【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学精密测量，尤其涉及一种大线性响应范围横向差动共焦传感测量方法及装置。
技术介绍
1、精密光学元件是决定光学系统性能的核心部件，被广泛应用于超分辨光学成像、半导体检测、医学检测等重要领域。光学元件的面形误差将直接影响光学系统的成像质量和测量精度。为此，光学元件面形的高精度测量技术是提高光学系统性能的关键。
2、现有的光学元件面形高精度测量方法种类繁多，根据测量原理一般分为两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量法主要通过三坐标机和轮廓仪等仪器直接采集得到被测光学元件的表面坐标点信息，扫描速度慢且容易对光学元件表面造成损伤，不适用于纳米级别的高精度测量。非接触式测量法分为干涉法和扫描法。干涉法利用光波叠加形成的干涉图样解析被测面形，是复杂光学曲面高精度测量的方法之一，主要有零干涉法、非零干涉法等。零干涉法利用cgh等零光学元件精确的补偿畸变的自由曲面波前，但cgh加工成本高且由于补偿器和被测件的一对一特性导致测量通用性较差，测量动态范围有限，且当被测面型梯度变化过大时，cgh的刻线会很密，增大加工难度；非零干涉法通过子孔径拼接或剪切干涉等方法扩展动态测量范围，无需零光学原件补偿波前畸变，但其测量过程中存在较大的回程误差。扫描法包括结构光法、光谱共焦法、差动共焦法等。结构光法测量的主要通过光学三角成像来获取物体的三维信息，易受环境光线干扰，测量精度一般为微米级别。光谱共焦法以共焦显微技术为基础，利用波长来编码轴向位置，配合扫描振镜或微透镜阵列进行二维扫描，实现对被测光学元件面型轮廓的3d测量，但其轴向
3、差动共焦法通过对离焦量一致的焦前光强响应信号和焦后光强响应信号差动相减得到高灵敏度的轴向光强响应曲线，其过零点与测量光束焦点位置精确对应，具有高轴向分辨力、高灵敏度等特性，且其响应曲线在过零点附近具有良好的线性，可通过光强值直接计算出样品的离焦量，避免了轴向逐点扫描过程中机械运动带来的误差，进而通过三维扫描实现对面形的高精度、快速定焦测量。然而，两个探测器的装调位置偏差和响应特性不一致会引入测量误差。
4、wang等人提出了一种横向差动共焦(tdc)的自由曲面测量新方法，利用d型光阑将轴向双路离焦探测转化为焦平面上的单路离轴探测，只需一路探测器即可实现差动共焦测量，避免了两探测器的装调偏差所引入的测量误差。但是该方法差动共焦轴向线性响应范围较小仅为1.2μm，无法实现大范围的高精度“无轴向扫描”快速传感测量。qiu等人通过两个信号的插值除以两个信号之间的较高信号，将轴向线性响应范围扩大了一倍，但降低了轴向分辨力；shao等人又进行了改进，提出了一种双差动共焦法，当物镜na为0.3时实现了6.7μm的线性段测量范围，但极大的牺牲了轴向分辨力，且光路中引入了三个针孔探测器增大了测量误差。上述方法都无法兼顾大线性响应范围和高精度的轴向分辨力，极大的限制了差动共焦传感测量技术在各领域的应用。
技术实现思路
1、鉴于上述问题，提出了本专利技术以便克服上述问题的一种大线性响应范围横向差动共焦的传感测量方法及装置。
2、本专利技术的一个方面，提供了一种大线性响应范围横向差动共焦传感测量方法，所述方法包括：
3、s1、构建横向差动共焦检测光路，其中所述横向差动共焦检测光路基于共焦光路改进获得，共焦光路包括经过物镜汇聚的聚焦光束和经过会聚镜汇聚的探测光束，聚焦光束汇聚于被测表面，在会聚镜和会聚镜的探测焦平面之间以光轴为分界线遮挡一半探测光束，且探测焦平面处设置有基于光轴对称的多个物理针孔，物理针孔后设置有多像元探测器，多像元探测器上的各个像元对照射到探测焦平面的光斑进行分割检测，以获得横向差动共焦检测光路；
4、s2、获取各个像元的光强响应信号曲线，所述各个像元的光强响应信号曲线用于表征各个像元的光强响应信号与被测表面的离焦量的对应关系，其中，所述被测表面的离焦量为被测表面与物镜焦平面之间的距离；
5、s3、对相邻两像元的光强响应信号曲线进行差动相减归一化处理，得到归一化tdc响应曲线：
6、
7、其中，in为第n个像元的光强响应信号曲线，id(n)为第n个像元的归一化tdc响应曲线，所述归一化tdc响应曲线为归一化横向差动共焦响应曲线；
8、s4、对各个像元的归一化tdc响应曲线选取拟合线性段并进行拟合，以获得归一化tdc响应拟合曲线，其中，第n个像元的拟合线性段的最小值对应的轴向坐标的数值与第n+1个像元的拟合线性段的最大值对应的轴向坐标的数值相等；
9、s5、对任意两个相邻像元的归一化tdc响应拟合线性段进行拼接，获得大线性传感区间响应曲线，基于获取到的不同像元的检测光强响应信号和所述大线性传感区间的响应曲线对被测表面进行传感测量，解算出被测表面相对于物镜焦平面的离焦量。
10、进一步地，在获得大线性传感区间响应曲线之后，所述方法包括：利用横向差动共焦检测光路对被测表面的面形进行测量；
11、所述利用横向差动共焦检测光路对被测表面的面形进行测量包括：
12、s11、对被测表面的目标检测位置进行检测，获取与目标检测位置相对应的各个像元的检测光强响应信号；
13、s12、基于所述大线性传感区间的响应曲线和与目标位置相对应的各个像元的检测光强响应信号，解算出被测表面在目标位置的离焦量；
14、s13、横向差动共焦检测光路沿横向方向对被测表面进行扫描测量，使得被测表面的目标检测位置沿横向方向移动，重复执行步骤s11至步骤s12的操作，以获得被测表面在不同横向位置处的离焦量；
15、s14、基于被测表面在不同横向位置处的离焦量，绘制被测表面在横向方向上的轴向起伏变化，以获得被测表面面形。
16、进一步地，在执行步骤s5之前，所述方法还包括：确定物理针孔的最佳离轴量；
17、所述确定物理针孔的最佳离轴量包括：
18、选取具有不同离轴量的物理针孔，获取物理针孔为不同离轴量时对应的归一化tdc响应曲线的拟合线性段在过零点的斜率；并在离轴量与拟合线性段过零点的斜率的对应关系曲线中的峰值位置处选取最佳离轴量取值范围；
19、在最佳离轴量取值范围内选取准最佳离轴量，并获取与各个准最佳离轴量相对应的相邻像元的归一化tdc响应曲线；
20、基于相邻像元的归一化tdc响应曲线沿轴向方向的重叠宽度确定物理针孔的最佳离轴量，其中，重叠宽度满足如下条件：0≤重叠宽度≤预设宽度，重叠宽度与线性测量范围呈反比例关系。
21、进一步地，所述获取各个像元的光强响应信号曲线包括：
22、采集被测表面处于不同离焦量时的目标像元的光强响应信号；
23、基于所述目标像元在被测表面处于不同离焦量时的光强响应信号绘制目标像元的光强响应信号曲线。
24、本专利技术的另一方面，还提供了一种大线性响应范围横向差动共焦本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大线性响应范围的横向差动共焦的传感测量方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得大线性传感区间响应曲线之后，所述方法包括：利用横向差动共焦检测光路对被测表面的面形进行测量；
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在执行步骤S5之前，所述方法还包括：确定物理针孔的最佳离轴量；
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获取各个像元的光强响应信号曲线包括：
5.一种大线性响应范围横向差动共焦传感测量装置，其特征在于，所述装置包括：共焦光路系统，在所述共焦光路系统的探测光路中的会聚镜与其探测焦平面之间设置有光阑组件，光阑组件以光轴为分界线遮挡一半探测光束，且探测光束的探测焦平面处设置有基于光轴对称的多个物理针孔，物理针孔后设置有多像元探测器，多像元探测器上的各个像元对照射到探测焦平面的光斑进行分割探测。
6.根据权利要求5所述的横向差动共焦传感测量装置，其特征在于，所述光阑组件还包括光阑和中继透镜，光阑用于以光轴为分界线遮挡探测光束的一半光路，中继透镜用于对遮挡后
7.根据权利要求5所述的横向差动共焦传感测量装置，其特征在于，所述共焦光路系统包括顺次设置的物镜、四分之一波片、偏振分光镜和会聚镜，在偏振分光镜的旁侧还设置有激光器和准直器；其中，激光器发射的激光光源经准直器后形成平行光束，平行光束经偏振分光镜反射，并顺次经过四分之一波片和物镜汇聚后形成聚焦光束，聚焦光束照射到被测表面，并由被测表面反射形成反射光束，反射光束顺次经过物镜、四分之一波片、会聚镜，会聚镜对反射光束进行汇聚形成探测光束；探测光束经光阑组件后聚焦到多像元探测器，由多像元探测器上的像元对聚焦光斑进行分割探测，获得与被测表面离焦量对应的大线性响应曲线。
...【技术特征摘要】
1.一种大线性响应范围的横向差动共焦的传感测量方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得大线性传感区间响应曲线之后，所述方法包括：利用横向差动共焦检测光路对被测表面的面形进行测量；
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在执行步骤s5之前，所述方法还包括：确定物理针孔的最佳离轴量；
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获取各个像元的光强响应信号曲线包括：
5.一种大线性响应范围横向差动共焦传感测量装置，其特征在于，所述装置包括：共焦光路系统，在所述共焦光路系统的探测光路中的会聚镜与其探测焦平面之间设置有光阑组件，光阑组件以光轴为分界线遮挡一半探测光束，且探测光束的探测焦平面处设置有基于光轴对称的多个物理针孔，物理针孔后设置有多像元探测器，多像元探测器上的各个像元对照射到探测焦平面...
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