后置分光瞳差动共焦曲率半径测量

后置分光瞳差动共焦曲率半径测量 Detecting divided aperture laser differential confocal radius measurement first-author corresp E-mail： qiugrass@126.com E-mail： qiugrass@126.com qiugrass@126.com 北京理工大学 光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室， 北京 100081 北京理工大学 光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室， 北京 100081 Beijing Key Lab for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology， School of Optics and Photonics， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China Beijing Key Lab for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology， School of Optics and Photonics， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China 为了提高曲率半径的测量精度，提出后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量新方法。本文对后置分光瞳差动共焦测量原理、虚拟针孔定位算法进行研究。首先，在共焦测量系统的探测光路中通过D型光阑遮挡，使一半测量光束聚焦在焦面探测CCD，接着，采用虚拟针孔定位算法对该CCD探测的艾里斑进行分割焦斑差动相减归一化探测，然后利用差动共焦曲线的零点对被测件的“共焦”位置和“猫眼”位置进行精确定焦并测得它们之间的距离，最终实现曲率半径的高精度测量。实验和分析表明：该方法测量曲率半径为 - 121.209 4 mm，测量重复性优于5×10 -6 ，而且无需根据测量物镜和被测镜的参数进行硬件调整。不仅满足曲率半径高精度测量需求，还实现光路结构的简化和研制装调成本缩减，为曲率半径高精度、快捷测量提供新途径。 In order to improve the measurement accuracy of curvature radius， a new method of detecting divided aperture laser differential confocal radius measurement is proposed. In this paper， the principle of this new measurement and the algorithm of virtual pinhole positioning are studied. Firstly， the detection light path of the confocal measurement system is blocked by a D-type aperture， so that half of the measurement beam is focused on the focal plane detection CCD. Next， the Airy disk detected by the CCD is divided into focal spot differential subtraction normalized detection using the virtual pinhole positioning algorithm， and then use the zero point of the differential confocal curve to accurately determine the focus of the "confocal" position and the "cat's eye" position of the test lens and measure the distance between them. Finally a high-precision measurement of the radius of curvature is achieved. Experiments and analysis show that the radius of curvature measured by this method is -121.209 4 mm， and the repeatability is better than 5×10 -6 ， and there is no need to adjust the hardware according to the parameters of the measuring objective lens and the tested lens. It not only meets the requirements for high-precision measurement of the radius of curvature， but also realizes the simplification of the optical path structure and the reduction of the cost of structure and adjustment， providing a new way for high-precision and quick measurement of the radius of curvature. 分光瞳 曲率半径 虚拟针孔 差动共焦 单路离轴探测 Divided aperture Radius of curvature Virtual pinhole Differential confocal Single-channel off-axis detection 1 引　言 1 在光学测量领域，球面光学元件作为光刻机、惯性约束核聚变装置等大型光学系统中应用十分广泛的光学器件，其曲率半径检测精度将决定元件本身是否合格以及系统整体性能的优劣。随着技术的不断发展，球面光学元件曲率半径的检测除了保证较高的精度（10 -5 量级）之外，还必须简便、高效、低成本，如何以较低的成本实现球面光学元件的曲率半径进行高精度检测具有重要意义。 目前，曲率半径测量方法可分为接触式和非接触式两大类。接触式测量方法包括球径仪法 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 、三坐标法 ［ 3 3 ］ 和轮廓仪法 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ 等，这些方法精度相对较低，并且测量速度较慢，而且会对元件表面造成损伤，导致元件废品率上升。非接触式测量方法可进一步分为干涉法和非干涉法。非干涉法由于受衍射极限的制约，测量精度仅能达到10 -4 ，如刀口法和自准直仪法等 ［ 6 6 ］ 。相比而言，干涉法具有更高测量精度，是目前应用最广泛的一类方法。随着研究的深入，基于牛顿干涉法 ［ 7 7 ］ 、F-P干涉法 ［ 8 8 ， 9 9 ］ 、泰伯-莫尔条纹干涉法 ［ 10 10 ］ 以及菲索干涉法 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ 曲率半径测量方法被提出。 目前最为常用且成熟的曲率半径测量仪器是ZYGO公司的菲索干涉仪，其利用机械移相分别对被测球面的猫眼位置和共焦位置进行定焦，进而得到待测曲率半径。共焦法 ［ 13 13 ］ 是基于菲索干涉光路，其测量的相对标准差为2×10 -5 ，然而衍射极限限制了共焦法的测量精度。本课题组于2010年提出了非干涉的激光差动共焦曲率半径测量方法 ［ 14 14 ］ ，其基于差动共焦法研究出针对凹、凸曲率半径 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 以及特殊光学元件 ［ 17 17 - 19 19 17-19 ］ 的测量方法。然而，传统差动共焦法使用两路离焦量大小相等、方向相反的针孔和探测器，同时两个探测器的响应特性必须保持一致，对测量结果带来较大的误差，既增加了系统的造价成本，也增加了系统装调、校准的难度和所需时间。 为此，本文提出后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量的新方法（DDA-LDCRM），借助D型光阑将原先的轴向双路离焦探测转化为焦平面上的单路离轴探测，通过算法实现虚拟针孔位置的选取，实现元件曲率半径的差动测量。与传统差动共焦法（LDCRM）相比，在保证测量精度的前提下，减少一路探测系统，使得光路结构大大简化，同时避免了复杂且耗时的系统装调过程，降低了系统造价成本。 2 后置分光瞳曲率半径测量原理 1 后置分光瞳差动共焦测量原理如 图1 图1 所示。点光源S出射的光经过分光镜PBS和 λ /4波片后被准直镜Lc准直为平行光，平行光束入射汇聚镜Ls后形成会聚的测量光束，当测量光束聚焦在被测透镜的猫眼位置Cat’s Eye A和共焦位置Confocal B时，其反射光束依次经过汇聚镜、准直镜和 λ /4波片后被分光镜反射，形成探测光束。探测光束被D型光阑D-type Aperture （DA）遮挡一半，透过的一半测量光束会聚在显微物镜Microscope objective（MO）的物平面上，并被显微物镜以放大率 β 放大成像在CCD探测面上，在探测器平面上设置两个圆形探测区域vph 1 和vph 2 ，对称地设置在坐标原点的两侧，探测到焦前、焦后位置的轴向光强响应并作差动处理。差动共焦相应曲线的零点精确对应被测球面元件的猫眼位置和共焦位置，利用激光干涉仪精确测得被测镜表面猫眼点和共焦点的轴向坐标 Z A 和 Z B ，这二者的间距 <math id="M1"><mi>d</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>z</mi></mrow><mrow><mi>A</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>z</mi></mrow><mrow><mi>B</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248801&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248800&type= 18.37266731 3.72533321 即为曲率半径R。 在CCD探测平面上设置两个关于光轴对称的圆形区域vph 1 、vph 2 ，其差动光强响应函数 I diff （ u ）为： <math display="block" id="M2"><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>u</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>u</mi><mo 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与传统差动共焦曲率半径测量方法相比，本方法采用位于焦平面的CCD探测，通过软件设置虚拟针孔实现对焦前、焦后位置的光强探测，可通过算法计算出CCD像面的像素位置坐标，使得选取虚拟针孔位置更加方便快捷，而且避免了物理针孔尺寸对定焦灵敏度的影响；利用D型光阑巧妙地将轴向离焦探测转换为横向离轴探测，简化了测量光路，进一步降低差动共焦曲率半径测量的装调难度和成本。 3 虚拟针孔定位算法 1 利用算法实现CCD虚拟针孔检测，对序列光斑图像计算质心坐标并拟合质心运动轨迹直线，然后确定虚拟针孔的对称中心以及离轴量大小和偏转角度即可实现虚拟针孔vph 1 和vph 2 定位，虚拟针孔定位算法流程和定位示意图如 图3 图3 所示。 3.1　光斑质心计算 2 外界环境存在的杂散光被采集CCD所接收，造成采集光斑图像存在较多噪声，会对光斑的质心计算造成影响，降低了图像的信噪比。因此在计算质心坐标之前，对序列光斑图像进行预处理，得到信噪比较好的光斑图像。然后进行二值化处理，由于图像只有中间有光斑的部分有较大的灰度值，四周的灰度值很低，可采用最大类间方差法（Otsu）实现对全局光斑图像的二值化处理，其主要思想为设置阈值将图像分割为目标部分和背景部分，当两部分的类间方差最大时，此时目标和背景的差别最大，二值化效果最好，由此计算出最佳的阈值，得到光斑边缘轮廓。最后利用重心法求得每幅光斑图像的质心坐标（ i k ， j k ），其计算公式为： <math display="block" id="M3"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><munder><mo movablelimits="false">∑</mo><mrow><mi>m</mi></mrow></munder><mrow><munder><mo movablelimits="false">∑</mo><mrow><mi>n</mi></mrow></munder><mrow><mi>g</mi><mo 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stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248814&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248813&type= 32.42733383 31.41133308 ， 其中 m ， n 为光斑图像横向和纵向的像素点数目。 3.2　质心运动轨迹拟合 2 在得到序列光斑的质心坐标之后，可以发现光斑的质心是沿某一方向运动，其运动方向与D型光阑的弦边垂直，即拟合的光斑质心坐标运动轨迹与D型光阑弦边的中垂线重合。考虑到实际应用时无法准确测得D型光阑的摆放角度，因此需要对采集到的光斑图像的质心运动轨迹作拟合，间接求出质心的运动方向。利用最小二乘法对序列图像的质心坐标 <math id="M4"><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248816&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248815&type= 8.97466660 4.65666676 的运动轨迹进行线性拟合，记序列质心横坐标记为 <math id="M5"><mi>I</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mo>⋯</mo><mo>,</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248818&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248817&type= 27.85533333 5.58799982 ，纵坐标记为 <math id="M6"><mi>J</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mo>⋯</mo><mo>,</mo><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248823&type= 11.17599964 2.79399991 ，其中 <math id="M9"><mi>A</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248826&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248825&type= 20.65866661 5.58799982 ，则观测值 J 与拟合值 L 的偏差 <math id="M10"><mi>ε</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248828&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248827&type= 1.43933344 2.79399991 为： <math display="block" id="M11"><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>ε</mi><mo>=</mo><msubsup><mrow><mfenced open="‖" close="‖" separators="|"><mrow><mi>A</mi><mi>I</mi><mo>-</mo><mi>J</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mfenced separators="|"><mrow><msup><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><mo>-</mo><msup><mrow><mi>J</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup></mrow></mfenced><mfenced separators="|"><mrow><mi>A</mi><mi>I</mi><mo>-</mo><mi>J</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><mi>A</mi><mi>I</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><msup><mrow><mi>J</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><mi>A</mi><mi>I</mi><mo>+</mo><msup><mrow><mi>J</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><mi>J</mi></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248830&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248829&type= 38.26933289 16.25600052 . 要使偏差 <math id="M12"><mi>ε</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248832&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248831&type= 1.43933344 2.79399991 达到最小，需令 <math id="M13"><mo>∂</mo><mi>ε</mi><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>I</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248834&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248833&type= 14.81666660 3.30199981 得到最后化简的最小二乘法的矩阵表达式： <math display="block" id="M14"><mi>I</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><mi>A</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msup><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><mi>J</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248836&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248835&type= 27.51666832 5.16466665 . 可以解出回归方程的系数为： <math display="block" id="M15"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></mfrac><msub><mrow><mo>∑</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></mfrac><msub><mrow><mo>∑</mo><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>∑</mo><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>∑</mo><msup><mrow><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>-</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>∑</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>∑</mo><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>∑</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248838&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248837&type= 53.33999634 28.61733246 . 最终求得序列光斑质心的运动轨迹直线TL。 3.3　确定对称中心、离轴量大小及方向 2 理想虚拟针孔的对称中心应当是其焦点位置，在实际测量时并不知道焦点位置位于CCD像面的何处，因此将质心坐标灰度值 <math id="M16"><msub><mrow><mi>g</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>o</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">x</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248840&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248839&type= 24.04533386 4.65666676 时可近似看作其焦点位置，该质心坐标 <math id="M17"><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>o</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248842&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248841&type= 9.22866726 4.65666676 设为虚拟探针的对称中心。 差动共焦的通过对轴向响应曲线 I diff （ u ）对 u 求偏导得到，当离轴量不断增加时，差动共焦曲线的定焦灵敏度随离轴量的变化曲线如 图4 图4 所示，可以看出差动共焦曲线零点位置的归一化定焦灵敏度 S （ v M ）在 <math id="M18"><msub><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi>M</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">4.2</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248844&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248843&type= 13.63133430 3.72533321 时存在最大值 <math id="M19"><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">x</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">4.2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0.517</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248846&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248845&type= 27.43200111 4.48733330 ，此时差动共焦曲线具有最高的定焦灵敏度，此外离轴量的大小与显微物镜的放大倍数和CCD的像元尺寸有关，虚拟针孔在CCD探测面上的最佳离轴量应为： <math display="block" id="M20"><msub><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">4.2</mn><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi>π</mi></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msubsup><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">'</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>β</mi><mo>/</mo><mi>p</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248851&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248850&type= 43.34933472 7.53533316 ， 其中 f C ′ 为汇聚镜Lc的焦距， D 为汇聚镜Lc的通光口径， <math id="M21"><mi>β</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248853&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248852&type= 1.94733334 3.81000018 为显微物镜的放大倍数， p 为CCD像元大小。 运动轨迹拟合直线TL与水平方向的夹角即为虚拟针孔的离轴量偏转角为： <math display="block" id="M22"><msub><mrow><mi>φ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248855&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248854&type= 25.90799904 4.65666676 . 后置分光瞳差动共焦法主要通过程序设置对称中心、离焦量大小和偏转角这三个参数，由此可共同确定CCD探测面上虚拟针孔位置，进而实现单路离轴的差动共焦定焦测量。 3.4　虚拟针孔尺寸确定 2 假设探测器针孔的归一化半径为 r p ，实际点探测器得到的圆域内的光强响应可以看作是光强响应函数在以 r p 为半径的圆域的积分，则探测器探测到的平均光强响应信号为： <math display="block" id="M23"><msub><mrow><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi></mrow><mo>¯</mo></mover></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>u</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">π</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mo>∫</mo><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi>u</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>ν</mi><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>ν</mi></mrow></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">π</mi><msup><mrow><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248857&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248856&type= 48.85266495 11.93799973 . 随着积分区域的不同，得到的平均光强也会有所不同，如 图5 图5 为定焦灵敏度 S （ v M ）随归一化针孔半径 r p 变化曲线。随着针孔半径的增大，出现了定焦灵敏度下降的情况。 因此虚拟针孔的尺寸半径 r vph 也应很小，一方面需保证可采集到足够强的光强信号，另一方面以该区域的平均光强来描述虚拟针孔中心的光强信号，保证光强信号的准确性。选取以定位好的虚拟针孔的中心坐标为圆心，以 r vph 为半径的圆形区域，计算该圆形区域内的平均灰度值作为虚拟针孔的探测光强响应。在CCD探测面上的半径 r vph 大小与显微物镜的放大倍数β和CCD的像元大小 p 有关，此时的虚拟针孔半径 r vph 为： <math display="block" id="M24"><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi>π</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mrow><mrow><mrow><mi>D</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">'</mi></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>β</mi><mo>/</mo><mi>p</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248862&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248861&type= 45.88933182 9.48266697 . 综合考虑，在保证零点的定焦灵敏度 S （ v M ）不低于0.5时，虚拟针孔的尺寸半径越小越好，一般情况下，CCD探测面上的虚拟针孔半径 r vph 为3个像素为宜，此时对应的物理针孔半径 r p 约为1 μm，既能使探测区域有足够的光强，也能使针孔尺寸足够小，保证了差动共焦的高定焦灵敏度。 4 测量实验与结果 1 为了验证本文方法的正确性及可行性，搭建后置分光瞳差动共焦测量仪器如 图6 图6 所示，测量仪器主要由测量主机、直线导轨、五维调整架和测长干涉仪四部分组成，测量主机的光轴、气浮导轨运动轴以及测长干涉仪光轴严格同轴，将被测镜装卡与 五维 自动工作台上，通过气浮导轨在猫眼位置和共焦位置进行移动，测长干涉仪实时监测工作台的运动位置，整个实验装置放置于隔振平台上，隔绝环境振动对测量的干扰。在室温20.0±0.5℃、湿度42%±4%的环境下进行实验，被测件选用ZYGO F1.5的标准物镜作为被测镜，其外表面的曲率半径值为 - 121.21 mm。 4.1　单点定焦及曲率半径重复性实验 2 首先对猫眼位置进行单点定焦实验，对测得的猫眼点的光斑图像进行虚拟针孔定位，选取CCD像面上坐标为（276，232）作为中心点，虚拟针孔vph 1 ，vph 2 的中心坐标为（285，205）和（267，259），得到虚拟针孔vph 1 ，vph 2 的光强响应曲线并作差动相减处理，其虚拟针孔vph 1 ，vph 2 以及差动共焦光强响应曲线如 图7 图7 所示，利用猫眼位置差动曲线零点附近的约9.5μm（ - 0.001 7 mm，0.007 8 mm）的线性测量范围进行直线拟合，得到的直线拟合表达式为： <math display="block" id="M25"><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">167.403</mn><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">6</mn><mo>⋅</mo><mi>z</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.509</mn><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">9</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248867&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248866&type= 49.36066818 3.55599999 ， 计算得到零点的位置坐标为0.003 0 mm，虚拟针孔vph 1 ，vph 2 探测响应曲线的半高宽FWHM约为15 μm，与差动共焦法相比，此时定焦灵敏度已达最高且无需额外硬件调整。 然后进行曲率半径的重复性测量实验，将被测镜移动到猫眼位置，测量此时的绝对位置z A ，再次移动到共焦位置，测量此时的绝对位置 z B ，则曲率半径值为两位置之间的距离 R = z A -z B ，其中一次测量的猫眼和共焦位置的差动共焦曲线 图7 图7 所示。 将后置分光瞳差动共焦的测量结果与差动共焦法的测量结果进行对比， 表1 表1 所示为两种方法重复测量10次的结果对比，最终得到后置分光瞳差动共焦法的曲率半径测量结果平均值为 - 121.209 4 mm，标准差为0.53 μm，差动共焦法的曲率半径测量结果平均值为 - 121.209 7 mm，标准差为0.39 μm，二者的测量结果相差0.3 μm。 Times DDA-LDCRM LDCRM 1 -121.210 0 -121.209 3 2 -121.209 6 -121.209 9 3 -121.209 0 -121.209 8 4 -121.208 8 -121.210 2 5 -121.209 8 -121.209 5 6 -121.208 5 -121.209 9 7 -121.209 3 -121.209 3 8 -121.209 1 -121.209 6 9 -121.209 9 -121.209 1 10 -121.210 0 -121.210 2 Average/mm -121.209 4 -121.209 7 Standard deviation/μm 0.53 0.39 Deviation value/μm 2 0.3 4.2　不确定度分析 2 与传统的差动共焦法相比，本方法采用一路探测光路实现差动共焦测量，避免了传统差动共焦由于两个探测器的离焦量不一致引入的测量不确定度，此外除了激光干涉仪测长误差、测长激光光轴与系统光轴不同轴、面形误差、运动误差以及重复测量误差会引入不确定度以外，由于在探测光路中加入D型光阑，光阑偏心也会对其定焦结果存在影响。 4 . 2 . 1　光阑偏心引入的不确定度 3 对于光阑偏心对定焦灵敏度的影响，由此带来了定焦误差，引入的不确定度为： <math display="block" id="M26"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">π</mi><msup><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">'</mi></mrow></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>u</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>N</mi><mi>R</mi><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mi>D</mi><mo>/</mo><msubsup><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">'</mi></mrow></msubsup></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248874&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248873&type= 41.14799881 10.24466705 ， 其中SNR是数字显微镜探测器的信噪比， S′ （ u ）为某一偏心量下的定焦灵敏度补偿值。此外根据公式还可以看出标准汇聚透镜Ls的相对口径 D / f S ′ 同样引入不确定度，物镜的相对口径越大，定焦精度越高，因此在测量过程中应选取合适相对口径的标准物镜来保证定焦的精度。 4 . 2 . 2　测长误差引入的不确定度 3 进行位置监测的测长干涉仪采用的是测量不确定度高达 <math id="M27"><mo>±</mo><mn mathvariant="normal">0.5</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248876&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248875&type= 32.25799942 3.81000018 的RENISHAW XL-80双频激光干涉仪，测长误差引入的不确定度为： <math display="block" id="M28"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msup><mo>×</mo><mi>R</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248878&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248877&type= 28.61733246 3.97933340 . 4 . 2 . 3　光轴不重合引入的不确定度 3 实际测量时，系统光轴和测长干涉仪测量轴线之间存在一定夹角 γ ，由此带来的曲率半径测量误差。在CCD辅助下， γ 角的调整精度可达4′，其不确定度为： <math display="block" id="M29"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi>γ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>≈</mo><mn mathvariant="normal">0.68</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msup><mo>×</mo><mi>R</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248880&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248879&type= 57.23466492 4.91066647 . 4 . 2 . 4　面形误差引入的不确定度 3 测量猫眼位置时激光汇聚于被测镜表面一微小区域，该区域与最佳参考球面不重合，会引入波长量级的误差，可用标准参考镜面形PV值测量来补偿误差，补偿后对被测镜曲率半径测量的不确定度为： <math display="block" id="M30"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0.1</mn><mi>P</mi><mi>V</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248882&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248881&type= 18.20333290 3.81000018 . 4 . 2 . 5　运动误差引入的不确定度 3 在实际测量时，由于导轨的直线度偏差，被测件在沿运动轴运动过程中相对测量轴发生径向平移，系统采用高精度气浮导轨，行程1.5 m，运动径向平移精度可达3 μm，径向平移误差引入的不确定度为： <math display="block" id="M31"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mn mathvariant="normal">3</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248884&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248883&type= 29.46399879 3.97933340 . 4 . 2 . 6　重复测量引入的不确定度 3 环境振动、气流、温度等因素也会造成测量误差，因此重复测量误差带来的不确定度为： <math display="block" id="M32"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow></munderover></mstyle><mrow><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mover accent="true"><mrow><mi>x</mi></mrow><mo>¯</mo></mover></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfrac></mrow><mrow/></mroot><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0.53</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248886&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248885&type= 48.34466553 13.54666710 . 4 . 2 . 7　合成不确定度 3 上述各不确定度分量相互独立，因此最终合成不确定度为： <math display="block" id="M33"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mn mathvariant="normal">0.55</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248888&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248887&type= 67.47933197 4.57200003 ， 该标准球曲率半径测量结果的相对扩展不确定度为： <math display="block" id="M34"><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>c</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>R</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">0.55</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">121.209</mn><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">4</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn mathvariant="normal">4.5</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248890&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=11248889&type= 59.26666641 7.78933334 . 5 结　论 1 本文提出的后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量方法，阐述了基于虚拟针孔技术的后置分光瞳差动共焦定焦原理，研究出虚拟针孔定位算法实现单路离轴探测，然后构建后置分光瞳差动共焦曲率半径测量仪器，对仪器性能进行实验验证。实验结果表明：10次测量曲率半径的平均值为 - 121.209 4 mm，重复性优于5×10 -6 ，在满足曲率半径高精度测量需求之外，该方法舍去双路离焦探测装置，改为单路焦面探测，而且虚拟针孔的位置可以根据算法轻松调整，避免传统物理针孔调整困难的缺点，极大地降低了系统装调的难度和成本，为高精度曲率半径测量提供了一条简便易行且成本低廉的可行途径。 参考文献 ALVARADO-MARTÍNEZ J ， CAMACHO BELLO C J ， VAZQUEZ Y MONTIEL S . 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Three-spherical-mirror test for radius of curvature measurement using a Fabry-Pérot cavity 陈好 ， 张浩 ， 樊红英 ， 等 . 基于泰伯-莫尔条纹的激光波前曲率半径测量 ［J］. 激光技术 ， 2018 ， 42 （ 2 ）： 156 - 160 . 基于泰伯-莫尔条纹的激光波前曲率半径测量 CHEN H ， ZHANG H ， FAN H Y ， et al . Measurement of laser wavefront curvature radius based on Talbot-Moiré fringe ［J］. Laser Technology ， 2018 ， 42 （ 2 ）： 156 - 160 . （in Chinese） Measurement of laser wavefront curvature radius based on Talbot-Moiré fringe MORRIS M N ， FREY E . Short coherence dynamic FiZeau interferometer with internal path matching for radius of curvature measurement ［C］. SPIE Optical Engineering+Applications. Proc SPIE 10749 ， Interferometry XIX， San Diego， California， USA ， 2018 ， 1074 ： 1074910 . Short coherence dynamic FiZeau interferometer with internal path matching for radius of curvature measurement ALSALAMAH R ， REARDON P J . Simplified physical model of interferometric radius of curvature test using the yybar diagram ［J］. 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Journal of Chinese Inertial Technology ， 2019 ， 27 （ 2 ）： 266 - 271 . （in Chinese） Laser confocal radius measurement system for spherical inertial elements 赵维谦 ， 王龙肖 ， 邱丽荣 ， 等 . 激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统的研制 ［J］. 光学 精密工程 ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1013 - 1023 . 激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统的研制 ZHAO W Q ， WANG L X ， QIU L R ， et al . Development of inner-surface profile measurement system for ICF capsule ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1013 - 1023 . （in Chinese） Development of inner-surface profile measurement system for ICF capsule 10.37188/OPE.2021.0122 TH741 A 1004-924X（XXXX）XX-0001-08 李彦宏,杨帅,唐顺等.后置分光瞳差动共焦曲率半径测量[J].光学精密工程,DOI:10.37188/OPE.2021.0122 李彦宏,杨帅,唐顺等.后置分光瞳差动共焦曲率半径测量[J].光学精密工程,DOI:10.37188/OPE.2021.0122 LI Yan-hong,YANG Shuai,TANG Shun,et al.Detecting divided aperture laser differential confocal radius measurement[J].Optics and Precision Engineering,DOI:10.37188/OPE.2021.0122 LI Yan-hong,YANG Shuai,TANG Shun,et al.Detecting divided aperture laser differential confocal radius measurement[J].Optics and Precision Engineering,DOI:10.37188/OPE.2021.0122 国家重点研发计划项目资助(2017YFA0701203) 2021-03-05 2021-03-30 2021-04-30 光学精密工程