技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域， 可用于高精度测量元件的多个参数及 表面面形。 技术背景

在光学精密测量领域中， 对元件各种参数的高精度测量具有重要的意义 。 元件参数的种类很多， 例如球面元件的表面曲率半径、 透镜材料的折射率、 透 镜的中心厚度、 镜组的轴向间隙以及元件的表面面形等， 而这些参数在光学元 件的加工过程中都是非常重要的， 其加工质量的好坏会对光学系统的成像质量 产生较大影响。 特别是在光刻机物镜、 航天相机等高性能光学系统中， 常常对 其内部光学元件的多个参数都有极其严格的要 求。 以光刻机物镜为例， 每个透 镜的表面曲率半径、 中心厚度、 材料折射率的偏差及表面面形的精度下降都会 造成系统的像差增大， 影响系统成像质量。 所以在高性能光学系统中， 每个光 学元件在加工完成后， 都要对其各个参数进行高精度的测量， 以保证其光学性 能。

目前测量各种元件参数的方法及装置已经陆续 出现， 迄今为止已有多种行 之有效的测量方法。

如对球面的曲率半径测量， 目前已有的测量方法有： 球面样板法、 球径仪 法、 自准直法、 干涉仪法、 刀口仪法、 牛顿环法、 激光剪切干涉仪法以及莫尔 偏析法等。 球面样板法和球径仪法属接触测量， 测量方法简单， 零件不需抛光， 但球面样板法只适用于小曲率半径测量， 测量精度受样板面形影响较大， 并且 在接触测量过程中， 因球面磨损和挤压带来测量误差； 自准直法属于非接触测 量， 但零件需要抛光处理， 光路调整较复杂， 调焦和对准难度较大， 会带来测 量过程中的系统误差； 干涉仪法、 刀口仪法、 牛顿环法、 激光剪切干涉仪法以 及莫尔偏析法一般用于大曲率半径的测量。 干涉仪法在测量过程中易受温度、 气流、 振动、 噪声等因素的干扰， 对测量精度影响较大。 2006年在 《红外与激 光工程》上发表的 《干涉显微镜测量小球面曲率半径》， 研究了一种由单幅静态 干涉图测量球面曲率半径的方法。 2005年在 SPIE上发表的 《Radius case study: Optical bench measurement and uncertainty including stage error motion》 中， 米用 干涉仪进行精密定焦实现亚微米级的曲率半径 测量精度。

针对焦距测量， 国内学者提出了新的测量方法， 发表的文献主要包括： 《中 国测试技术》的《泰伯一莫尔法测量长焦距系 统的焦距》； 《光子学报》的《Ronchi 光栅 Talbot效应长焦距测量的准确度极限研究》。此 类技术主要采用了泰伯 -莫尔 法， 利用 Ronchi光栅、 Talbot效应实现定焦， 通过数字信号处理技术测量焦距。

针对透镜折射率和厚度的测量， 国内学者提出了无损的测量方法， 如 《武 汉测绘科技大学学报》 的 《透镜折射率的高精度非接触测量方法》， 《哈尔滨理 工大学学报》 的 《用环形横向剪切干涉仪测量透镜的折射率》 。 此类技术主要采 用了浸液法， SP : 调制不同折射率液体的混合比例使混合液体的 折射率与被测 透镜匹配， 利用阿贝法等方法测量混合液的折射率得到被 测透镜的折射率。 该 方法的测量精度比传统透镜成像测量方法有所 提高， 但其缺点是折射率液的调 配过程繁琐， 厚度需要另行测量， 需要辅助测量设备并且难以实现工程化。 在 国夕卜， Eduardo A. Barbosa 等学者在文献 《 Refractive and geometric lens characterization through multi- wavelength digital speckle pattern interferometry》 ( Optics Communications , 281， 1022 - 1029, 2008 ) 中提出采用多模激光干涉 的方法测量透镜的折射率和厚度。 该方法通过多歩移相， 采集到被测透镜的两 个面的反射光的干涉图样， 计算出透镜折射率和厚度。 该方法测量过程简便， 可以独立测量， 但其缺点是： 数据处理过程繁琐， 并且利用干涉成像， 易受环 境干扰， 测量精度不高。

在对镜组的轴向间隙进行测量的技术中， 较为先进的有： 图像测量法、 白 光共焦法和干涉法。 2005年 《传感器技术》 中发表的 《基于图像测量技术的装 配间隙在线测量研究》一文中， 介绍了一种基于图像测量技术的在线测量方案 ， 将间隙通过光学系统在 CCD摄像机中成的像送交图像测量软件处理和分 析，由 测量软件给出结果。 在镜组装配过程中， 可以实时测量多个透镜之间的轴向间 隙。 但由于受摄像机成像系统、 CCD分辨力、 图像清晰程度和标定系数精确度 等的影响，难以达到较高的测量精度，测量误 差在 0.015mm以内。中国专利"非 接触式光学系统空气间隔测量工作方法及设备 "（专利号： 01133730.3)， 采用干 涉定位的原理， 实现了空气间隔的非接触测量。 在镜组安装过程中， 此方法可 代替接触式测高法来保证镜组内透镜之间的空 气间隔， 通过移动标准镜头， 可 对顺序安装的两透镜上表面顶点实现精确定位 ， 用标准镜头两次定位的移动量 减去后安装上的透镜的厚度即可得到两透镜之 间的空气间隔。 但对于已经装配 完成的镜组则无法深入其内部进行间隙测量。

在面形测量方面， 国外的起歩较早， 具有较为先进的加工及检测技术， 特 别是在光干涉测量领域一直处于世界领先地位 。美国 Zygo公司生产的斐索数字 面形干涉仪可以作为世界标准，并随着需求的 改变在不断地追求技术革新。 Zygo 公司生产的 GPI系列干涉仪， 运用移相干涉原理， 提供高精度的平面面形， 球 面面形， 曲率半径， 样品表面质量， 传输波前的测量和分析。 GPI系列干涉仪采 用精密移相技术和高分辨率 CCD接收器件 （最高可达 2048 X 2048)， 配合功能 强大的 MetroProTM软件可以获得高精确性和高质量的测� �结果， 其平面样品 PV绝对精度优于 λ /100， 球面样品 PV绝对精度优于 λ /140。美国 Wyko公司研 制生产的 Wyko NT9100光学轮廓仪是一款便捷的、 精确的、 实用的非接触三维 形貌测量系统。 它采用双光源照明技术， 可同时实现对超光滑表面和粗糙表面 进行非接触表征， 应用范围涵盖了亚纳米量级粗糙度测量到毫米 尺度台阶高度 测量。 近年来国内高等院校、 科研院所及光电仪器公司在光干涉测量领域也 有 诸多创新。 南京理工贝索光电科技有限公司生产的 CXM-25L、 CXM-25W型号 的小型干涉仪器， 利用斐索干涉原理实现了仪器结构的小型化， 可以测量平面 和球面光学零件， 平面光学零件测试精度为 λ /20， 球面测试精度为 λ /10。 成都 太科光电的 OSI-120SQ激光球面干涉仪最大工作口径 （平面） 120mm， 标准参 照镜表面精度 P-V: 优于 λ /20， 球面参照镜面形精度 P-V: 优于 λ /15 , 测量重 复性精度 P-V: 优于 λ /100, 能实现光学球面的表面面形、 曲率半径、 光学平面 表面面形的测量。

由此可见， 目前虽然已有多种测量元件参数的方法和装置 ， 但存在以下几 个方面的问题： 第一， 上述介绍的某些方法采用的是接触式测量， 如球面样板 法和球径仪法测量球面的曲率半径， 该测量方法会挤压或磨损被测元件表面， 测量精度不高； 第二， 有些测量方法虽然测量精度较高， 但测量过程繁琐、 复 杂， 如浸液法测量透镜折射率， 难以实现工程化； 第三， 以上所述各种方法中 没有一个能对元件的多个参数同时进行高精度 的测量， 如美国 Zygo公司生产的 干涉仪， 虽然能对表面面形进行高精度的测量， 而对其它参数进行测量时， 则 出现定位精度不高等问题。

近年来， 国内外显微成像领域的差动共焦 (共焦)技术快速发展， 该技术以轴 向的光强响应曲线作为评价尺度， 灵敏度高于垂轴方向的评价方法， 并且由于 采用光强作为数据信息， 相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力 。 例如 中国专利"具有高空间分辨率的差动共焦扫描� �测方法" (专利号： 200410006359.6), 其提出了超分辨差动共焦检测方法， 使系统轴向分辨力达到 纳米级， 并显著提高了抗环境扰动能力。

随即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。 如在 《Laser differential confocal radius measurement》 (Optics Express, Vol.18, No.3， 2345 - 2360， 2010 )一文中， 本发明人提出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； 再如中国专利 "基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测� �方法及装 置"（专利号： 201010173084)， 该发明提出了一种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， 该方法利用激光差动共焦响应曲线的绝对零点 来 精确确定被测透镜前表面与光轴交点、 后表面与光轴交点以及有、 无被测透镜 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， 来对被测透镜两球面及参考反射面来进行逐面 光线追迹计算， 继而实现被测透镜的折射率和厚度的高精度无 损测量； 再如中国专利 "差动共 焦镜组轴向间隙测量方法与装置"（专利号： 201010000553)， 该发明提出了一种 差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置， 该方法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。

以上所提出的差动共焦测量方法虽然显著提高 了元件参数的测量精度， 但 都只能测量元件的某个参数， 不能同时测量元件的多个参数， 更不能测量元件 的表面面形。 本发明 "差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置"首� ��提出了 将差动共焦 (共焦)测量技术与干涉测量技术相结合，实现� ��时测量元件的多个参 数及表面面形， 从而大大降低了测量元件多个参数的成本， 且测量精度高， 抗 环境干扰能力强。 发明内容

本发明的目的是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，提出将差动共焦 (共焦：)探测技术和面形干涉测量技术 相结合的方法，利用差动共焦 (共焦)探测系统的高精度定位特性实现球面元� ��表 面曲率半径测量、 透镜顶焦距测量、 透镜折射率及厚度测量以及镜组轴向间隙 测量， 利用面形干涉测量系统实现元件表面面形测量 。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种差动共焦干涉元件多参数测量方 法， 包括以下歩骤： 打开点 光源， 由点光源出射的光经第一分光镜、 准直透镜和会聚透镜后形成测量光束 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 元件反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后 由第一分光镜反射， 射向第二分 光镜， 第二分光镜将光分成两路， 一路进入面形干涉测量系统， 另一路进入差 动共焦测量系统； 通过面形干涉测量系统形成干涉图形， 通过差动共焦测量系 统形成差动共焦响应信号。 由干涉图形测量被测元件的表面面形， 由差动共焦 响应信号测量球面元件表面曲率半径、 透镜顶焦距、 透镜折射率、 透镜厚度及 镜组轴向间隙。

本发明提供了一种差动共焦干涉元件多参数测 量装置， 包括点光源， 其特 征在于： 包括第一分光镜、 准直透镜、 会聚透镜、 第二分光镜、 差动共焦测量 系统、 面形干涉测量系统； 其中， 第一分光镜、 准直透镜、 会聚透镜放置在光 的出射方向， 第二分光镜放置在第一分光镜的反射方向， 由第二分光镜将光分 成两路， 一路进入差动共焦测量系统， 另一路进入面形干涉测量系统。

本发明还提供了一种共焦干涉元件多参数测量 装置， 包括点光源， 其特征 在于： 包括第一分光镜、 准直透镜、 会聚透镜、 第二分光镜、 共焦测量系统、 面形干涉测量系统； 其中， 第一分光镜、 准直透镜、 会聚透镜放置在光的出射 方向， 第二分光镜放置在第一分光镜的反射方向， 由第二分光镜将光分成两路， 一路进入共焦测量系统， 另一路进入面形干涉测量系统； 通过共焦测量系统形 成共焦响应信号， 通过面形干涉测量系统形成干涉图形； 由共焦响应信号测量 球面元件表面曲率半径、 透镜顶焦距、 透镜折射率、 透镜厚度及镜组轴向间隙， 由干涉图形测量被测元件的表面面形。 有益效果- 本发明对比已有技术具有以下主要创新点：

1 . 将差动共焦 (共焦)探测系统和面形干涉测量系统有机结合� �� 可实现元件 多个参数和表面面形的同时测量；

2. 在差动共焦探测系统中， 基于绝对零点过零触发的焦点跟踪测量方法， 实现对元件的精确定位；

3. 在元件多个参数测量过程中， 无需重新调整光路， 拆卸被测元件， 对被 测元件无损伤， 测量速度快等。

本发明对比已有技术具有以下主要优点：

1 . 融合面形干涉和差动共焦 (共焦)定焦技术， 利用面形干涉测量系统测量 元件表面面形， 利用差动共焦 (共焦:)测量系统测量球面元件表面曲率半径、 透镜 顶焦距、 透镜折射率、 透镜厚度以及镜组轴向间隙， 以期实现元件的多参数同 时测量， 提高测量效率；

2. 面形干涉测量与差动共焦 (共焦:)测量属于非接触无损测量方法， 被测元 件不需要进行表面处理， 测量方法简单易行；

3. 利用差动共焦响应曲线的过零点确定目标位置 ，提高了目标的定焦精度;

4. 差动共焦 (共焦)测量系统利用轴向光强响应作为定焦依� ��，显著提高了测 量系统的抗环境干扰能力等。 附图说明

图 1为本发明差动共焦干涉元件多参数测量方法� �示意图； 图 2为本发明差动共焦干涉球面元件表面曲率半� �测量方法的示意图； 图 3为本发明差动共焦干涉透镜顶焦距测量方法� �示意图；

图 4为本发明差动共焦干涉透镜折射率及厚度测� �方法的示意图； 图 5为本发明差动共焦干涉镜组轴向间隙测量方� �的示意图；

图 6为本发明差动共焦干涉元件表面面形测量方� �的示意图；

图 7为本发明差动共焦干涉元件多参数测量装置� �示意图；

图 8为本发明共焦干涉元件多参数测量装置的示� �图；

图 9为本发明差动共焦干涉球面元件表面曲率半� �测量实施例的示意图； 图 10为本发明差动共焦干涉透镜顶焦距测量实施� ��的示意图；

图 11为本发明差动共焦干涉透镜折射率及厚度测� ��实施例的示意图； 图 12为本发明差动共焦干涉镜组轴向间隙测量实� ��例的示意图；

图 13为本发明差动共焦干涉元件表面面形测量实� ��例的示意图；

图 14为本发明共焦干涉球面元件表面曲率半径测� ��实施例的示意图； 图 15为本发明由共焦测量系统探测得到的共焦响� ��曲线；

图 16为本发明由差动共焦测量系统探测得到的差� ��共焦响应曲线； 其中： 1-点光源、 2-第一分光镜、 3-准直透镜、 4-会聚透镜、 5-测量光束、 6-测量光束焦点、 7-干涉准直透镜、 8-图像传感器、 9-面形干涉测量系统、 10- 第二分光镜、 11-第三分光镜、 12-焦前针孔、 13-第一光强传感器、 14-焦后针孔、 15-第二光强传感器、 16-差动共焦测量系统、 17-被测透镜、 18-被测球面元件、 19-平面反射镜、 20-被测透镜前表面、 21-被测透镜后表面、 22-被测镜组、 23- 被测元件、 24-齐明透镜、 25-齐明透镜参考面、 26-环形光瞳、 27-平移台、 28- 机电控制装置、 29-AD采集模块、 30- AD采集模块、 31- AD采集模块、 32-主控 计算机、 33-调整架、 34-焦前显微物镜、 35-焦后显微物镜、 36-激光点光源发生 装置、 37-激光器、 38-光纤、 39-五维调整架、 40-CCD探测器、 41-CCD探测器、 42-CCD 探测器、 43-图像采集卡、 44-图像采集卡、 45-图像采集卡、 46-共焦测 量系统、 47-针孔、 48-光强传感器、 49-被测球面元件表面、 50-显微物镜、 51 -CCD

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一歩说明 。

本发明使用差动共焦 (共焦)探测技术和面形干涉测量技术相融合的� ��法，其 基本思想是利用差动共焦 (共焦：)原理对被测元件进行精确定位，实现� ��镜表面曲 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高精度测量， 利用多歩移相干涉测量原理实现元件面形的高 精度测量。 实施例 1

由差动共焦干涉元件多参数测量装置测量凸球 面的曲率半径时， 如附图 9 所示， 差动共焦干涉元件多参数测量装置， 其测量歩骤是：

(a) 启动主控计算机 32中的测量软件，打开激光器 37，激光器 37所发出的 光经光纤 38传输后形成点光源 1。 点光源 1发出的光经第一分光镜 2、 准直透 镜 3和会聚透镜 4后形成测量光束 5 ;

(b)将被测球面元件 18固定在五维调整架 39上，测量光束 5照射在被测球 面元件表面 49上， 由被测球面元件表面 49反射回来的光通过会聚透镜 4和准 直透镜 3后， 由第一分光镜 2反射， 射向第二分光镜 10， 第二分光镜 10将光分 成两路， 一路进入面形干涉测量系统 9， 另一路进入差动共焦测量系统 16;

(c)通过平移台 27将被测球面元件 18沿光轴移动至测量光束焦点 6与被测 球面元件表面 49的球心位置相接近， 观察 CCD探测器 41中由被测球面元件表 面 49反射回来的光斑， 调整五维调整架 39使光斑中点位于 CCD探测器 41的 中心位置， 此时被测球面元件 18与测量光束 5共光轴；

(d) 主控计算机 32的测量软件通过机电控制装置 28控制平移台 27轴向平 移， 进而带动被测球面元件 18沿光轴方向扫描， 当测量光束焦点 6扫过被测球 面元件表面 49的顶点位置时， 测量软件通过差动共焦测量系统 16探测得到如 附图 16所示的差动共焦响应曲线， 通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确 定测量光束焦点 6与被测球面元件表面 49的顶点位置相重合， 记录此时被测球 面元件 18的位置 Zl = 5.0787mm;

(e) 继续移动被测球面元件 18沿光轴方向扫描， 当测量光束焦点 6扫过被 测球面元件表面 49的球心位置时， 同样能得到如附图 16所示的差动共焦响应 曲线， 测量软件再次通过定位差动共焦响应信号的绝 对零点来确定测量光束焦 点 6与被测球面元件表面 49的球心位置相重合， 记录此时被测球面元件 18的 位置 Z2 = -31.6262mm;

(f) 计算两位置之间的距离 |Z1-Z2| = 36.7049mm， 贝 I」 36.7049mm即为被测 球面元件表面 49的曲率半径 r;

(g) 多次测量被测球面元件表面 49的曲率半径，得到测量的重复精度为 o k = 0.2 μ ηι, 相对测量误差为百万分之 5。

如附图 9所示， 差动共焦干涉元件多参数测量装置， 包括点光源发生装置 36， 依次放在点光源 1出射光方向的第一分光镜 2、 准直透镜 3和会聚透镜 4， 还包括放置在第一分光镜 2反射方向的第二分光镜 10以及由第二分光镜 10分 出来的差动共焦测量系统 16和面形干涉测量系统 9;主控计算机 32与机电控制 装置 28相连接，使其驱动平移台 27带动被测球面元件 18沿光轴方向进行扫描。 当使用该装置测量透镜表面曲率半径时， 使用该系统中的差动共焦测量系 统 16来对被测球面元件表面 49的顶点以及被测球面元件表面 49的球心进行高 精度定位， 进而测得其表面曲率半径。

通常差动共焦测量系统 16有两种形式， 一种为运用针孔探测的差动共焦测 量系统， 另一种为运用显微物镜探测的差动共焦测量系 统。 由于运用显微物镜 探测的差动共焦测量系统较运用针孔探测的差 动共焦测量系统具有装调方便、 易于调整被测透镜的优点， 所以此处采用了运用显微物镜探测的差动共焦 测量 系统。 此时， 进入差动共焦测量系统 16的光由第三分光镜 11分成两路， 一路 通过焦前显微物镜 34成像在 CCD探测器 42上， 另一路通过焦后显微物镜 35 成像在 CCD探测器 41上； 图像采集卡 44采集 CCD探测器 42探测得到的模拟 信号并转换成数字信号，图像采集卡 45采集 CCD探测器 41探测得到的模拟信 号并转换成数字信号， 两路信号同时传输给主控计算机 32， 主控计算机 32将从 CCD探测器 41和 CCD探测器 42采回的两路信号进行差分处理获得差动共焦 信号。

实施例 2

由差动共焦干涉元件多参数测量装置测量凸透 镜顶焦距时，如附图 10所示， 差动共焦干涉元件多参数测量装置， 其测量歩骤是：

(a) 启动主控计算机 32中的测量软件，打开激光器 37，激光器 37所发出的 光经光纤 38传输后形成点光源 1。 点光源 1发出的光经第一分光镜 2、 准直透 镜 3后形成平行光束；

(b)将会聚透镜 4取下， 在准直透镜 3出射的平行光路处放置被测透镜 17， 调整被测透镜 17， 使其与准直透镜 3共光轴， 平行光经被测透镜 17后形成测量 光束 5 ;

(c)将平面反射镜 19固定在五维调整架 39上， 测量光束 5照射在平面反射 镜 19上， 由平面反射镜 19反射回来的光通过被测透镜 17、 准直透镜 3， 由第 一分光镜 2反射， 射向第二分光镜 10， 第二分光镜 10将光分成两路， 一路进入 面形干涉测量系统 9， 另一路进入差动共焦测量系统 16;

(d)通过平移台 27将平面反射镜 19沿光轴移动至测量光束焦点 6与平面反 射镜 19的前表面相接近， 观察 CCD探测器 41中由平面反射镜 19反射回来的 光斑， 调整五维调整架 39使光斑中点位于 CCD探测器 41的中心位置， 此时平 面反射镜 19与测量光束 5的光轴相垂直；

(e) 主控计算机 32的测量软件通过机电控制装置 28控制平移台 27轴向平 移， 进而带动平面反射镜 19沿光轴方向扫描， 当测量光束焦点 6扫过平面反射 镜 19的表面时， 测量软件通过差动共焦测量系统 16探测得到如附图 16所示的 差动共焦响应曲线， 通过定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定 测量光束焦 点 6 与平面反射镜 19 的表面相重合， 记录此时平面反射镜 19 的位置 Zl= 2.1597mm;

(f) 继续移动平面反射镜 19沿光轴方向扫描， 当平面反射镜 19的表面与被 测透镜 17的后顶点相接触时，记录此时平面反射镜 19的位置 Z2= 100.7151mm;

(g)计算两位置之间的距离 |Z1-Z2| = 102.8748mm， 贝 lj 102.8748mm即为被 测透镜 17的顶焦距。

该装置在测量透镜顶焦距时， 首先需要取下会聚透镜 4， 换上被测透镜 17， 且测量时， 差动共焦测量系统 16探测的是由平面反射镜 19反射回来的光。 其 余与实施例 1相同。

实施例 3

由差动共焦干涉元件多参数测量装置测量 K9平凸透镜的折射率与厚度时， 如附图 11所示， 差动共焦干涉元件多参数测量装置， 其测量歩骤是：

(a) 启动主控计算机 32中的测量软件，打开激光器 37，激光器 37所发出的 光经光纤 38传输后形成点光源 1。 点光源 1发出的光经第一分光镜 2、 准直透 镜 3和会聚透镜 4后形成测量光束 5 ;

(b)将被测透镜 17固定在五维调整架 39上， 将平面反射镜 19固定在被测 透镜 17后方， 调整被测透镜 17， 使其与测量光束 5共光轴， 调整平面反射镜 19， 使其与测量光束 5的光轴相垂直；

(c) 主控计算机 32的测量软件通过机电控制装置 28控制平移台 27轴向平 移， 进而带动被测透镜 17和平面反射镜 19同时沿光轴方向扫描， 当测量光束 焦点 6扫过被测透镜前表面 20时， 测量软件通过差动共焦测量系统 16探测得 到如附图 16所示的差动共焦响应曲线， 通过定位差动共焦响应信号的绝对零点 来确定测量光束焦点 6与被测透镜前表面 20相重合， 记录此时平移台 27的位 置 Z1 ;

(d) 继续沿光轴方向移动被测透镜 17和平面反射镜 19， 当测量光束焦点 6 扫过被测透镜后表面 21 时， 同样能得到如附图 16所示的差动共焦响应曲线， 测量软件再次通过定位差动共焦响应信号的绝 对零点来确定测量光束焦点 6 与 被测透镜后表面 21相重合， 记录此时平移台 27的位置 Z2;

(e) 继续沿光轴方向移动被测透镜 17和平面反射镜 19， 当测量光束焦点 6 扫过平面反射镜 19的表面时， 同样能得到如附图 16所示的差动共焦响应曲线， 测量软件再次通过定位差动共焦响应信号的绝 对零点来确定测量光束焦点 6 与 平面反射镜 19的表面相重合， 记录此时平移台 27的位置 Z3 ;

(f) 移除被测透镜 17， 沿光轴方向移动平面反射镜 19， 测量软件再次通过 定位差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量 光束焦点 6与平面反射镜 19的表 面相重合， 记录此时平移台 27的位置 Z4;

(g)由歩骤 c、 d、 e、 f得到的位置 Zl、 Z2、 Z3、 Z4， 结合被测透镜前表面 20的曲率半径 rl、 被测透镜后表面 21 的曲率半径 r2、 会聚透镜 4的焦距 fl及 光瞳半径 R， 使用光线追迹的方法精确获得被测透镜 17的折射率 n和厚度 d。

所述使用光线追迹的方法精确获得被测透镜 17的折射率 n和厚度 d的具体 歩骤为：

K9平凸透镜的已知参数为：标称折射率 nl=1.51466，标称厚度 d=4.000mm， 曲率半径为 rl=∞， r2=90.7908mm。使用的会聚透镜 4的最大通光口径 D=96mm， 焦距 fl'=350mm。 用 X80激光干涉仪用于测量平移台 27的轴向位移。

测量结果为： 位置 Zl=-9.34530mm， 位置 Z2=-6.71712mm， 位置 Z3=-0.02176mm, 位置 Z4=1.09363mm。 计算得到透镜的折射率 nl=1.51499， 其 与透镜标称折射率差值为 δη=1.51499-1.51466=0.00033， 其相对误差 Δδη=(0.00033/1.51466)χ 100%^0.02% _; 计算得到透镜的厚度 d=3.996mm， 其与 透 镜 标 称 折 射 率 差 值 为 Sd=4.000-3.996=0.004 ， 其 相 对 误 差 Δδη=(0.004/4.000)χ100%=0.1 %。

该装置在测量透镜折射率和厚度时， 与实施例 1不同的是， 需用测量光束 5 对被测透镜的前表面顶点、 后表面顶点以及有透镜时平面反射镜 19的表面位置 和无透镜时平面反射镜 19的表面位置这四个位置进行高精度定位， 进而使用光 线追迹的方法实现对被测透镜 17的折射率 η和厚度 d的高精度测量。

实施例 4

由差动共焦干涉元件多参数测量装置测量两片 透镜镜组的轴向间隙时， 如 附图 12所示， 差动共焦干涉元件多参数测量装置， 其测量歩骤是：

(a) 启动主控计算机 32中的测量软件，打开激光器 37，激光器 37所发出的 光经光纤 38传输后形成点光源 1。 点光源 1发出的光经第一分光镜 2、 准直透 镜 3和会聚透镜 4后形成测量光束 5 ;

(b) 在测量软件中输入被测镜组 22 的参数， 曲率半径从左往右依次为： rl=195.426mm、 r2= -140.270 mm, r3= -140.258 mm, r4= - 400.906 mm, 折射率 从左往右依次为： n0=l , nl=1.5143 , n2=l , n3=1.668615;

(c)将被测镜组 22固定在五维调整架 39上，测量光束 5照射在被测镜组 22 上， 由被测镜组 22光学表面反射回来的光通过会聚透镜 4、 准直透镜 3， 由第 一分光镜 2反射， 射向第二分光镜 10， 第二分光镜 10将光分成两路， 一路进入 面形干涉测量系统 9， 另一路进入差动共焦测量系统 16;

(d)通过调整五维调整架 39， 使被测镜组 22与测量光束 5共光轴， 避免因 光轴偏移而引起的测量误差；

(e) 主控计算机 32的测量软件通过机电控制装置 28控制平移台 27轴向平 移，进而带动被测镜组 22沿光轴方向扫描，差动共焦测量系统 16通过探测 CCD 探测器 41与 CCD探测器 42的差动响应信号的绝对零点值来确定测量光� ��焦点 6与被测镜组 22内透镜的各表面顶点相重合， 并依次记录各重合点处平移台 27 的位置坐标 Z1〜Z4， 测得 Zl=0.16215 mm， Z2=-7.8946 mm, Z3= -8.2271 mm, Z4= -14.5258 mm;

(f) 主控计算机 32中的测量软件结合被测镜组 22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：

― /、 · ―

a = < _j + arcsm (― ―—— - · sm < _j ) - arcsm(— ^ ·― ―—— - · sm _ )

" n _n r _n "

₇ / n„ , sin< „ , ₇ / 、

k = ^ +——— ^ · (/„-! —d _n _「

sin a _n n = 1,2,3 式中已知参数包括测量光束 5的数值孔径角 oc0、被测镜组 22内两个单片透 镜的各表面曲率半径 rl〜r4、折射率 ηθ〜！ ι3和测得的四个位置坐标 Z1〜Z4; 初始 条件为： o O'=o O， 10'=|zn+l-zl |， 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= In o 带入参数可得两透镜之间的轴向间隙 d=0.3178mm。

该装置在测量镜组的轴向间隙时， 与实施例 1 不同的是， 需用测量光束 5 对被测镜组的各个光学表面顶点进行高精度定 位， 进而使用光线追迹方法实现 对被测镜组的轴向间隙的高精度测量。

实施例 5

由差动共焦干涉元件多参数测量装置测量元件 表面面形时，如附图 13所示， 差动共焦干涉元件多参数测量装置， 其测量歩骤是：

(a) 启动主控计算机 32中的测量软件，打开激光器 37，激光器 37所发出的 光经光纤 38传输后形成点光源 1。 点光源 1发出的光经第一分光镜 2、 准直透 镜 3后形成平行光束；

(b) 将会聚透镜 4取下， 根据不同的被测元件 23表面选择不同的齐明透镜 24， 在准直透镜 3出射的平行光路处装上齐明透镜 24， 调整齐明透镜 24与准直 透镜 3共光轴， 平行光照射在齐明透镜 24上时， 齐明透镜参考面 25将部分光 沿原光路反射回去；

(c)将被测元件 23固定在五维调整架 39上， 通过五维调整架 39调整被测 元件 23， 使其与测量光束 5共光轴。 光照射在被测元件 23的表面上， 部分光被 被测元件 23的表面所反射， 反射回的光与齐明透镜参考面 25返回的光发生干 涉， 这两束干涉光通过准直透镜 3后由第一分光镜 2反射， 射向第二分光镜 10， 第二分光镜 10将光分成两路， 一路进入面形干涉测量系统 9， 另一路进入差动 共焦测量系统 16;

(d) 如果被测元件 23表面为凹球面或凸球面，则通过平移台 27将被测元件 23移动至测量光束焦点 6与被测元件 23表面的球心位置相重合处，调整五维调 整架 39直至通过 CCD探测器 40可观察到清晰的干涉条紋。 如果被测元件 23 表面为平面， 则直接调整五维调整架 39直至通过 CCD探测器 40可观察到清晰 的干涉条紋；

(e)通过四歩移相方式沿轴向移动齐明透镜 24， 主控计算机 32的测量软件 通过 CCD探测器 40采得四幅干涉图形， 并用相位解包裹算法解出被测元件 23 的表面面形。

该装置在测量元件表面面形时， 与实施例 1不同的是， 需将会聚透镜 4取 下， 换上齐明透镜 24， 且测量时， 主要使用该装置的面形干涉测量系统 9， 运 用四歩移相法， 对所测得的干涉图形进行相位解包裹计算， 测得被测元件 23的 表面面形。

该系统中的面形干涉测量系统 9， 包括干涉准直透镜 7和 CCD探测器 40; 干涉准直透镜 7将干涉光束准直后照射在 CCD探测器 40上形成干涉图像， CCD 探测器 40将探测得到的干涉图像通过图像采集卡 43输入主控计算机 32的测量 软件， 由测量软件解出被测元件 23的表面面形。 由共焦干涉元件多参数测量装置测量凸球面的 曲率半径时，如附图 14所示， 共焦干涉元件多参数测量装置。 该装置与实施例 1 中使用的差动共焦干涉元件 多参数测量装置所不同的是： 其差动共焦测量系统 16被共焦测量系统 46替换， 装置的其余部分与实施例 1 相同。 使用该装置测量凸球面的曲率半径的测量歩 骤与实施例 1不同的是： 该装置通过共焦测量系统 46探测得到如附图 15所示 的共焦响应曲线的最大值来确定测量光束焦点 6与被测球面元件表面 49的顶点 位置和被测球面元件表面 49相重合， 其余歩骤与实施例 1相同。

由共焦干涉元件多参数测量装置测量凸透镜顶 焦距时， 其装置与附图 10所 示实施例 2 中使用的差动共焦干涉元件多参数测量装置所 不同的是： 其差动共 焦测量系统 16被共焦测量系统 46替换， 装置的其余部分与实施例 2相同。 使 用该装置测量凸透镜顶焦距的测量歩骤与实施 例 2不同的是： 该装置通过共焦 测量系统 46探测得到如附图 15所示的共焦响应曲线的最大值来确定测量光� �� 焦点 6与平面反射镜 19的表面相重合， 其余歩骤与实施例 2相同。

由共焦干涉元件多参数测量装置测量平凸透镜 的折射率与厚度时， 其装置 与附图 11 所示实施例 3 中使用的差动共焦干涉元件多参数测量装置所 不同的 是： 其差动共焦测量系统 16被共焦测量系统 46替换， 装置的其余部分与实施 例 3相同。 使用该装置测量平凸透镜的折射率与厚度的测 量歩骤与实施例 3不 同的是： 该装置通过共焦测量系统 46探测得到如附图 15所示的共焦响应曲线 的最大值来确定测量光束焦点 6与被测透镜的前表面顶点、 后表面顶点以及有 透镜时平面反射镜 19的表面位置和无透镜时平面反射镜 19的表面位置相重合， 其余歩骤与实施例 3相同。

由共焦干涉元件多参数测量装置测量两片透镜 镜组的轴向间隙时， 其装置 与附图 12所示实施例 4 中使用的差动共焦干涉元件多参数测量装置所 不同的 是： 其差动共焦测量系统 16被共焦测量系统 46替换， 装置的其余部分与实施 例 4相同。 使用该装置测量两片透镜镜组的轴向间隙的测 量歩骤与实施例 4不 同的是： 该装置通过共焦测量系统 46探测得到如附图 15所示的共焦响应曲线 的最大值来确定测量光束焦点 6与被测镜组的各个光学表面顶点相重合， 其余 歩骤与实施例 4相同。

由共焦干涉元件多参数测量装置测量元件表面 面形时， 其装置与附图 13所 示实施例 5 中使用的差动共焦干涉元件多参数测量装置所 不同的是： 其差动共 焦测量系统 16被共焦测量系统 46替换， 装置的其余部分与实施例 5相同。 使 用该装置测量元件表面面形的测量歩骤与实施 例 5完全相同。 此实施例通过一系列的措施实现了同时对元件 多个参数进行高精度测量以 及对元件表面面形进行测量。 且在整个测量过程不接触被测元件， 无需重新调 整光路， 拆卸被测元件， 测量精度高、 速度快。

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。