現今，無(wú)論是工業(yè)界還是人們日常生活中，無(wú)不需要使用大量的光學(xué)鏡組組件，例如一些先進(jìn)的激光切割或掃描設備、高分辨率攝影器材、眼鏡等。隨著(zhù)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(zhù)用于檢測相關(guān)組件參數的檢測儀器的精度和效率也必須進(jìn)一步提高。 北京理工大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北理工”）成功研發(fā)的激光差動(dòng)共焦干涉組件參數測量?jì)x器，是全球首臺能夠對球面光學(xué)元件同時(shí)進(jìn)行多種參數高精度綜合測量的儀器，它不僅免除購買(mǎi)多臺測量?jì)x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(shí)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?jì)x提供穩定可靠的測長(cháng)數據。 

工作原理

XL-80、XC-80及傳感器

球面鏡（透鏡表面是球面的一部分）被廣泛應用于工業(yè)、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(xué)組件有極嚴格要求的應用，每個(gè)組件的微小加工誤差對系統的成像質(zhì)量都有著(zhù)極大的影響。在北理工成功開(kāi)發(fā)激光差動(dòng)共焦干涉組件測量?jì)x之前，市場(chǎng)上沒(méi)有能同時(shí)進(jìn)行相關(guān)參數測量的儀器。北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授趙維謙教授在解釋測量?jì)x器的結構和工作原理時(shí)說(shuō)：“我們應客戶(hù)的要求來(lái)定制不同規格配置的測量?jì)x器，基本機構主要由差動(dòng)共焦干涉測量主機（ 包含差動(dòng)共焦干涉光路）、標準透鏡、氣浮導軌、多維調整架、機電移動(dòng)平臺和雷尼紹XL-80激光干涉儀組成。差動(dòng)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(diǎn)處，被測透鏡通過(guò)多維調整架架設在氣浮導軌上，由機電移動(dòng)平臺帶動(dòng)調整架與被測透鏡沿光軸方向移動(dòng)。當測量光束匯聚點(diǎn)與被測透鏡前表面頂點(diǎn)或后表面頂點(diǎn)重合時(shí)，光束由被測鏡表面反射，沿路返回進(jìn)行數據分析，同時(shí)測長(cháng)激光干涉儀 (XL-80) 實(shí)時(shí)采集被測透鏡的位置坐標數據?！?/p>

二維調整工作臺

趙維謙教授說(shuō)：“該技術(shù)的重點(diǎn)就是將激光差動(dòng)共焦測量技術(shù)與面形干涉測量技術(shù)有機融合，設計并構建一臺對球面鏡組組件進(jìn)行綜合參數測量的系統。該系統一方面利用差動(dòng)共焦強度響應特性曲線(xiàn)的零點(diǎn)位置，對被測組件進(jìn)行精確定位，實(shí)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(shù)實(shí)現對組件面形的高精度測量?！?以下是幾個(gè)典型參數的測量原理：

曲率半徑 — 通過(guò)差動(dòng)共焦系統精確定位被測球面表面的頂點(diǎn)和球心， 計算這兩點(diǎn)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(diǎn)、 后表面與光軸交點(diǎn)以及有無(wú)被測透鏡時(shí)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(jìn)行逐面光線(xiàn)追跡計算， 繼而實(shí)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(lái)的光與參考光束形成的干涉圖像， 并通過(guò)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(diǎn)， 測量被測透鏡的焦點(diǎn)與被測透鏡后頂點(diǎn)的距離；

軸向間隙 —  精確定位被測鏡組內透鏡各表面的頂點(diǎn)， 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(guò)光線(xiàn)追跡的方法獲得被測鏡組內各透光表面之間的軸向間隙。

球面鏡圖解

產(chǎn)品優(yōu)勢

業(yè)界早已存在多種測量球面組件參數的方法，部分領(lǐng)域如面形測量，國外廠(chǎng)商的技術(shù)早已十分成熟，市場(chǎng)上也不乏測量個(gè)別參數的高端儀器，產(chǎn)地大多來(lái)自歐美地區，但價(jià)格十分昂貴。北理工當初就是看到業(yè)界有提升測量效率的必要，從而開(kāi)發(fā)出多功能和高性?xún)r(jià)的相關(guān)測量?jì)x器。他們的激光差動(dòng)共焦干涉測量?jì)x的優(yōu)勢在于能夠在同一臺儀器上同時(shí)進(jìn)行多個(gè)參數測量，這意味著(zhù)可以大幅降低用戶(hù)購買(mǎi)不同儀器的支出，同時(shí)減少因更換儀器重新進(jìn)行裝調所花費的時(shí)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(jiǎn)便，測量新參數時(shí)無(wú)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?jì)x器的大部分關(guān)鍵零部件，包括氣浮回轉軸、多維工作臺和直線(xiàn)導軌等精密運動(dòng)部件以及激光差動(dòng)共焦干涉主機等，均由北理工自主研發(fā)， 獲得多項國家發(fā)明專(zhuān)利。測量?jì)x精度規格屬?lài)H水平，如測量一個(gè)約5 mm厚度的鏡組組件，誤差僅0.75 微米。

業(yè)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(guò)25年的歷史。XL-80正是雷尼紹多年設計和制造經(jīng)驗的結晶，具有真正領(lǐng)先的系統性能和操作優(yōu)點(diǎn)。趙教授說(shuō)：“我們選擇XL-80系列是因為它是市場(chǎng)上為數不多能夠同時(shí)提供精度性能和穩定可靠性的激光干涉儀。事實(shí)上雷尼紹多年來(lái)都是國際測量界公認的權威指標之一，無(wú)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(chǎn)生非常穩定的激光光束，采用的波長(cháng)可溯源至國家和國際標準。精確穩定的激光源和準確的環(huán)境補償，保證了正負0.5 ppm的線(xiàn)性測量精度?？梢愿哌_50 kHZ頻率讀取數據，最高線(xiàn)性測量速度可達4 m/s，即使在最高速度下線(xiàn)性分辨率仍可達1 nm。不僅僅是直線(xiàn)測量，所有測量選項（如: 回轉軸）均采用干涉法測量，使用戶(hù)對記錄數據的精度有信心。

XL-80激光干涉儀作為球面組件測量?jì)x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(hù)端系統進(jìn)行整合。在開(kāi)發(fā)軟件過(guò)程中，北理工工程師編程時(shí)就是通過(guò)使用XL-80專(zhuān)屬動(dòng)態(tài)連接函數庫，把實(shí)時(shí)數據從XL-80激光干涉儀整合到自家的系統里。趙教授續說(shuō)：“事實(shí)上雷尼紹提供眾多的分析軟件功能已足夠強大，不過(guò)這項功能卻能把實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)定制儀器時(shí)的靈活性更大。另外，在系統整合調試過(guò)程中難免需要與供貨商進(jìn)行緊密溝通，雷尼紹在售后服務(wù)方面做得也非常到位，工程師們都十分愿意花時(shí)間與我們討論相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，為我們提供寶貴、專(zhuān)業(yè)的建議?！?/p>

系統工作原理

關(guān)于雷尼紹

雷尼紹是世界領(lǐng)先的工程科技公司之一，在精密測量和醫療保健領(lǐng)域擁有專(zhuān)業(yè)技術(shù)。公司向眾多行業(yè)和領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù) — 從飛機引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機制造，到口腔和腦外科醫療設備等。此外，它還在全球增材制造（也稱(chēng)3D打?。╊I(lǐng)域居領(lǐng)導地位，是英國唯一一家設計和制造工業(yè)用增材制造設備（通過(guò)金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在35個(gè)國家/地區設有70多個(gè)分支機構，員工逾4,000人，其中2,700余名員工在英國本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國本土進(jìn)行，在截至2016年6月的2016財年，雷尼紹實(shí)現了

4.366億英鎊的銷(xiāo)售額，其中95%來(lái)自出口業(yè)務(wù)。公司最大的市場(chǎng)為中國、美國、德國和日本。