CN110044415B - 错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置。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，利用自行提出的错位差动共焦测量技术来测量元件曲率半径(球面、柱面和抛物面)、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(未抛光)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。该发明作为通用测量技术应用前景广泛。

Description

错位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，尤其涉及用于曲率半径、透镜中心厚度、透镜折射率、面型、焦距和镜组间隔等元件参数的高精度综合测量。

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高精度多参数综合检测。

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，本发明提出了错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，以期实现曲率半径、透镜中心厚度、透镜折射率、焦距和镜组间隔等元件参数的高精度、抗散射综合测量。

本发明基于共焦测量系统的错位差动共焦测量方法，在提升层析定焦能力的前提下并没有增加系统的复杂性，使错位差动共焦系统具有结构简单、测量物镜数值孔径适应性强等显著优点。

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，本发明公开的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置的目的是利用错位差动共焦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。

本发明公开的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法利用错位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。

错位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错位差动共焦系统；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，通过错位差动共焦系统形成错位差动共焦定焦曲线A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；

粗瞄监测系统由粗瞄分划板和粗瞄CCD探测器组成；

面形干涉测量系统由干涉准直透镜和CCD探测器A组成；

错位差动共焦系统由探测显微物镜和CCD探测器B组成；

错位差动共焦系统探测错位差动共焦定焦曲线A，进而确定测量光束焦点位置的步骤如下：

(a)将错位差动共焦系统中大虚拟针孔探测域和小虚拟针孔探测域分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线I_B(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线AI(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

(b)将锐化共焦特性曲线A沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A，并使锐化共焦特性曲线A和错位锐化共焦特性曲线A的侧边交汇在M/2处；

(c)对锐化共焦特性曲线A和错位锐化共焦特性曲线A分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位差动共焦定焦曲线AI_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

(d)利用错位差动共焦线性拟合直线A对错位差动共焦定焦曲线A的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A的拟合直线零点A位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点进而精确确定测量光束的焦点位置；

(e)还能够通过锐化共焦特性曲线A的峰值点与测量光束焦点对应的特性，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：

(f)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；

(g)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；

(h)光照在被测元件表面后部分被反射，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A上形成干涉图形；

(i)利用错位差动共焦线性拟合直线A对错位差动共焦系统探测的错位差动共焦定焦曲线A的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A的拟合直线零点A位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点与测量光束的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A上形成清晰的干涉图形；当被测元件的表面为平面，则直接调整被测元件直至在CCD探测器A上形成清晰的干涉图形；

(j)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A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。

当用错位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，错位差动共焦系统通过探测错位差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点A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，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B的拟合直线零点B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|。

当用错位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：

(1-1)将柱面被测元件放置于测量全息透镜前方，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；

(1-2)移动柱面被测元件，使其沿光轴方向扫描，错位差动共焦系统通过探测错位差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点A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；

(1-3)继续沿光轴方向移动柱面被测元件，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B的拟合直线零点B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；

(1-4)计算柱面被测元件表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

当用错位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；

(2-2)移动抛物面被测元件，使其沿光轴方向扫描，错位差动共焦系统通过探测错位差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点A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；

(2-3)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的顶点位置重合，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B的拟合直线零点B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；

(2-4)计算柱面被测元件表面的曲率半径r＝2|Z₁-Z₂|。

当用错位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，平行光经被测透镜后形成测量光束；

(3-2)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；

(3-3)移动平面反射镜，使其沿光轴方向扫描，错位差动共焦系统通过探测错位差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点A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；

(3-4)沿光轴方向移动平面反射镜至被测元件的顶点，通过探测错位差动共焦定焦曲线B的拟合直线零点B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；

(3-5)计算被测元件的顶焦距l_F’＝|Z₁-Z₂|。

当用错位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，利用错位差动共焦线性拟合直线A对错位差动共焦系统探测的错位差动共焦定焦曲线A的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A的拟合直线零点A位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置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；

(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；在后表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件，利用错位差动共焦线性拟合直线B对错位差动共焦系统探测的错位差动共焦定焦曲线B的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线B的拟合直线零点B的位置反向平移S/2到m′位置点，通过该m′位置点来确定测量光束精确聚焦在被测元件的后表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z₂；利用错位差动共焦线性拟合直线A对错位差动共焦定焦曲线A的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A的拟合直线零点A的位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点进而精确确定测量光束的焦点位置；

(4-4)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。

当用错位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，将错位差动共焦线性拟合直线A的拟合直线零点A位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置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；

(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后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件，利用错位差动共焦线性拟合直线B对错位差动共焦系统探测的错位差动共焦定焦曲线B的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线B的拟合直线零点B位置反向平移S/2到m′位置点，通过该m′位置点来确定测量光束精确聚焦在被测元件的后表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z₂；

(5-4)根据建立的透镜中心厚度和折射率模型计算被测元件的折射率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。

当用错位差动共焦测量系统产生的差动共焦响应信号测量镜组轴向间隙时，其具体步骤如下：

(6-1)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；

(6-2)移动被测元件，使其沿光轴方向扫描，利用错位差动共焦线性拟合直线A对错位差动共焦系统探测的错位差动共焦定焦曲线A的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A的拟合直线零点A位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置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；

(6-3)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，由错位差动共焦系统通过探测错位差动共焦定焦曲线B、错位差动共焦定焦曲线C和错位差动共焦定焦曲线N，利用错位差动共焦线性拟合直线对错位差动共焦定焦曲线B、错位差动共焦定焦曲线C和错位差动共焦定焦曲线N的线性段数据分别进行直线拟合，将各错位差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点位置反向平移S/2得到位置点，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；

(6-4)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像差对测量光束的影响，减少测量误差。

本发明所述的错位差动共焦元件多参数测量方法，还能够将错位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锐化共焦特性曲线，利用锐化共焦特性曲线的顶点进行高精度定焦，用于测量元件曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度及镜组轴向间隙。

一种利用错位差动共焦干涉元件多参数测量方法的错位差动共焦干涉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、错位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错位差动共焦系统。

本发明所述的错位差动共焦元件多参数测量方法与装置，还能够直接利用错位差动共焦系统获得的锐化共焦特性曲线A的峰值点，对被测元件各尺寸测量关键位置进行定焦，进而实现元件曲率半径、透镜顶焦距、透镜折射率、透镜厚度和镜组轴向间隙的测量。

有益效果：

1)本发明公开的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，将大、小虚拟针孔横向相减探测的锐化共焦特性曲线进行错位差动相减探测，显著提高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)本发明公开的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，将错位差动共焦显微术与光线追迹术有机融合，能够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)本发明公开的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，利用错位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，能够显著提升光学定焦精度、定焦速度和抗散射能力。

4)本发明公开的错位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错位差动共焦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)本发明公开的错位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，其显著提高光学元件的综合测量能力。

6)本发明公开的错位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，能够削减像差的对测量结果的影响。

7)本发明公开的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，基于共焦测量系统的错位差动共焦测量方法在提升层析定焦能力的前提下，并没有增加系统的复杂性，使错位差动共焦系统具有结构简单、测量物镜数值孔径适应性强等显著优点。

8)本发明公开的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置，基于抗散射的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为本发明错位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错位差动相减定位示意图；

图6为本发明建立的光线追迹及其补偿模型示意图；

图7为本发明错位差动共焦干涉球面曲率半径测量方法的示意图；

图8为本发明错位差动共焦干涉柱面曲率半径测量方法的示意图；

图9为本发明错位差动共焦干涉抛物面曲率半径测量方法的示意图；

图10为本发明错位差动共焦干涉透镜顶焦距测量方法的示意图；

图11为本发明错位差动共焦干涉透镜折射率及厚度测量方法的示意图；

图12为本发明错位差动共焦干涉镜组轴向间隙测量方法的示意图；

图13为本发明错位差动共焦干涉元件表面面形测量方法的示意图；

图14为本发明错位差动共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

图15为本发明错位差动共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

图16为本发明错位差动共焦干涉元件多参数测量装置的示意图；

图17为本发明错位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为本发明错位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为本发明错位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为本发明错位差动共焦干涉透镜顶焦距测量方法实施例的示意图；

图21为本发明错位差动共焦干涉透镜折射率及厚度测量方法实施例的示意图；

图22为本发明错位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为本发明错位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为本发明实施例的数据图；

图25为本发明实施例的数据图；

图26为本发明实施例的数据图；

图27为本发明实施例的数据图；

图28为本发明实施例的数据图；

图29为本发明实施例的数据图；

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-错位差动共焦系统、12-探测显微物镜、13-CCD探测器B、14-测量艾里斑、15-大虚拟针孔探测域、16-小虚拟针孔探测域、17-大虚拟针孔共焦特性曲线、18-小虚拟针孔共焦特性曲线、19-锐化共焦特性曲线A、20-错位锐化共焦特性曲线A、21-错位差动共焦定焦曲线A、22-错位差动共焦线性拟合直线A、23-拟合直线零点A、24-锐化共焦特性曲线B、25-错位锐化共焦特性曲线B、26-错位差动共焦定焦曲线B、27-错位差动共焦线性拟合直线B、28-拟合直线零点B、29-干涉准直透镜、30-CCD探测器A、31-干涉图像、32-粗瞄监测系统、33-粗瞄分划板、34-粗瞄CCD探测器、35-粗瞄艾里斑、36-环形光瞳、37-全息透镜、38-平面半反半透镜、39-平面反射镜、40-第一层析定焦表面顶点A、41-第二层析定焦表面顶点B、42-第三层析定焦表面顶点C、43-第N层析定焦表面顶点N、44-图像采集系统、45-主控计算机、46-多路电机驱动系统、47-轴向测量运动系统、48-五维调整系统、49-激光器、50-显微物镜、51-第一针孔、52-光纤耦合器、53-光纤点衍射光源、54-错位差动共焦定焦曲线C、55-错位差动共焦定焦曲线N、56-长焦深衍射焦斑、57-第二针孔、58-光电探测器、59-共焦特性曲线。

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。

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，错位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48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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48和粗瞄监测系统32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的光进入错位差动共焦系统11；主控计算机45通过图像采集系统44获得CCD探测器B13采集到的测量艾里斑14；

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，将错位差动共焦系统11中大虚拟针孔探测域15和小虚拟针孔探测域16分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B(z)和小虚拟针孔共焦特性曲线18I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A19I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，调节γ因子使锐化共焦特性曲线A19I(z)的半高宽FWHM最小；将锐化共焦特性曲线A19沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A20，使锐化共焦特性曲线A19和错位锐化共焦特性曲线A20的侧边交汇在M/2；并进行相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A21I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

4)主控计算机45利用错位差动共焦线性拟合直线A22对错位差动共焦定焦曲线A21的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A22的拟合直线零点A23位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置进而可精确确定测量光束的焦点位置，进而确定球面被测元件8的“共焦”位置，得到球面被测元件8的位置Z₁＝-0.00093mm；

5)主控计算机45通过多路电机驱动系统46和轴向测量运动系统47控制五维调整系统48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原路反射进入错位差动共焦系统11被探测。在该位置附近扫描球面被测元件8，由错位差动共焦系统11测得错位差动共焦定焦曲线B26，主控计算机45通过错位差动共焦线性拟合直线B27的拟合直线零点B28等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。

6)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，错位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48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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和全息透镜37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48和粗瞄监测系统32调整柱面被测元件8，使其与准直透镜5和全息透镜37共光轴，全息透镜37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全息透镜37、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的光进入错位差动共焦系统11；主控计算机45通过图像采集系统44获得CCD探测器B13采集到的测量艾里斑14；

3)沿光轴方向移动到柱面被测元件8，使测量光束7的焦线与到柱面被测元件8的中心线重合，即到柱面被测元件8处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描到柱面被测元件8，将错位差动共焦系统11中大虚拟针孔探测域15和小虚拟针孔探测域16分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线18I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A19I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，调节γ因子使锐化共焦特性曲线A19I(z)的半高宽FWHM最小；将锐化共焦特性曲线A19沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A20，使锐化共焦特性曲线A19和错位锐化共焦特性曲线A20的侧边交汇在M/2；并进行相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A21I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

4)主控计算机45利用错位差动共焦线性拟合直线A22对错位差动共焦定焦曲线A21的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A22的拟合直线零点A23位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置进而精确确定测量光束的焦点位置，进而确定到柱面被测元件8的“共焦”位置，得到到柱面被测元件8的位置Z₁＝0.0238mm；

5)主控计算机45通过多路电机驱动系统46和轴向测量运动系统47控制五维调整系统48继续沿测量物镜6的光轴方向移动柱面被测元件8，使测量光束7的焦线与到柱面被测元件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原路反射进入错位差动共焦系统11被探测。在该位置附近扫描球面被测元件8，由错位差动共焦系统11测得错位差动共焦定焦曲线B26，主控计算机45通过错位差动共焦线性拟合直线B27的拟合直线零点B28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＝-25.8344mm；测量结果如图25所示。

6)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，错位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48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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38后照射在抛物面被测元件8上。

2)通过五维调整系统48和粗瞄监测系统32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38、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的光进入错位差动共焦系统11；主控计算机45通过图像采集系统44获得CCD探测器B13采集到的测量艾里斑14；

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”位置附近扫抛物面被测元件8，将错位差动共焦系统11中大虚拟针孔探测域15和小虚拟针孔探测域16分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B(z)和小虚拟针孔共焦特性曲线18I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A19I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，调节γ因子使锐化共焦特性曲线A19I(z)的半高宽FWHM最小；将锐化共焦特性曲线A19沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A20，使锐化共焦特性曲线A19和错位锐化共焦特性曲线A20的侧边交汇在M/2；并进行相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A21I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

4)主控计算机45利用错位差动共焦线性拟合直线A22对错位差动共焦定焦曲线A21的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A22的拟合直线零点A23位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置进而可精确确定测量光束的焦点位置，进而确定抛物面被测元件8的“共焦”位置，得到抛物面被测元件8的位置Z₁＝-0.12104mm；

5)主控计算机45通过多路电机驱动系统46和轴向测量运动系统47控制五维调整系统48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38上，光束经平面半反半透镜38再反射后又经抛物面被测元件8、平面半反半透镜38、测量物镜6和准直透镜5后沿原光路返回并进入错位差动共焦系统11被探测。在该位置附近扫描抛物面被测元件8，由错位差动共焦系统11测得错位差动共焦定焦曲线B26，主控计算机45通过错位差动共焦线性拟合直线B27的拟合直线零点B28等来精确确定测量物镜6的焦点位置Z₂，记录此时抛物面被测元件8的“猫眼”位置Z₂＝23.86669mm；测量结果如图26所示。

6)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，错位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39固定在五维调整系统48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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39上；

2)通过五维调整系统48和粗瞄监测系统32调整平面反射镜39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39上；经平面反射镜39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的光进入错位差动共焦系统11；主控计算机45通过图像采集系统44获得CCD探测器B13采集到的测量艾里斑14；

3)沿光轴方向移动平面反射镜39，使测量光束7的焦点与平面反射镜39面重合；在该位置附近扫描平面反射镜39，将错位差动共焦系统11将错位差动共焦系统11中大虚拟针孔探测域15和小虚拟针孔探测域16分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线18I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A19I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，调节γ因子使锐化共焦特性曲线A19I(z)的半高宽FWHM最小；将锐化共焦特性曲线A19沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A20，使锐化共焦特性曲线A19和错位锐化共焦特性曲线A20的侧边交汇在M/2；并进行相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A21I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

4)主控计算机45利用错位差动共焦线性拟合直线A22对错位差动共焦定焦曲线A21的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A22的拟合直线零点A23位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置进而精确确定测量光束的焦点位置，进而确定平面反射镜39位置，记录此时平面反射镜39的位置Z₁＝-99.17363mm；

5)主控计算机45通过多路电机驱动系统46和轴向测量运动系统47控制五维调整系统48继续沿测量物镜6的光轴方向移动平面反射镜39，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原路反射进入错位差动共焦系统11被探测。在该位置附近扫描球面被测元件8，由错位差动共焦系统11测得错位差动共焦定焦曲线B26，主控计算机45通过错位差动共焦线性拟合直线B27的拟合直线零点B28精确确定测量物镜6的焦点位置Z₂，记录此时平面反射镜39的位置Z₂＝0.17223mm；测量结果如图27所示。

6)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；

7)根据被测元件8的前表面曲率半径值为r₁＝100.5mm、后表面曲率半径值为r₂＝-87.6mm、折射率为n＝1.5136、透镜中心厚度b＝3mm，以及测得的透镜顶焦距l_f＝198.6917105.8094mm，计算得到被测元件8的焦距值：

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，错位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48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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48和粗瞄监测系统32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的光进入错位差动共焦系统11；主控计算机45通过图像采集系统44获得CCD探测器B13采集到的测量艾里斑14；

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，将错位差动共焦系统11中大虚拟针孔探测域15和小虚拟针孔探测域16分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B(z)和小虚拟针孔共焦特性曲线18I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A19I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，调节γ因子使锐化共焦特性曲线A19I(z)的半高宽FWHM最小；将锐化共焦特性曲线A19沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A20，使锐化共焦特性曲线A19和错位锐化共焦特性曲线A20的侧边交汇在M/2；并进行相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A21I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

4)主控计算机45利用错位差动共焦线性拟合直线A22对错位差动共焦定焦曲线A21的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A22的拟合直线零点A23位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置进而可精确确定测量光束的焦点位置，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。

5)主控计算机45通过多路电机驱动系统46和轴向测量运动系统47控制五维调整系统48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原路反射进入错位差动共焦系统11被探测。在该位置附近扫描球面透镜被测元件8，由错位差动共焦系统11测得错位差动共焦定焦曲线B26，主控计算机45通过错位差动共焦线性拟合直线B27的拟合直线零点B28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。

6)主控计算机45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，错位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48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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48和粗瞄监测系统32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的光进入错位差动共焦系统11；主控计算机45通过图像采集系统44获得CCD探测器B13采集到的测量艾里斑14；

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，将错位差动共焦系统11中大虚拟针孔探测域15和小虚拟针孔探测域16分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B(z)和小虚拟针孔共焦特性曲线18I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A19I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，调节γ因子使锐化共焦特性曲线A19I(z)的半高宽FWHM最小；将锐化共焦特性曲线A19沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A20，使锐化共焦特性曲线A19和错位锐化共焦特性曲线A20的侧边交汇在M/2；并进行相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A21I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

4)主控计算机45利用错位差动共焦线性拟合直线A22对错位差动共焦定焦曲线A21的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A22的拟合直线零点A23位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置进而可精确确定测量光束的焦点位置，进而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。

5)主控计算机45通过多路电机驱动系统46和轴向测量运动系统47控制五维调整系统48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原路反射进入错位差动共焦系统11被探测。在该位置附近扫描球面透镜被测元件8，由错位差动共焦系统11测得错位差动共焦定焦曲线B26，主控计算机45通过错位差动共焦线性拟合直线B27的拟合直线零点B28等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。

6)主控计算机45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，错位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48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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48和粗瞄监测系统32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的光进入错位差动共焦系统11；主控计算机45通过图像采集系统44获得CCD探测器B13采集到的测量艾里斑14；

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，将错位差动共焦系统11中大虚拟针孔探测域15和小虚拟针孔探测域16分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线17I_B(z)和小虚拟针孔共焦特性曲线18I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A19I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，调节γ因子使锐化共焦特性曲线A19I(z)的半高宽FWHM最小；将锐化共焦特性曲线A19沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A20，使锐化共焦特性曲线A19和错位锐化共焦特性曲线A20的侧边交汇在M/2；并进行相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A21I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

4)主控计算机45利用错位差动共焦线性拟合直线A22对错位差动共焦定焦曲线A21的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A22的拟合直线零点A23位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置进而精确确定测量光束的焦点位置，进而确定球面镜组被测元件8的第一层析定焦表面顶点A40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。

5)主控计算机45通过多路电机驱动系统46和轴向测量运动系统47控制五维调整系统48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顶点B41、第三层析定焦表面顶点C42和第N层析定焦表面顶点N43重合；在该镜组透镜各第二层析定焦表面顶点B41、第三层析定焦表面顶点C42和第N层析定焦表面顶点N43位置附近轴向扫描球面镜组被测元件8，由错位差动共焦系统11依次测得与球面镜组被测元件8的镜组第二层析定焦表面顶点B41、第三层析定焦表面顶点C42和第N层析定焦表面顶点N43对应的应的错位差动共焦定焦曲线B26、错位差动共焦定焦曲线C54和错位差动共焦定焦曲线N55，然后由主控计算机45通过差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点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顶点B41、第三层析定焦表面顶点C42和第N层析定焦表面顶点N43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。

6)主控计算机45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。

7)主控计算机45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

可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，错位差动共焦元件多参数测量装置的测量步骤是：

1)将球面被测元件8固定在五维调整系统48上，启动主控计算机45中的测量软件，打开激光器49，激光器49所发出的光经显微物镜50、第一针孔51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60，调整齐明透镜60，使其与准直透镜5共光轴，平行光照射在齐明透镜60上时，在齐明透镜60参考面61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48上，通过五维调整系统48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60参考面61返回的光发生干涉，这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透射的光进入错位差动共焦系统11，经第二分束镜9反射的光进入由干涉准直透镜29和CCD探测器A30构成的面形干涉测量系统10；

5)依据错位差动共焦系统11探测的错位差动共焦定焦曲线A21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47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48直至通过CCD探测器A30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48直至通过CCD探测器A30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47带动球面被测元件8进行移相，主控计算机45的测量软件通过CCD探测器A30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 (10)

1.错位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(32)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)透射的光进入错位差动共焦系统(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，通过错位差动共焦系统(11)形成错位差动共焦定焦曲线A(21)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；

粗瞄监测系统(32)由粗瞄分划板(33)和粗瞄CCD探测器(34)组成；

面形干涉测量系统(10)由干涉准直透镜(29)和CCD探测器A(30)组成；

错位差动共焦系统(11)由探测显微物镜(12)和CCD探测器B(13)组成；

错位差动共焦系统(11)探测错位差动共焦定焦曲线A(21)，进而确定测量光束(7)焦点位置的步骤如下：

(a)将错位差动共焦系统(11)中大虚拟针孔探测域(15)和小虚拟针孔探测域(16)分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(17)I_B(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线A(19)I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

(b)将锐化共焦特性曲线A(19)沿横向坐标平移S得到错位锐化共焦特性曲线A(20)，并使锐化共焦特性曲线A(19)和错位锐化共焦特性曲线A(20)的侧边交汇在M/2处；

(c)对锐化共焦特性曲线A(19)和错位锐化共焦特性曲线A(20)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位差动共焦定焦曲线A(21)I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

(d)利用错位差动共焦线性拟合直线A(22)对错位差动共焦定焦曲线A(21)的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A(22)的拟合直线零点A(23)位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点进而精确确定测量光束的焦点位置；

(e)还能够通过锐化共焦特性曲线A(19)的峰值点与测量光束(7)焦点对应的特性，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：

(f)将测量物镜(6)取下，换上齐明透镜，调整齐明透镜，使其与准直透镜(5)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；

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

(h)光照在被测元件(8)表面后部分被反射，由被测元件(8)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(10)，在CCD探测器A(30)上形成干涉图形；

(i)利用错位差动共焦线性拟合直线A(22)对错位差动共焦系统(11)探测的错位差动共焦定焦曲线A(21)的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A(22)的拟合直线零点A(23)位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点与测量光束(7)的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A(30)上形成清晰的干涉图形；当被测元件(8)的表面为平面，则直接调整被测元件(8)直至在CCD探测器A(30)上形成清晰的干涉图形；

(j)通过多步移相方式控制轴向测量运动系统(47)带动球面被测元件(8)进行多步移相，主控计算机(45)的测量软件通过CCD探测器A(30)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所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用错位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，错位差动共焦系统(11)通过探测错位差动共焦定焦曲线A(21)的拟合直线零点A(23)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)，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B(26)的拟合直线零点B(28)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所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用错位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：

(1-1)将柱面被测元件(8)放置于测量全息透镜(37)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；

(1-2)移动柱面被测元件(8)，使其沿光轴方向扫描，错位差动共焦系统(11)通过探测错位差动共焦定焦曲线A(21)的拟合直线零点A(23)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；

(1-3)继续沿光轴方向移动柱面被测元件(8)，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B(26)的拟合直线零点B(28)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；

(1-4)计算柱面被测元件(8)表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

4.根据权利要求1所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用错位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(38)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(38)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，错位差动共焦系统(11)通过探测错位差动共焦定焦曲线A(21)的拟合直线零点A(23)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)的顶点位置重合，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B(26)的拟合直线零点B(28)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|。

5.根据权利要求1所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用错位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，平行光经被测透镜(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(39)，调整平面反射镜(39)，使其与测量光束(7)的光轴相垂直，光照射到平面反射镜(39)表面后被反射；

(3-3)移动平面反射镜(39)，使其沿光轴方向扫描，错位差动共焦系统(11)通过探测错位差动共焦定焦曲线A(21)的拟合直线零点A(23)来确定被测元件(8)的焦点与平面反射镜(39)的表面相重合，记录此时平面反射镜(39)的位置Z₁；

(3-4)沿光轴方向移动平面反射镜(39)至被测元件(8)的顶点，通过探测错位差动共焦定焦曲线B(26)的拟合直线零点B(28)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(39)的位置Z₂；

(3-5)计算被测元件(8)的顶焦距l_F’＝|Z₁-Z₂|。

6.根据权利要求1所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用错位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，利用错位差动共焦线性拟合直线A(22)对错位差动共焦系统(11)探测的错位差动共焦定焦曲线A(21)的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A(22)的拟合直线零点A(23)位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点来确定测量光束(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；在后表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件(8)，利用错位差动共焦线性拟合直线B(27)对错位差动共焦系统(11)探测的错位差动共焦定焦曲线B(26)的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线B(27)的拟合直线零点B(28)的位置反向平移S/2到m′位置点，通过该m′位置点来确定测量光束(7)精确聚焦在被测元件(8)的后表面顶点位置，依次精确确定测量光束(7)的焦点位置Z₂；利用错位差动共焦线性拟合直线A(22)对错位差动共焦定焦曲线A(21)的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A(22)的拟合直线零点A(23)的位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点进而精确确定测量光束的焦点位置；

(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。

7.根据权利要求1所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用错位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，将错位差动共焦线性拟合直线A(22)的拟合直线零点A(23)位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点来确定测量光束(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；

(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；在后表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测元件(8)，利用错位差动共焦线性拟合直线B(27)对错位差动共焦系统(11)探测的错位差动共焦定焦曲线B(26)的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线B(27)的拟合直线零点B(28)位置反向平移S/2到m′位置点，通过该m′位置点来确定测量光束(7)精确聚焦在被测元件(8)的后表面顶点位置，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和折射率模型(2)计算被测元件(8)的折射率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。

8.根据权利要求1所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法，其特征在于：当用错位差动共焦测量系统产生的差动共焦响应信号测量镜组轴向间隙时，其具体步骤如下：

(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，利用错位差动共焦线性拟合直线A(22)对错位差动共焦系统(11)探测的错位差动共焦定焦曲线A(21)的线性段数据进行直线拟合，将错位差动共焦线性拟合直线A(22)的拟合直线零点A(23)位置反向平移S/2到m位置点，通过该m位置点来确定测量光束(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；

(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)，由错位差动共焦系统(11)通过探测错位差动共焦定焦曲线B(26)、错位差动共焦定焦曲线C(54)和错位差动共焦定焦曲线N(55)，利用错位差动共焦线性拟合直线对错位差动共焦定焦曲线B(26)、错位差动共焦定焦曲线C(54)和错位差动共焦定焦曲线N(55)的线性段数据分别进行直线拟合，将各错位差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点位置反向平移S/2得到位置点，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。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的错位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(36)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像差对测量光束(7)的影响，减少测量误差。

10.一种利用权利要求1所述的错位差动共焦干涉元件多参数测量方法的错位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)、错位差动共焦系统(11)和粗瞄监测系统(32)；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(32)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)透射的光进入错位差动共焦系统(11)。

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