激光差动共焦干涉元件多参数综合测量仪器研制

The measurement technique for the spherical elements is used for the advanced foundation researchs of such fields as optical engineering, inertial instrument, precision fabrication, metrological measurement, and so on. In order to satisfy the reqiuirement of the high precision measurement for the spherical elments, the new laser differential confocal chromatography focusing priciple was the first to be proposed in the internation by our work groups, which combines the differential confocal detection technique with ray tracing technique. And based on this principle, the new measurement method was proposed for the curvature of radius, thickness, refractive index, spacial interval of the element, and so on. In this item, we prepare to emphasize investigation on the instrumentation technique of high precision multiparameter measurment using the above principle and method, and develop successfully a new laser differential interference measurement instrument with own Intellectual property for the element multiparameters to achieve the high precision noncontact measurement of the curvature of radii, thickness, refractive index, spacial interval, and so on. The work includes the basic theory and technolgy to improve the chromatography focusing capability and precision, instrumental key techniques and systemic integration technique, the total test, property analyses, traceability method and contrastive test of the instrument, and so on. The main parameters are that the relative measurement uncertainty of the lens curvature radius and thickness are 5ppm and 30ppm respectively, the measurement uncertainty of the element refractive index is 2×10e-4, etc.

球面元件参数测试技术涉及光学工程、惯性仪表、精密制造、计量测试等领域的前沿基础研究。针对球面参数高精度测试问题，项目组前期在国际上率先提出了融合差动共焦探测及光线追迹技术的激光差动共焦层析定焦新原理，发明了基于该原理的元件曲率半径、厚度、折射率、镜组间隔等参数测试新方法。本项目拟重点研究基于上述发明方法与技术的元件参数高精度综合测量的仪器化技术，研制出具有自主知识产权的激光差动共焦干涉元件多参数综合测量新原理仪器，以期解决光学元件曲率半径、厚度、折射率、面形以及镜组间隔等参数高精度非接触测量难题，促进光学工程、精密制造和计量测试等领域前沿基础研究的发展。研究包括：改善仪器层析定焦能力及精度的基础理论与技术、仪器关键技术和系统集成技术，仪器的总体实验、特性分析、溯源方法与比对测试等。主要指标：透镜曲率半径、厚度相对测量不确定度分别为5ppm和30ppm，元件折射率测量不确定度2×10e-4等

针对激光核聚变系统、极紫外光刻机、新一代球形惯性仪表等系统中球面元件存在的透镜曲率半径、厚度、折射率和镜组间隔测量精度低，以及元件参数在不同仪器上测量而带来的需要多次重复装卡、定位等问题，研制兼具高精度和多参数测试能力的激光差动共焦干涉元件多参数综合测量仪器，在同一光学仪器上实现透镜曲率半径、折射率、面形、透镜厚度、焦距和镜组间隔参数的高精度非接触测量等，满足光学工程、惯性器件、精密制造、计量测试等领域前沿基础研究中对球面元件参数高精度测量的迫切需求。研制的激光差动共焦干涉元件多参数综合测量仪器具有完全自主知识产权，研究内容包括：改善仪器测量原理及精度的相关基础理论问题、仪器核心技术与系统集成技术、仪器化技术及仪器特性分析、仪器的总体实验、溯源、应用测试及与国外同类仪器的比对实验等。研究成果如下：.1. 研制了激光差动共焦干涉元件多参数综合测量仪器，仪器主要技术指标：.1) 曲率半径测量范围： -500mm~+200mm，测量不确定度为（0.1+0.005*L）微米（L: mm），相对测量不确定度为: 5 ppm（达目前报道的最高精度）；.2) 透镜折射率测量不确定度：2*10-4 量级（注：测量成品透镜折射率，而非材料折射率）；.3) 透镜厚度在0~100mm 范围，测量不确定度：（0.2+0.030*L）微米（L: mm），相对测量不确定度估计为: 30ppm（达目前报道的最高精度）；.4) 镜组间隔测量不确定度：（0.2+0.050*L）微米（L: mm），相对测量不确定度为:50ppm（达目前报道的最高精度）；.5) 焦距测量精度（0.2+0.010*L）微米（L: mm）；.6) 面形测量精度PV值：波长/20，RMS值：波长/50等。.2. 围绕研究内容发表论文21篇，其中SCI论文18篇，在Optics Express、Optics Letters期刊发表6篇，申请发明专利12项，其中授权5项；.3. 项目负责人获国家自然基金优秀青年基金资助，入选国家万人计划科技创新领军人才、第二十届北京茅以升青年科技奖；团队入选中国科协青年人才托举工程1名。.4. 培养博士生2名，硕士生5名。其中1人获仪器仪表学会特等奖学金、获中国仪器仪表学会优秀博士论文。