基于物方差动共焦轴向测量引导的显微镜自动对焦方法

针对传统自动聚焦方法效率低,难以适应工业产品微观形貌检测高精度、高效率需求的问题,提出一种基于物方差动共焦轴向测量引导的显微镜自动对焦方法(DCAFM)。在获取测量系统中离焦量和轴向光强差之间的标定曲线后,控制运动机构使物镜与样本的轴向距离以等步距的方式采集图像。通过焦前与焦后位置光强差快速确定当前轴向离焦量,控制轴向运动机构,实现快速自动对焦。搭建显微镜自动对焦实验平台,对样品进行测试。实验结果表明:文中方法的图像对焦速度和灵敏度优于DFT,EOG等自动对焦方法,系统的轴向分辨率优于0.4μm,有效地提高了显微镜的对焦速度和精度。

激光差动共焦透镜中心偏测量系统设计与实现

针对国内外透镜中心偏高精度测量的迫切需求,研制了一套激光差动共焦透镜中心偏测量系统。该系统从中心偏非接触测量的核心定焦原理入手,结合激光差动共焦定焦技术,解决了清晰度法定焦精度差的难题。在光学测量系统误差分析的基础上,对系统再次优化设计,并利用差动共焦轴向光强响应曲线过零点的位置与被测镜猫眼和共焦点精确对应这一特性,实现了透镜中心偏的高精度测量。通过实验表明,该系统测量精度为0.49%,与传统的清晰度法定焦测量相比,透镜中心偏的测量精度有效提高了6倍。该系统将差动共焦定焦技术有效的应用于透镜中心偏测量中,提高了被测镜猫眼和共焦位置的定焦能力,实现了高精度测量系统的设计,在光学测试和透镜加工及装配领域具有广阔的应用前景。

基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3 nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。

五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量

为提高球面透镜曲率半径的测量精度,提出基于五维位姿监测调整的差动共焦曲率半径高精度测量方法。通过驱动被测样品回转,在探测器上监测被测件的共焦点轨迹,测量被测件球心点与测量光轴之间的偏心误差,结合位姿调整系统对偏心误差进行自动补偿,确保测量过程中被测件球心与测量光轴重合,消除被测样品球心离轴引入的测量余弦误差,进而消除每次装调的样品位姿误差对测量精度的影响。理论计算和初步实验表明:该方法对曲率半径的相对重复测量精度(RMS)可达到3.2×10^(-6)。该方法显著提升了曲率半径的重复测量精度,为曲率半径的精密测量提供了有效途径。同时,该方法还为透镜中心偏、焦距、厚度、镜组间隔等多种参数的高精度测量提供了有效方法。

激光差动共焦透镜中心偏的自动测量

针对现有中心偏差测量方法中测量精度低、透镜姿态调整人为干扰大的问题,提出一种差动共焦透镜中心偏自动测量方法。该方法通过差动共焦定焦技术,依据差动共焦轴向光强响应曲线的过零点精确对应被测镜特征点这一特性,实现对被测镜猫眼点及共焦点的精准定位;通过高精度气浮转轴驱动被测镜旋转,用位移传感器、圆光栅记录被测镜的位置信息,结合五维位姿自动调整机构,实现对被测镜姿态的高精度校正,消除姿态偏差,提高测量精度;最终,搭建了激光差动共焦透镜中心偏自动测量系统,实现了透镜中心偏的高精度自动测量。实验结果表明:透镜中心偏的测量精度可达0.41%,测量重复性优于100 nm。与现有的人工单次测量相比,该方法的测量重复性较好、随机误差小、测量精度高,为高精度透镜中心偏自动测量提供了一种技术途径。

基于差动共焦的倾角测量传感器

为了解决传统激光差动共焦显微镜(LDCM)无法在测距的同时,进行高精度倾斜角度测量的问题,提出了一种基于差动共焦的倾角测量传感器。在对倾斜表面进行测量时,该传感器首先利用轴向扫描获取的差动响应信号精准定位其焦点位置,然后分析显微镜光瞳面场强分布并提取光斑图像的峰值位置,从而实现对倾角的精准测量。首先,建立聚焦光束经倾斜待测面反射后的光场分布模型,对不同倾斜角度下显微镜光瞳面的场强分布情况进行分析。然后,在分析倾斜光斑特征的基础上,提出了采用改进Meanshift算法进行光斑峰值位置提取的方法。最后,通过实验验证了传感器对倾角测量的有效性。实验结果表明,传感器对倾斜程度(0~8°)测量平均误差为0.011°,对倾斜方向(0~360°)的测量平均误差为0.128°,能够满足利用差动共焦非接触光学探针对三维表面进行检测的过程中,对待测表面倾斜角度测量的要求。该传感器为自由曲面的高精度轮廓测量提供了一种新的方法。

基于偏心抑制的激光差动共焦焦距高精度测量方法

针对测量球面透镜焦距过程中存在偏心误差导致测量光轴与透镜实际轴线不重合的问题,提出了一种基于偏心抑制的激光差动共焦焦距高精度测量方法,通过驱动工作台旋转测得透镜偏心误差的大小及方向,实现了对被测透镜的误差采集;通过分析误差大小及方向驱动姿态调整电机,消除了测量过程中由于存在偏心误差对焦距测量精度产生的影响;通过构建系统,优化系统参数,实现了激光差动共焦焦距高精度测量;最终实现基于偏心抑制的焦距高精度测量,解决了焦距测量时测量光轴与透镜实际轴线不重合从而对测量结果产生影响的问题。基于该系统进行了焦距测量实验,实验表明:测量焦距为100 mm透镜时,该方法相对重复测量精度(RMS)可达到0.000503%。该方法显著提高了焦距测量的精度及重复测量精度,为焦距的精密测量提供了一种有效的途径。同时,该方法可应用到镜组加工与装配中,提高镜组的成像质量与测量精度。

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS)。该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量。该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力。将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准。初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10nm。该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径。

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量。该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高。实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求。

激光差动共焦透镜中心厚度测量系统的研制

基于高精度光学共焦定位技术研制了一种全新的非接触透镜中心厚度测量系统,该系统利用差动共焦技术的高轴向层析特性和轴向响应曲线的绝对零点对被测透镜的前表面顶点和后表面顶点分别进行精密瞄准定位;同时,利用激光干涉仪获得透镜前、后表面顶点的位置坐标;然后通过光线追迹算法计算透镜中心厚度,进而实现了透镜中心厚度的高精度非接触测量。实验结果表明,该系统测量精度高,测量标准差小于1μm,满足透镜中心厚度测量的精度要求。

光栅尺测长式激光差动共焦曲率半径测量系统

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力,满足现场使用需求,研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位,并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离,实现曲率半径的测量。实验表明,该系统相对测量精度优于5×10-6,满足高精度曲率半径测量的精度需求。

激光差动共焦曲率半径测量不确定度评定

曲率半径是球面光学元件中的重要参数之一,曲率半径的高精度测量已经成为光学元件使用与加工中的一个关键问题。提出了基于差动共焦法的曲率半径测量方法,研制了1套激光差动共焦曲率半径测量系统,并对2组曲率半径测量结果进行不确定度评定。结果表明,2组曲率半径的测量值均与标称值吻合,其相对误差为0.001 15%,两组测量数据的标准不确定度均优于3.211 11×10-4 mm。

基于激光差动共焦技术的后顶焦度测量系统

为满足后顶焦度高精度测量需求，提出了一种基于激光差动共焦技术的后顶焦度测量方法，研制了一套测量系统。该系统将激光差动共焦技术的精密定焦性能应用于后顶焦度测量，显著地提高了定焦定位能力，利用干涉测长技术测量相应偏离距离，最终实现后顶焦度的精密测量。分析了测量装置的设计思路和测量精度的影响因素。理论分析和实验结果表明，该系统测量精度可达0．03m^-1。

具有高空间分辨力的双极性绝对式差动共焦检测方法

提出一种用于超精密三维微细结构测量的横向光学超分辨、轴向纳米级分辨的绝对式高空间分辨力共焦检测方法,该方法利用超分辨光瞳滤波技术最大程度地改善共焦显微系统的横向分辨力,利用探测器轴向偏置的双探测共焦光路布置和双探测信号归一化差动接受最大程度地改善共焦显微系统的轴向分辨力,最终实现共焦检测系统的高空间分辨力双极性绝对测量。文中以整形环形光横向超分辨为例,初步验证了提出的高空间分辨力差动共焦扫描检测方法的有效性。实验表明:当入射激光束波长λ=632.8 nm,测量物镜数值孔径取NA=0.85,ε=0.5,μM=6.95时,整形环形光瞳式差动共焦传感器的横向分辨力优于0.2μm,轴向分辨力优于2 nm。

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣,改善系统横向分辨力;通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力,最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明:整形环形光内孔归一化半径ε越大,横向分辨力改善越明显,量程扩展范围越宽;当入射光波长=λ632.8 nm,物镜数值孔径取NA=0.85,=ε0.5时,该系统的横向分辨力优于0.2μm,轴向分辨力优于2 nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法,可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。

后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量

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方法,研究了后置分光瞳差动共焦测量原理和虚拟针孔定位算法。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,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。实验结果表明:该方法测量的曲率半径为-121.2094 mm,测量重复性优于5×10^(-6),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的需求,还简化了光路结构,缩减了研制装调成本,为曲率半径的高精度、快速测量提供了新途径。

激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统研制

针对球面超大曲率半径测量中存在的测量精度低、抗环境干扰能力差的难题,研制了一套激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统。该系统采用反射式测量光路,利用差动共焦响应曲线对被测件的猫眼和反射位置进行高精度定位,并用测长干涉仪记录位置信息,最后结合物镜顶焦距解算出超大曲率半径值。理论分析与实验表明,该系统定焦精度高,测量范围大,抗环境干扰能力强,相对测量误差优于2×10^-4,-15 m超大曲率半径测量结果的重复性可达1.2×10^-4,实现了超大曲率半径的高精度测量。

基于差动共焦法向测量配准的自由曲面测量方法

针对自由曲面设计坐标系和测量坐标系基准不同带来的测量问题,提出了一种基于差动共焦法向测量配准的自由曲面测量方法。方法利用差动共焦曲线过零点位置与被测点准确对应的特性,实现了对被测点的精确定焦;利用PSD在传感器焦点位置对被测点倾角进行精确测量;根据被测点倾角,利用ICP Point to Plane方法进行点云配准,提高了点云配准精度,显著提升了面形测量精度。经理论分析和初步实验证明,方法测量面形PV值的精度可以达到65nm,RMS值达到10nm,PV值与zygo干涉仪测量结果相差7nm,RMS值相差1nm,测量结果误差较小。该方法为自由曲面面形的高精度测量提供了一种新的技术途径。

激光差动共焦拉曼光谱高分辨图谱成像技术进展

激光共焦拉曼光谱技术由于具有分子指纹及层析成像特性,成为探索微观分子世界的重要手段;但受原理限制,现有激光共焦拉曼光谱技术的分辨力及图谱成像能力逐渐桎梏了其发展。近年来,围绕激光共焦拉曼光谱技术性能改善方面,本研究团队基于发明的超分辨激光差动共焦技术,提出了激光差动共焦拉曼图谱成像系列新方法和新技术。系统地介绍所提激光差动共焦拉曼图谱系列测量方法及仪器化研究进展,并对未来发展方向进行了评述和展望。

激光差动共焦干涉高精度测量技术及仪器

球面光学元件的曲率半径、厚度、折射率、焦距和面形等多参数的高精度检测是光学元件超精密制造的迫切需求,但现有测量方法受层析定焦能力、抗散射能力及抗环境扰动能力的制约,难以实现上述参数的高精度共基准测量。为此,本团队提出了高层析、高分辨、抗散射和抗干扰的激光差动共焦多参数高精度共基准测量方法,并进一步与菲索干涉光路融合,实现了球面元件多参数的高精度、共基准、高效率测量。本文系统地介绍了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。