，调整被测元件(8)，使其与准直透镜(5)共光轴，平行光经被测元件(8)后形成测量光束(7)；

(3-2)在被测元件(8)后放置平面反射镜(46)，调整平面反射镜(46)，使其与测量光束(7)的光轴相垂直，光照射到平面反射镜(46)表面后被反射；

(3-3)移动平面反射镜(46)，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定被测元件(8)的焦点与平面反射镜(46)的表面相重合，记录此时平面反射镜(46)的位置Z₁；

(3-4)沿光轴方向移动平面反射镜(46)，使测量光束(7)的焦点与被测元件(8)的顶点位置重合，再次通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)的焦点与被测元件(8)的顶点重合的位置，记录此时平面反射镜(46)的位置Z₂；

(3-5)计算被测元件(8)的顶焦距l_F’＝|Z₁-Z₂|。

5.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量透镜厚度时，具体步骤如下：

(4-1)将被测元件(8)放置于测量物镜(6)前方，调整被测元件(8)，使其与测量光束(7)共光轴，光照射到被测元件(8)表面后部分被反射；

(4-2)移动被测元件(8)，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)的焦点与被测元件(8)表面的顶点位置相重合，记录此时被测元件(8)的位置Z₁；

(4-3)继续沿光轴方向移动被测元件(8)，使测量汇聚光束的焦点依次与被测元件(8)的后表面顶点位置重合；在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件(8)，由横向相减差动共焦探测系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)精确聚焦在被测元件(8)的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束(7)的焦点位置Z₂；

(4-4)根据建立的透镜中心厚度模型(1)计算透镜中心厚度d；

其中：α₀为测量光束(7)的数值孔径角，r₁为被测元件(8)的前表面曲率半径，n₀为空气折射率，n为被测元件(8)的折射率，l＝|Z₂-Z₁|为两次定焦位置之间的距离。

6.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量透镜折射率时，具体步骤如下：

(5-1)将被测元件(8)放置于测量物镜(6)前方，调整被测元件(8)，使其与测量光束(7)共光轴，光照射到被测元件(8)表面后部分被反射；

(5-2)移动被测元件(8)，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)的焦点与被测元件(8)表面的顶点重合位置，记录此时被测元件(8)的位置Z₁；

(5-3)继续沿光轴方向移动被测元件(8)，使测量汇聚光束的焦点依次与被测元件(8)的后表面顶点位置重合；在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件(8)，由横向相减差动共焦探测系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)精确聚焦在被测元件(8)的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束(7)的焦点位置Z₂；

(5-4)根据建立的透镜中心厚度模型(2)计算被测元件(8)折射率n；

其中：α₀为测量光束(7)的数值孔径角，r₁为被测元件(8)的前表面曲率半径，n₀为空气折射率，n为被测元件(8)的折射率，l＝|Z₂-Z₁|为两次定焦位置之间的距离，d为透镜中心厚度。

7.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用横向相减差动共焦系统产生的差动共焦响应信号测量镜组轴向间隙时，具体步骤如下：

(6-1)将被测元件(8)放置于测量物镜(6)前方，调整被测元件(8)，使其与测量光束(7)共光轴，光照射到被测元件(8)表面后部分被反射；

(6-2)移动被测元件(8)，使其沿光轴方向扫描，横向相减差动共焦系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)焦点与被测元件(8)表面的顶点位置相重合，记录此时被测元件(8)的位置Z₁；

(6-3)继续沿光轴方向移动被测元件(8)，使测量汇聚光束的焦点依次与被测元件(8)的第二层析定焦表面至第N层析定焦表面顶点位置重合；在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件(8)，由横向相减差动共焦探测系统(11)通过探测横向相减差动共焦定焦曲线A(29)的拟合直线零点(31)来确定测量光束(7)精确聚焦在被测元件(8)的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束(7)的焦点位置Z₂、…和Z_N；

(6-4)根据公式(3)递推计算出表面S_N与S_N+1之间的轴向间隙d_N＝l_N′；

其中，r_N为第N个表面S_N的曲率半径，n_N为第N个表面S_N与第N+1个表面S_N+1之间的材料折射率，d_N-1为第N-1个表面S_N-1与第N个表面S_N之间的轴向间隙，l_N′为S_N顶点到S_N出射线与光轴交点的距离，u_N′为S_N出射光线与光轴的夹角。

8.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳(61)对测量光束(7)进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波相差对测量光束(7)的影响，减少测量误差。

9.一种利用权利要求1所述的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量方法的横向相减差动共焦干涉元件多参数测量装置，其特征在于：包括点光源(1)、点光源(1)光轴方向设置的偏振分光镜(2)、四分之一波片(3)、第一分束镜(4)、准直透镜(5)、测量物镜(6)、第二分束镜(9)、面形干涉测量系统(10)、横向相减差动共焦系统(11)和粗瞄监测系统(39)；其中，第一分束镜(4)、准直透镜(5)、测量物镜(6)放置在光的出射方向，粗瞄监测系统(39)放置在第一分束镜(4)的透射光轴方向，第二分束镜(9)放置在第一分束镜(4)反射方向，其将反射的测量光束(7)分为两路，经第二分束镜(9)反射的光进入面形干涉测量系统(10)，经第二分束镜(9)透射的光进入横向相减差动共焦系统(11)。

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