基于法向追踪与大线性传感范围的横向差分共焦自由曲面测量方法

本文提出了一种创新性的横向差分共焦自由曲面测量方法，通过多单元探测器（MED）横向分割光斑并结合二维位置敏感探测器（2D-PSD）实现法向追踪，成功平衡了测量范围（线性范围达14 μm，NA=0.25）与精度（轴向分辨率0.5 nm，法向分辨率0.1°）。该方法无需严格初始姿态调整即可实现自由曲面三维形貌的高精度测量（与ZYGO干涉仪偏差仅9.5 nm），为航空航天、生物医学工程等领域的微纳结构超精密测量提供了新思路。

　　

Highlight

本研究成功验证了一种兼具法向追踪能力与大线性传感范围的横向差分共焦自由曲面测量方法。该方法通过多单元横向差分共焦技术（MED）分割光斑并检测焦平面光强分布，结合二维位置敏感探测器（2D-PSD）精确获取表面角度信息，实现了自由曲面高度变化的自适应测量。

分析针孔尺寸

研究表明，当针孔离轴量v_M=4.2时，线性传感范围与拟合斜率（S_LS=0.49）达到最优平衡。通过巧妙采用可变针孔尺寸均质化光斑，在保证高分辨率的同时扩展了测量范围。

自由曲面测量系统搭建

系统采用波长633 nm半导体激光源，配合100倍高数值孔径物镜（NA=0.8）实现探测光束的紧密聚焦。MED（Hamamatsu S8558）与PSD（S5991-01）的协同工作，确保了轴向0.5 nm和法向0.1°的超高分辨率。

Conclusion

该方法突破了传统差分共焦技术在小线性范围（如0.72 μm）和低分辨率（百纳米级）方面的局限，最大可测局部角度达20°，为自由曲面制造检测提供了兼具高精度与高适应性的解决方案。其优异的抗倾斜特性和微纳结构测量潜力，在生物医学器械精密加工等领域具有重要应用前景。