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現(xiàn)今，無論是工業(yè)界還是人們?nèi)粘Ｉ钪校瑹o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(shè)備、高分辨率攝影器材、眼鏡等。隨著應(yīng)用的復(fù)雜性和精度要求的提升，對(duì)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(cè)相關(guān)組件參數(shù)的檢測(cè)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“北理工”）成功研發(fā)的激光差動(dòng)共焦干涉組件參數(shù)測(cè)量?jī)x器，是全球首臺(tái)能夠?qū)η蛎婀鈱W(xué)元件同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)高精度綜合測(cè)量的儀器，它不僅免除購買多臺(tái)測(cè)量?jī)x器的需要，而且大幅減少測(cè)量中因更換儀器而反復(fù)裝調(diào)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(cè)量?jī)x提供穩(wěn)定可靠的測(cè)長(zhǎng)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(yīng)用于工業(yè)、科研等范疇，特別是半導(dǎo)體制程中的光刻機(jī)、航天攝像系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡等對(duì)內(nèi)部光學(xué)組件有極嚴(yán)格要求的應(yīng)用，每個(gè)組件的微小加工誤差對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量都有著極大的影響。在北理工成功開發(fā)激光差動(dòng)共焦干涉組件測(cè)量?jī)x之前，市場(chǎng)上沒有能同時(shí)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)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(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)和工作原理時(shí)說：“我們應(yīng)客戶的要求來定制不同規(guī)格配置的測(cè)量?jī)x器，基本機(jī)構(gòu)主要由差動(dòng)共焦干涉測(cè)量主機(jī)（ 包含差動(dòng)共焦干涉光路）、標(biāo)準(zhǔn)透鏡、氣浮導(dǎo)軌、多維調(diào)整架、機(jī)電移動(dòng)平臺(tái)和雷尼紹XL-80激光干涉儀組成。差動(dòng)共焦干涉測(cè)量主機(jī)向被測(cè)鏡射出測(cè)量光束并聚于標(biāo)準(zhǔn)透鏡焦點(diǎn)處，被測(cè)透鏡通過多維調(diào)整架架設(shè)在氣浮導(dǎo)軌上，由機(jī)電移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)調(diào)整架與被測(cè)透鏡沿光軸方向移動(dòng)。當(dāng)測(cè)量光束匯聚點(diǎn)與被測(cè)透鏡前表面頂點(diǎn)或后表面頂點(diǎn)重合時(shí)，光束由被測(cè)鏡表面反射，沿路返回進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)測(cè)長(zhǎng)激光干涉儀 (XL-80) 實(shí)時(shí)采集被測(cè)透鏡的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。”

二維調(diào)整工作臺(tái)

趙維謙教授說：“該技術(shù)的重點(diǎn)就是將激光差動(dòng)共焦測(cè)量技術(shù)與面形干涉測(cè)量技術(shù)有機(jī)融合，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一臺(tái)對(duì)球面鏡組組件進(jìn)行綜合參數(shù)測(cè)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面利用差動(dòng)共焦強(qiáng)度響應(yīng)特性曲線的零點(diǎn)位置，對(duì)被測(cè)組件進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量；另一方面則利用多歩移相干涉測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)組件面形的高精度測(cè)量。” 以下是幾個(gè)典型參數(shù)的測(cè)量原理：

曲率半徑 — 通過差動(dòng)共焦系統(tǒng)精確定位被測(cè)球面表面的頂點(diǎn)和球心， 計(jì)算這兩點(diǎn)之間的距離；

厚度/折射率 —  精確定位被測(cè)透鏡前表面與光軸交點(diǎn)、 后表面與光軸交點(diǎn)以及有無被測(cè)透鏡時(shí)測(cè)量鏡的位置，然后利用測(cè)量鏡的位置和預(yù)先測(cè)得的測(cè)量鏡的曲率半徑等，對(duì)被測(cè)透鏡兩球面及參考反射面進(jìn)行逐面光線追跡計(jì)算， 繼而實(shí)現(xiàn)被測(cè)透鏡的折射率和厚度的高精度測(cè)量；

元件面形 — 面形干涉測(cè)量系統(tǒng)配合參考光束移相，測(cè)得多幅被測(cè)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(cè)組件的表面面形；

焦距 — 精確定位被測(cè)透鏡的焦點(diǎn)， 測(cè)量被測(cè)透鏡的焦點(diǎn)與被測(cè)透鏡后頂點(diǎn)的距離；

軸向間隙 —  精確定位被測(cè)鏡組內(nèi)透鏡各表面的頂點(diǎn)， 然后結(jié)合測(cè)量光束的數(shù)值孔徑角、 被測(cè)鏡組內(nèi)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(cè)鏡組內(nèi)各透光表面之間的軸向間隙。

球面鏡圖解

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

業(yè)界早已存在多種測(cè)量球面組件參數(shù)的方法，部分領(lǐng)域如面形測(cè)量，國(guó)外廠商的技術(shù)早已十分成熟，市場(chǎng)上也不乏測(cè)量個(gè)別參數(shù)的高端儀器，產(chǎn)地大多來自歐美地區(qū)，但價(jià)格十分昂貴。北理工當(dāng)初就是看到業(yè)界有提升測(cè)量效率的必要，從而開發(fā)出多功能和高性價(jià)的相關(guān)測(cè)量?jī)x器。他們的激光差動(dòng)共焦干涉測(cè)量?jī)x的優(yōu)勢(shì)在于能夠在同一臺(tái)儀器上同時(shí)進(jìn)行多個(gè)參數(shù)測(cè)量，這意味著可以大幅降低用戶購買不同儀器的支出，同時(shí)減少因更換儀器重新進(jìn)行裝調(diào)所花費(fèi)的時(shí)間。其非接觸式測(cè)量更避免了擠壓或磨損被測(cè)鏡組組件表面，而且裝調(diào)簡(jiǎn)便，測(cè)量新參數(shù)時(shí)無需拆卸被測(cè)組件和重新調(diào)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(cè)量?jī)x器的大部分關(guān)鍵零部件，包括氣浮回轉(zhuǎn)軸、多維工作臺(tái)和直線導(dǎo)軌等精密運(yùn)動(dòng)部件以及激光差動(dòng)共焦干涉主機(jī)等，均由北理工自主研發(fā)， 獲得多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。測(cè)量?jī)x精度規(guī)格屬國(guó)際水平，如測(cè)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(rèn)可的雷尼紹XL-80 激光干涉儀

雷尼紹設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，具有真正領(lǐng)先的系統(tǒng)性能和操作優(yōu)點(diǎn)。趙教授說：“我們選擇XL-80系列是因?yàn)樗鞘袌?chǎng)上為數(shù)不多能夠同時(shí)提供精度性能和穩(wěn)定可靠性的激光干涉儀。事實(shí)上雷尼紹多年來都是國(guó)際測(cè)量界公認(rèn)的權(quán)威指標(biāo)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(zhǎng)可溯源至國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。精確穩(wěn)定的激光源和準(zhǔn)確的環(huán)境補(bǔ)償，保證了正負(fù)0.5 ppm的線性測(cè)量精度。可以高達(dá)50 kHZ頻率讀取數(shù)據(jù)，最高線性測(cè)量速度可達(dá)4 m/s，即使在最高速度下線性分辨率仍可達(dá)1 nm。不僅僅是直線測(cè)量，所有測(cè)量選項(xiàng)（如: 回轉(zhuǎn)軸）均采用干涉法測(cè)量，使用戶對(duì)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(cè)量?jī)x的核心組件之一，在系統(tǒng)兼容性方面也十分出色，允許測(cè)量數(shù)據(jù)與客戶端系統(tǒng)進(jìn)行整合。在開發(fā)軟件過程中，北理工工程師編程時(shí)就是通過使用XL-80專屬動(dòng)態(tài)連接函數(shù)庫，把實(shí)時(shí)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(shí)上雷尼紹提供眾多的分析軟件功能已足夠強(qiáng)大，不過這項(xiàng)功能卻能把實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)完美地整合到我們自主設(shè)計(jì)的分析軟件中，讓我們?cè)陂_發(fā)定制儀器時(shí)的靈活性更大。另外，在系統(tǒng)整合調(diào)試過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)問題，為我們提供寶貴、專業(yè)的建議。”

系統(tǒng)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(cè)量和醫(yī)療保健領(lǐng)域擁有專業(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(jī)引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)制造，到口腔和腦外科醫(yī)療設(shè)備等。此外，它還在全球增材制造（也稱3D打印）領(lǐng)域居領(lǐng)導(dǎo)地位，是英國(guó)唯一一家設(shè)計(jì)和制造工業(yè)用增材制造設(shè)備（通過金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團(tuán)目前在35個(gè)國(guó)家/地區(qū)設(shè)有70多個(gè)分支機(jī)構(gòu)，員工逾4,000人，其中2,700余名員工在英國(guó)本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國(guó)本土進(jìn)行，在截至2016年6月的2016財(cái)年，雷尼紹實(shí)現(xiàn)了

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