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专题亮点｜一“仪”在手，多“参”皆有：激光差动共焦干涉仪

球面元件的曲率半径、厚度、折射率、焦距和面形等多参数的高精度、共基准综合测量，是元件超精密制造的迫切需求。北京理工大学赵维谦教授团队提出激光差动共焦干涉元件多参数测量系列新方法，发明并研制成功了激光差动共焦干涉元件多参数测量仪，在此仪器上实现了球面元件综合参数的高精度、共基准、高效率测量，可应用于球面光学/机械元件的高精度加工检测和计量校准等。

1.研究背景 

超精密球面光学/机械元件因其优异的加工性能而在激光核聚变装置、极紫外光刻物镜、高端手机/车载成像镜头模组等光学系统和航空发动机、惯导仪表以及精密轴承等机械系统中广泛应用，其曲率半径、厚度、折射率、焦距和面形等多种参数共同决定了元件本身的性能指标，进而在很大程度上决定了系统的整体性能。
专题亮点｜一“仪”在手，多“参”皆有：激光差动共焦干涉仪
图1 超精密球面光学/机械元件的典型应用
球面元件参数的测量精度直接决定了加工精度的上限。然而，以往的方法难以实现球面光学元件多参数的高精度共基准综合测量，其普遍存在的共性问题在于：
1）难以突破被测表面的高分辨精准层析定焦瓶颈；
2）难以突破抗表面散射和抗环境扰动的抗干扰测量瓶颈；
3）难以突破多参数共基准综合测量瓶颈。
针对上述三点共性问题，北京理工大学赵维谦教授课题组自2009年便首次提出了激光差动共焦超长焦距测量方法；之后陆续提出激光差动共焦干涉高精度测量系列新方法[1–11]。迄今为止，该课题组在此研究领域的发展一直处于领先位置，因此本文以赵维谦教授课题组的研究成果为基础，系统介绍了其所提出的激光差动共焦干涉元件参数系列测量方法及其仪器化研究进展，分析了目前存在的问题，展望了未来的发展趋势。

2.激光差动共焦-干涉高精度测量技术及仪器

激光差动共焦-干涉高精度测量原理光路如图2所示，点光源发出的光经偏振分光镜PBS和λ/4波片后由准直镜准直为平行光束，再由标准镜会聚成测量光束照射在被测元件的表面。元件反射的测量光束被BS1透射和反射，分别进入差动共焦探测模块和移相干涉探测模块，实现球面元件多参数高精度测量。从图2可以看出，激光差动共焦响应曲线具有绝对零点且精确对应测量光束的焦点，因而相比于传统共焦定焦或干涉定焦技术具有更高的层析定焦分辨力和抗散射、抗扰动能力[1]。
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图2 激光差动共焦-干涉元件参数测量原理光路
基于图2所示的激光差动共焦-干涉高精度测量原理光路，激光差动共焦-干涉球面元件综合参数测量方法如图3所示。在面形测量方面（图3b），采用高精度机械移相干涉测量技术实现面形测量[1]；在曲率半径测量方面（图3c），利用差动共焦技术精确定焦球面的猫眼位置和共焦位置，二者之差即被测曲率半径[3-5]；在超大曲率半径测量方面（图3d），精确定焦被测镜猫眼位置和猫眼-猫眼反射位置（测量光束经过被测镜反射聚焦在物镜后表面顶点），利用几何光束追迹模型实现超大曲率半径“以小测大”高精度测量[6,7]；在透镜顶焦距测量方面（图3e），定焦被测镜的焦点位置和1/2焦距位置，进而实现焦距测量[8]；在超长焦距测量方面（图3f），定焦有/无被测镜时组合透镜的焦点位置，利用几何光束追迹模型实现超长焦距“以小测大”高精度测量[2,9]；在透镜厚度及折射率测量方面（图3g,h），对被测透镜的前后表面进行层析定焦，进而根据几何光束追迹模型实现厚度或折射率的高精度测量[10,11]。
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图3 激光差动共焦干涉多参数测量。(a)差动共焦干涉测量光路；(b) 干涉球面面形；(c)曲率半径；(d) 超大曲率半径；(e)焦距；(f)超长焦距；(g)厚度；(h)折射率 
基于图2及图3所示原理，发明并研制成功了图4所示的激光差动共焦干涉高精度测量仪器，其包括激光差动共焦干涉高精度测量主机、机械移相系统、五维自动调整工作台、扫描测长系统和控制系统等。该仪器目前已交付多家单位使用，为球面元件的加工检测和计量校准提供了重要手段。
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图4 激光差动共焦干涉高精度测量仪器

3.总结及展望 

激光差动共焦干涉高精度测量技术突破了高精度层析定焦、抗表面粗糙散射及环境扰动和多参数共基准综合测量等现有球面光学元件参数测量所面临的共性技术瓶颈，首次在同一激光差动共焦干涉高精度测量仪器上实现了球面光学元件曲率半径/超大曲率半径、焦距/超长焦距、厚度、折射率和面形等多参数的高精度共基准测量，为我国高端球面光学/机械元件的超精密加工检测提供了重要技术手段。后续可在实现全自动化测量、抗环境扰动测量和多领域推广应用这三个方面继续进行研究。

参考文献：

[1] Zhao W Q, Qiu L R, Xiao Y, et al. Laser differential confocal interference multi-parameter comprehensive measurement method and its system for spherical lens[J]. Optics Express, 2016, 24(20): 22813-22829.

[2] Zhao W Q, Sun R D, Qiu L R, et al. Laser differential confocal ultra-long focal length measurement[J]. Optics Express, 2009, 17(22): 20051-20062.

[3] Zhao W Q, Sun R D, Qiu L R, et al. Laser differential confocal radius measurement[J]. Optics Express, 2010, 18(3): 2345-2360.

[4] Li J J, Tang L; Li Q, et al. Laser transverse dual differential confocal radius measurement with high efficiency and high precision[J]. Optics Express, 2022, 30(14): 24481-24496.

[5] Tang S, Li Y H, Qiu L R, et al. High-precision laser transverse differential confocal radius measurement method[J]. Optics Express, 2021, 29 (19): 29960-29971.

[6] Li Z G, Qiu L R, Zhao W Q, et al. Laser differential confocal ultra-large radius measurement for convex spherical surface[J]. Optics Express, 2016, 24(17), 19746-19759.

[7] Xiao Y, Qiu L R, et al. Laser reflection differential confocal large-radius measurement for concave surfaces[J]. Applied Optics, 2018, 57(23):6693-6698.

[8] Yang J M, Qiu L R, Zhao W Q, et al. Laser differential reflection-confocal focal-length measurement[J]. Optics Express, 2012, 20(23): 26027-26036.

[9] Li Z G, Qiu L R, Zhao W Q, et al. Laser multi-reflection differential confocal long focal-length measurement[J]. Applied Optics, 2016, 55(18): 4910-4916.

[10] Wang Y, Qiu L R, Song Y X, et al. Laser differential confocal lens thickness measurement[J]. Measurement Science and Technology, 2012, 23(5): 055204.

[11] Zhao W Q, Wang Y, Qiu L R, et al. Laser differential confocal lens refractive index measurement[J]. Applied Optics, 2011, 50(24): 4769-4778.

团队简介

专题亮点｜一“仪”在手，多“参”皆有：激光差动共焦干涉仪

北京理工大学激光差动共焦精密测量技术团队（团队负责人：“长江学者奖励计划”特聘教授 赵维谦教授）依托复杂环境智能感测技术工信部重点实验室和精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，长期从事精密光电测试技术与仪器研究，以国家重大需求为导向，成功研制了激光差动共焦光谱显微镜、激光差动共焦干涉元件多参数测量仪、大口径差动共焦干涉仪和高精度自由曲面测量仪等系列激光差动共焦新原理仪器，在国家重大专项工程推进、国家计量标准装置研建等中发挥关键作用。近年来，团队研究成果获得2018年度国家技术发明二等奖、2019年度部级技术发明一等奖、2017年度及2021年度中国计量测试学会科学技术进步奖（基础类）一等奖等奖项。
科学校对｜杨帅；赵维谦
编辑｜李笑玲

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