基于相位敏感检测技术的LED阵列精确通道分辨光谱特性分析

《Optics and Lasers in Engineering》：Accurate channel-resolved spectral characterization of LED arrays based on phase-sensitive detection

高精度法向量测量技术及自由曲面检测方法研究，提出基于激光共焦固定焦点（NVM-LCFF）的自由曲面形貌测量方法。通过激光共焦轴向响应峰值与物镜焦点的精确对应关系，结合光电探测器实时采集焦点位置及法向量数据，消除焦点偏移对法向量测量的影响。利用旋转-平移不变性原理，预扫描至少四个采样点坐标及法向量，通过非线性最小二乘优化实现初始表面定位，降低对高精度参考监测框架的依赖。实验验证显示测量精度优于±50nm，有效抑制导轨直线度误差，适用于大范围、高陡度自由曲面检测。

　　在现代光学制造领域，自由曲面的测量精度和技术要求正变得越来越重要。自由曲面因其独特的几何特性，为光学系统设计提供了更大的自由度，从而提升了光学性能。然而，由于自由曲面通常基于基本曲面叠加高阶多项式，其结构不再具有旋转对称性，这使得其测量比传统规则曲面更具挑战性。尤其是在需要达到小于±50 nm的加工精度时，传统的自由曲面测量方法往往难以满足高精度需求。因此，开发一种新的、高精度且具有广泛适用性的自由曲面测量技术成为迫切需求。

本文提出了一种基于激光共焦固定焦距的高精度法线向量测量方法（NVM-LCFF），用于自由曲面的检测。该方法的核心思想是利用激光共焦轴向响应的峰值位置与光学系统焦点之间的精确对应关系。通过轴向扫描，同时获取激光共焦轴向响应和由位置敏感探测器（PSD）检测到的光斑质心位置。由于在焦点位置时，光斑质心的测量精度最高，该方法通过计算激光共焦轴向响应的焦点位置，从而获得光斑质心，有效消除了因采样点失焦引起的质心定位误差。

NVM-LCFF方法的关键在于其对自由曲面结构特性的适应性。自由曲面的复杂形状通常无法通过传统的单点探针扫描测量方法实现精确测量，因为这些方法依赖于高精度的直线运动基准，且容易受到导轨直线度误差的影响。相比之下，NVM-LCFF方法通过精确测量自由曲面的法线向量，使得测量过程不再依赖于高精度的参考监控框架。这一创新不仅降低了测量系统的成本，还提高了其对不同尺寸和形状自由曲面的适用性。

在实际应用中，NVM-LCFF方法通过采集至少四个采样点的坐标和法线向量数据，结合非线性最小二乘优化算法，进行预注册，从而获得自由曲面的初始位置估计。这一过程显著减少了对位置调整的精度要求，提高了测量效率。随后，根据设计模型和自由曲面的位置，规划扫描测量路径，并通过精确测量一系列采样点的法线向量，重建自由曲面的坐标信息，最终实现纳米级精度的自由曲面轮廓测量。

NVM-LCFF方法的优势在于其独立于高精度参考监控框架的能力。传统的单点探针扫描测量仪器通常需要昂贵的参考监控框架来消除直线度误差的影响，而NVM-LCFF方法通过直接测量法线向量，避免了这一问题。此外，该方法还能够有效减少特殊形状自由曲面与参考监控框架之间可能产生的空间结构干扰，提高了测量的可靠性和稳定性。

在实际测试中，该方法的测量精度达到了±50 nm，显著优于传统方法。实验结果表明，NVM-LCFF方法能够有效减少直线度误差对测量精度的影响，同时具备较高的动态测量范围和分辨率。这使得该方法在光学制造领域具有广泛的应用前景，特别是在需要高精度测量的场合，如高分辨率光学镜片、自由曲面光学元件等。

NVM-LCFF方法的实施依赖于高精度的光学系统和传感器配置。例如，激光共焦传感器用于检测光斑的轴向响应，而位置敏感探测器（PSD）则用于测量光斑质心的位置。通过这两个传感器的协同工作，可以准确判断光学系统的焦点位置，并据此计算出采样点的法线向量。这一过程需要对激光共焦传感器的响应曲线进行精确分析，并结合PSD的测量结果进行数据处理。

此外，NVM-LCFF方法还利用了采样点之间的欧几里得距离和法线向量之间的角度关系，这些关系具有旋转和位移不变性，从而进一步提高了测量的稳定性。通过对这些关系的分析，可以更准确地重建自由曲面的轮廓信息，使得测量结果更加可靠。同时，该方法的动态测量范围不受传感器本身限制，而是通过扫描路径的规划和优化得以扩展，从而满足不同尺寸和形状自由曲面的测量需求。

为了实现高精度的测量，NVM-LCFF方法还需要考虑光学系统的设计和优化。例如，光学镜头的焦距选择对法线向量测量的精度有着重要影响。当法线向量测量光束能够被光学镜头完全收集时，光斑质心的偏移量与自由曲面法线向量与光轴之间的夹角以及镜头的焦距之间存在正相关关系。因此，合理选择镜头焦距可以有效提高法线向量测量的分辨率，从而提升整体测量精度。

NVM-LCFF方法还强调了系统集成的重要性。测量系统通常包括法线向量测量传感器、控制系统和数据处理模块。通过高精度编码器触发数据采集卡，可以实现激光共焦传感器轴向响应数据的同步采集。这一同步采集机制确保了测量数据的准确性和一致性，为后续的数据处理提供了可靠的基础。

在数据处理方面，NVM-LCFF方法采用了非线性最小二乘优化算法，以获得更精确的自由曲面位置估计。这一算法能够有效处理测量过程中可能出现的误差，并通过迭代优化提高测量结果的精度。此外，通过预注册和路径规划，可以进一步减少测量过程中的不确定因素，提高测量效率和稳定性。

NVM-LCFF方法在实际应用中还展现出良好的适应性和扩展性。对于不同类型的自由曲面，如具有大波前斜率的曲面或复杂几何形状的曲面，该方法都能够提供高精度的测量结果。同时，该方法还能够在线补偿空间运动误差，确保测量过程的连续性和可靠性。

综上所述，NVM-LCFF方法为自由曲面的高精度测量提供了一种全新的技术路径。它不仅克服了传统方法对高精度参考监控框架的依赖，还显著提高了测量的精度和动态范围。通过精确测量法线向量，该方法能够在不依赖昂贵参考设备的情况下，实现自由曲面的高精度轮廓重建，为光学制造领域带来了更高的效率和更低的成本。这一方法的提出，为未来自由曲面测量技术的发展提供了重要的理论和技术支持，具有广阔的应用前景和研究价值。