一种干涉共焦定焦及测量球面元件曲率半径与中心厚度的方法

本发明属于光学精密测量，具体涉及一种干涉共焦定焦及测量球面元件曲率半径与中心厚度的方法。

背景技术：

1、球面透镜等精密光学元件广泛应用于极紫外光刻机、高分辨空间观测系统以及激光核聚变等光学工程中。曲率半径、中心厚度、表面面型等是决定光学系统焦距、主平面位置、像差及整体成像质量的核心参数。然而，目前这些参数往往需要在各自专用的测量仪器上单独测量，不仅降低了检测效率，还会在多次装卡校准中引入额外的系统误差。随着现代超精密光学制造对加工效率与精度的要求不断攀升，对能够在一台设备上实现多参数高精度综合测量的一体化检测设备的需求日益迫切。

2、对于无损高精的球面曲率半径与中心厚度检测，光学检测方法是最主要的检测手段。目前对的球面透镜的光学厚度测量通常采用低相干干涉法与光谱共焦法，光学半径测量通常采用光学干涉法和自准直法。其中，光学干涉法通过检测“猫眼”和“共焦”位置，利用几何关系计算得到待测样品的中心厚度以及曲率半径。该方法还能对待测样品的面型进行检测，与多参数高精度综合测量设备的需求十分契合。然而，传统移相干涉法在寻找定焦位置时极度依赖干涉条纹的对比度，受限于系统的焦深，且对环境干扰极其敏感。为此，有研究者利用并改进差动共焦技术实现更精准的“猫眼”和“共焦”位置检测。

3、在中国发明专利201010621159.7中，其提出一种差动共焦干涉元件多参数测量的方法。该方法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。

4、在中国发明专利201910319804.0中，其提出一种错位差动共焦干涉元件多参数测量的方法。该方法将高层析、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相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。

5、在中国发明专利201910319735.3中，其提出一种横向相减差动共焦干涉元件多参数测量的方法。该方法同样将高层析、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，并利用自行提出的被测工件移相干涉面形测量技术来测量元件的表面面形，从而实现元件参数的高精度综合测量，有效规避了干涉测量无法测试精磨元件曲率半径等尺寸参数的难题。

6、上述基于差动共焦的元件参数测量方法虽然在一定程度上提升了定焦精度，但由于其定焦过程高度依赖轴向光强信息，在实际多参数综合测量系统中存在难以克服的物理瓶颈。一方面，差动共焦系统在工作时难以避免参考干涉光的实际影响，极易产生信号串扰与畸变；另一方面，当测量低反射率的玻璃表面时，微弱的反射光强会导致信号信噪比急剧下降，严重制约了测量精度的进一步提升。此外，长衍射焦深对各参数测量精度的限制依然存在，且面型与参数测量光路之间的切换与调整也显著增加了系统的复杂度和不稳定性。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的缺点，本发明提出一种干涉共焦定焦及测量球面元件曲率半径与中心厚度的方法，利用干涉共焦探测系统的高精度定位特性实现球面元件曲率半径和中心厚度的测量，本发明还能直接应用在面型测量系统中，进而实现元件参数的高精度综合测量。

2、为了实现上述目的，本发明一种干涉共焦定焦及测量球面元件曲率半径与中心厚度的方法，核心思想是利用干涉共焦探测技术对面形测量激光干涉仪的“猫眼”位置和待测光学元件轴上顶点位置进行精确定位，实现球面曲率半径和中心厚度的测量，同时辅助干涉仪面形测量快速调整。该方法可以在同一干涉仪测量装置上实现光学元件参数的高精度测量，提高测量精度和测量效率。

3、本发明采用的具体技术方案如下：

4、将被测元件置于位移台，使点光源出射的激光经过第一分光棱镜、第一准直透镜和球面标准镜后，形成测量光并照射在所述被测元件上；

5、调整位移台以及被测元件的姿态，使被测元件的光轴与测量光的光轴重合；

6、由被测元件反射回来的光再经过球面标准镜，并与球面标准镜齐明面后表面反射回的参考光一并通过第一准直透镜，再由分光棱镜分两路反射至第二准直透镜，经第二准直透镜得到的平行光入射至第二分光棱镜；

7、经过第二分光棱镜的透射光由面阵相机接收，用于辅助调整光路，反射光则经会聚透镜、针孔和中继成像透镜后，由光电探测器接收，用于检测干涉共焦信号，并由干涉共焦信号测量被测元件表面曲率半径和中心厚度。

8、本发明首次将干涉共焦探测系统和面形干涉测量系统融合，实现光学元件关键尺寸参数的测量，且在多个参数测量过程中，无需调整光路，具有无损伤、测量速度快等优点；本发明可适用于紫外、可见光与红外等不同光学系统几何参数的测量。

9、在一个实施例中，所述点光源，由激光器发出的光，经过光纤和空间滤波器后形成。

10、在一个实施例中，所述被测元件可以为平凸透镜、双凸透镜、平凹透镜、双凹透镜。

11、在一个实施例中，将所述被测元件固定在五维调整架上，将所述五维调整架安装于位移台；所述调整位移台以及被测元件的姿态的方法为：

12、移动位移台，观察面阵相机传输回的图像，调整位移台和五维调整架，改变被测元件的姿态，使被测元件沿光轴运动时，图像上三个光斑保持同心，并使被测元件前表面与球面标准镜之间的距离大于球面标准镜的标称焦距。

13、在一个实施例中，所述检测干涉共焦信号，并由干涉共焦信号测量被测元件表面曲率半径，方法如下：

14、从远处移动位移台使其靠近球面标准镜，读取光电探测器的输出信号，找到第一个呈震荡衰减的干涉共焦信号，并找到第一个干涉共焦信号的主峰，记录该位置的距离信息

z1；

15、继续朝同一方向移动位移台，找到第三个呈震荡衰减的干涉共焦信号，记录移动距离

z01，并找到第三个干涉共焦信号的主峰，记录该位置的距离信息

z3

16、计算被测元件表面的曲率半径

r=|

z3+

z01-

z1|。

17、在一个实施例中，所述检测干涉共焦信号，并由干涉共焦信号测量被测元件中心厚度，方法如下：

18、从远处移动位移台使其靠近球面标准镜，读取光电探测器的输出信号，找到第一个呈震荡衰减的干涉共焦信号，并找到第一个干涉共焦信号的主峰，记录该位置的距离信息

z1；

19、继续朝同一方向移动位移台，找到第二个呈震荡衰减的干涉共焦信号，记录移动距离

z02，并找到第二个干涉共焦信号的主峰，记录该位置的距离信息

z2；

20、计算被测元件的中心厚度，其中，

z=

z2+

z02-

z1，n为标称折射率，r为曲率半径。

21、在一个实施例中，所述干涉共焦信号的主峰，通过如下方法找到：

22、缩小位移台的移动步长，在信号周围重新扫描。

23、在一个实施例中，所述干涉共焦信号的主峰，通过如下方法提取：

24、（a）将光电探测器的输出结果与位移台的移动距离相对应，得到轴向扫描测量过程中的干涉共焦原始总光强序列及其对应的轴向位置坐标序列；

25、（b）计算所述原始总光强序列的算术平均值，并将所述原始总光强序列减去该算术平均值以去除直流偏置分量，从而提取出干涉共焦信号的交流分量序列；

26、（c）对所述交流分量序列进行平方运算，即计算序列中每个采样点幅值的平方，获得表征信号能量分布特征的能量谱序列，公式表述为：；

27、（d）提取所述能量谱序列中的最大幅值，并按预设比例系数计算截断阈值；对所述能量谱序列进行阈值判定：遍历序列中的各采样点，若某采样点的能量值小于所述截断阈值，则将其数值强制置为0；若大于或等于所述截断阈值，则保留其原数值，从而消除低频及背景噪声干扰，获得有效积分能量序列；

28、（e）利用所述轴向位置坐标序列与有效积分能量序列，通过重心法公式计算干涉共焦信号的精准定焦位置，具体计算模型为：计算分子项：将所述轴向位置坐标序列与对应的有效积分能量序列逐点相乘并进行累加求和，得到分子项；计算分母项：对所述有效积分能量序列的所有元素进行累加求和，得到分母项；进行有效性判定及求商运算：若所述分母项为零，则判定当前无有效信号，输出定焦位置；若所述分母项不为零，则定焦位置为所述分子项除以所述分母项的值。

29、

zc是干涉共焦信号的峰值位置与扫描起点位置之间的距离，在上面的描述中，

zc的物理意义与

z1、

z2、

z3等价，均的是峰值与扫描起点之间的距离。

z01、

z02是位移台的移动距离。

30、在一个实施例中，所述预设比例系数为0.2，即。

31、本发明采用斐索干涉型光路，将共焦测量系统直接集成在干涉系统当中，由干涉共焦系统形成的干涉共焦信号测量球面元件表面曲率半径和中心厚度。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

33、1）本发明打破了传统干涉仪与共焦测量仪相对独立的局限，在同一套测量装置上即可同时实现光学元件的球面曲率半径、中心厚度以及表面面形等参数的综合检测，克服了单一系统测量参数有限的缺点，大幅提升了仪器的综合利用率。

34、2）本发明利用干涉共焦探测技术独有的高层析分辨力和高锐度响应特性，对猫眼位置与共焦位置进行精准捕获，显著抑制了传统测量中长衍射焦深对定焦精度的影响，从而保证了元件曲率半径和中心厚度测量结果的高精准度。