错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术将高层析、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。该发明专利技术作为通用测量技术应用前景广泛。

Multi-parameter Measurement Method and Device for Dislocation Differential Confocal Interferometer

【技术实现步骤摘要】
错位差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置
本专利技术属于光学精密测量
，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。
技术介绍
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，本专利技术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“Laserdifferentialconfocalradiusmeasurement”(OpticsExpress，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；在中国专利技术专利“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；在中国专利技术专利“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；在中国专利技术专利“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，本专利技术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。本专利技术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，使错位差动共焦测量系统具有结构简单、测量物镜数值孔径适应性强等显著优点。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术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。本专利技术公开的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用于测量元件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。本专利技术所述的错位差动共焦元件多参数测量方法，用于测量被测元件球面曲率半径，具体测量步骤如下：(a)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；(b)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的拟合直线零点确定测量光束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；(c)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拟合直线零点确定测量光束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；(d)计算被测元件表面的曲率半径r＝|Z1-Z2|。本专利技术所述的错位差动共焦元件多参数测量方法，用于测量被测元件柱面曲率半径，具体测量步骤如下：(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，错位差动共焦系统通过探测错位差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点确定柱面测量光束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，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线拟合直线零点确定柱面测量光束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|。本专利技术所述的错位差动共焦元件多参数测量方法，用于测量抛物面被测元件顶点曲率半径，具体测量步骤如下：(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，错位差动共焦系统通过探测错位差动共焦定焦曲线A的拟合直线零点确定测量光束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，再次通过探测错位差动共焦定本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)用于测量元件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。

【技术特征摘要】
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)用于测量元件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。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：当用错位差动共焦测量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：(a)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；(b)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(23)确定测量光束(7)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；(c)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)拟合直线零点(28)确定测量光束(7)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；(d)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：当用错位差动共焦测量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)将柱面被测元件(8)放置于测量全息物镜(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；(b)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(23)来确定柱面测量光束(7)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)，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B(26)拟合直线零点(28)确定柱面测量光束(7)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|。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：当用错位差动共焦测量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(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；(b)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(23)来确测量光束(7)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；(c)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，再次通过探测错位差动共焦定焦曲线B(26)拟合直线零点(28)确定测量光束(7)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；(d)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：当用错位差动共焦测量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：(a)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)；(b)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；(c)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(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；(d)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)拟合直线零点(28)确定测量光束(7)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；(e)计算被测元件(8)的顶焦距lF’＝|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：当用错位差动共焦测量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：(a)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；(b)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(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(22)的拟合直线零点(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)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；(c)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)，利用差动共焦线性拟合直线(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(27)的拟合直线零点(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；利用错位差动共焦线性拟合直线(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(22)的拟合直线零点(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；(d)根据建立的透镜中心厚度模型(1)计算透镜中心厚度t；其中：α1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，nair为空气折射率，n为被测元件(8)折射率，d1＝|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：当用错位差动共焦测量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：(a)将被测元件(8)放置于测量物镜(6)前方，调整被测元件(8)，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11