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現(xiàn)今，無論是工業(yè)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(shù)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（以下簡稱“北理工”）成功研發(fā)的激光差動共焦干涉組件參數(shù)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(shù)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(wěn)定可靠的測長數(shù)據(jù)。 

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(tǒng)、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(tǒng)的成像質量都有著極大的影響。在北理工成功開發(fā)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(shù)測量的儀器。北京理工大學光電學院教授趙維謙教授在解釋測量儀器的結構和工作原理時說：“我們應客戶的要求來定制不同規(guī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。”

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(shù)測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)對組件面形的高精度測量。” 以下是幾個典型參數(shù)的測量原理：

曲率半徑 — 通過差動共焦系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(shù)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。

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(shù)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(shù)的高端儀器，產(chǎn)地大多來自歐美地區(qū)，但價格十分昂貴。北理工當初就是看到業(yè)界有提升測量效率的必要，從而開發(fā)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(yōu)勢在于能夠在同一臺儀器上同時進行多個參數(shù)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(shù)時無需拆卸被測組件和重新調整光路，而統(tǒng)一的參數(shù)溯源體系也提升了數(shù)據(jù)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，均由北理工自主研發(fā)， 獲得多項國家發(fā)明專利。測量儀精度規(guī)格屬國際水平，如測量一個約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(tǒng)已有超過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，具有真正領先的系統(tǒng)性能和操作優(yōu)點。趙教授說：“我們選擇XL-80系列是因為它是市場上為數(shù)不多能夠同時提供精度性能和穩(wěn)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(guī)格還是系統(tǒng)穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定的激光源和準確的環(huán)境補償，保證了正負0.5 ppm的線性測量精度。可以高達50 kHZ頻率讀取數(shù)據(jù)，最高線性測量速度可達4 m/s，即使在最高速度下線性分辨率仍可達1 nm。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(shù)據(jù)的精度有信心。

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(tǒng)兼容性方面也十分出色，允許測量數(shù)據(jù)與客戶端系統(tǒng)進行整合。在開發(fā)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(tài)連接函數(shù)庫，把實時數(shù)據(jù)從XL-80激光干涉儀整合到自家的系統(tǒng)里。趙教授續(xù)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(shù)據(jù)完美地整合到我們自主設計的分析軟件中，讓我們在開發(fā)定制儀器時的靈活性更大。另外，在系統(tǒng)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(yè)的建議。”

系統(tǒng)工作原理

關于雷尼紹

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

雷尼紹集團目前在35個國家/地區(qū)設有70多個分支機構，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行，在截至2016年6月的2016財年，雷尼紹實現(xiàn)了

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