現今，無論是工業界還是人們日常生活中，無不需要使用大量的光學鏡組組件，例如一些先進的激光切割或掃描設備、高分辨率攝影器材、眼鏡等。隨著應用的復雜性和精度要求的提升，對鏡組組件尤其是頻繁使用的球面鏡的加工精度要求也隨之提高。這意味著用于檢測相關組件參數的檢測儀器的精度和效率也必須進一步提高。北京理工大學成功研發的激光差動共焦干涉組件參數測量儀器，是全球首臺能夠對球面光學元件同時進行多種參數高精度綜合測量的儀器，它不僅免除購買多臺測量儀器的需要，而且大幅減少測量中因更換儀器而反復裝調的時間。雷尼紹的XL-80系列激光干涉儀作為其中的核心組件之一，為測量儀提供穩定可靠的測長數據。
工作原理
球面鏡(透鏡表面是球面的一部分)被廣泛應用于工業、科研等范疇，特別是半導體制程中的光刻機、航天攝像系統、望遠鏡等對內部光學組件有極嚴格要求的應用，每個組件的微小加工誤差對系統的成像質量都有著極大的影響(球面鏡圖解如圖1所示,)。在北京理工大學成功開發激光差動共焦干涉組件測量儀之前，市場上沒有能同時進行相關參數測量的儀器。在解釋測量儀器的結構和工作原理時，北京理工大學光電學院教授趙維謙教授說：“我們應客戶的要求來定制不同規格配置的測量儀器，基本機構主要由差動共焦干涉測量主機(包含差動共焦干涉光路)、標準透鏡、氣浮導軌、多維調整架、機電移動平臺和雷尼紹XL-80激光干涉儀組成。差動共焦干涉測量主機向被測鏡射出測量光束并聚于標準透鏡焦點處，被測透鏡通過多維調整架架設在氣浮導軌上，由機電移動平臺帶動調整架與被測透鏡沿光軸方向移動。當測量光束匯聚點與被測透鏡前表面頂點或后表面頂點重合時，光束由被測鏡表面反射，沿路返回進行數據分析，同時測長激光干涉儀(XL-80)實時采集被測透鏡的位置坐標數據。”該測量儀器的系統工作原理如圖2所示，所使用的二維調整工作臺如圖3所示。
圖1. 球面鏡圖解
圖2. 系統工作原理
圖3. 二維調整工作臺
趙維謙教授說：“該技術的重點就是將激光差動共焦測量技術與面形干涉測量技術有機融合，設計并構建一臺對球面鏡組組件進行綜合參數測量的系統。該系統一方面利用差動共焦強度響應特性曲線的零點位置，對被測組件進行精確定位，實現對透鏡的表面曲率半徑、焦距、折射率、厚度和鏡組軸向間隙的高精度測量;另一方面則利用多歩移相干涉測量技術實現對組件面形的高精度測量。”以下是幾個典型參數的測量原理：
• 曲率半徑：通過差動共焦系統精確定位被測球面表面的頂點和球心，計算這兩點之間的距離;
• 厚度/折射率：精確定位被測透鏡前表面與光軸交點、后表面與光軸交點以及有無被測透鏡時測量鏡的位置，然后利用測量鏡的位置和預先測得的測量鏡的曲率半徑等，對被測透鏡兩球面及參考反射面進行逐面光線追跡計算，繼而實現被測透鏡的折射率和厚度的高精度測量;
• 元件面形：面形干涉測量系統配合參考光束移相，測得多幅被測組件反射回來的光與參考光束形成的干涉圖像，并通過移相算法處理干涉圖像，得到被測組件的表面面形;
• 焦距：精確定位被測透鏡的焦點，測量被測透鏡的焦點與被測透鏡后頂點的距離;
• 軸向間隙：精確定位被測鏡組內透鏡各表面的頂點，然后結合測量光束的數值孔徑角、被測鏡組內各表面的曲率半徑和各透鏡的折射率，通過光線追跡的方法獲得被測鏡組內各透光表面之間的軸向間隙。
產品優勢
業界早已存在多種測量球面組件參數的方法，部分領域如面形測量，國外廠商的技術早已十分成熟，市場上也不乏測量個別參數的高端儀器，產地大多來自歐美地區，但價格十分昂貴。北京理工大學當初就是看到業界有提升測量效率的必要，從而開發出多功能和高性價的相關測量儀器。他們的激光差動共焦干涉測量儀的優勢在于能夠在同一臺儀器上同時進行多個參數測量，這意味著可以大幅降低用戶購買不同儀器的支出，同時減少因更換儀器重新進行裝調所花費的時間。其非接觸式測量更避免了擠壓或磨損被測鏡組組件表面，而且裝調簡便，測量新參數時無需拆卸被測組件和重新調整光路，而統一的參數溯源體系也提升了數據的可靠性。測量儀器的大部分關鍵零部件，包括氣浮回轉軸、多維工作臺和直線導軌等精密運動部件以及激光差動共焦干涉主機等，均由北京理工大學自主研發，獲得多項國家發明專利。測量儀精度規格屬國際水平，如測量一個約5mm厚度的鏡組組件，誤差僅0.75µm。
業界廣泛認可的雷尼紹XL-80激光干涉儀
雷尼紹設計、制造和提供激光系統已有超過25年的歷史。XL-80正是雷尼紹多年設計和制造經驗的結晶，具有真正領先的系統性能和操作優點，XL-80、XC-80及使用的傳感器如圖4所示。趙維謙教授說：“之所以選擇XL-80系列，是因為它是市場上為數不多能夠同時提供精度性能和穩定可靠性的激光干涉儀。事實上，雷尼紹多年來都是國際測量界公認的權威指標之一，無論在規格還是系統穩定性層面均給予我們充足的信心。”XL-80激光頭可以產生非常穩定的激光光束，采用的波長可溯源至國家和國際標準。精確穩定的激光源和準確的環境補償，保證了±0.5ppm的線性測量精度。可以高達50kHZ頻率讀取數據，最高線性測量速度可達4m/s，即使在最高速度下線性分辨率仍可達1nm。不僅僅是直線測量，所有測量選項(如回轉軸)均采用干涉法測量，使用戶對記錄數據的精度有信心。
圖4. 雷尼紹的XL-80、XC-80及傳感器
XL-80激光干涉儀作為球面組件測量儀的核心組件之一，在系統兼容性方面也十分出色，允許測量數據與客戶端系統進行整合。在開發軟件過程中，北理工工程師編程時就是通過使用XL-80專屬動態連接函數庫，把實時數據從XL-80激光干涉儀整合到自家的系統里。趙教授繼續說：“事實上雷尼紹提供眾多的分析軟件功能已足夠強大，不過這項功能卻能把實時測量數據完美地整合到我們自主設計的分析軟件中，讓我們在開發定制儀器時的靈活性更大。另外，在系統整合調試過程中難免需要與供貨商進行緊密溝通，雷尼紹在售后服務方面做得也非常到位，工程師們都十分愿意花時間與我們討論相關技術問題，為我們提供寶貴、專業的建議。”
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