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創(chuàng)新產(chǎn)品組|三等獎

?研究現(xiàn)狀：

光學(xué)元件制造領(lǐng)域?qū)拸V，包括手機(jī)、相機(jī)、顯微鏡、激光器、材質(zhì)檢測儀等細(xì)分市場，體量達(dá)萬億級。光學(xué)檢測是高精度光學(xué)元器件制造中的必備環(huán)節(jié)。其市場規(guī)模也達(dá)百億級。德國Zygo與4D兩家公司的光學(xué)干涉儀作為光學(xué)檢測主流手段，壟斷了高端市場。其產(chǎn)品昂貴（80～120萬元）制約了我國光學(xué)制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。干涉儀因光路復(fù)雜、元件加工安裝精度高，導(dǎo)致不耐環(huán)境溫度、振動、沖擊，體積大、維護(hù)難，成本高昂。為打破國外壟斷，自主研發(fā)一種低成本，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可代替干涉儀功能的光學(xué)檢測設(shè)備成為我團(tuán)隊的核心目標(biāo)。

我們研制了一種采用數(shù)字算法集成的光電轉(zhuǎn)換傳感器及自動移焦傳感器，通過測量光束的移焦圖像，解出待檢光學(xué)元件表面形狀，測量精度與干涉儀相當(dāng)。與主要依靠硬件的干涉儀工作原理不同，本產(chǎn)品采用數(shù)字算法+智能硬件，硬件加工成本顯著降低，對溫度、振動、沖擊的抵抗性大大強(qiáng)于干涉儀。因此，本產(chǎn)品不僅能夠替代干涉儀，并且能夠適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境，將應(yīng)用拓展到更加寬廣的光學(xué)檢測領(lǐng)域，從而具備廣闊的市場前景，并推動我國光學(xué)儀器制造水平向更高層次發(fā)展。

創(chuàng)新理念：

我們生產(chǎn)的自動移焦傳感器和光電轉(zhuǎn)換傳感器能夠替代干涉儀，實現(xiàn)對物體高精度表面形狀進(jìn)行數(shù)十nm級精度測量，也能夠?qū)Ω哔|(zhì)量光束的波面形狀進(jìn)行測量，從而對光束的聚焦、平行度等性能指標(biāo)進(jìn)行評價。同時，與干涉儀相較，本產(chǎn)品成本更低，體積重量更小，對環(huán)境要求更低。本產(chǎn)品主要實現(xiàn)兩大功能，第一大功能是精密光學(xué)元件質(zhì)量檢測：應(yīng)用領(lǐng)域包括光學(xué)透鏡面形檢測；光學(xué)鏡頭質(zhì)量檢測；超高精度平面檢測；玻璃、金屬、塑料等材質(zhì)的表面平整度檢測；鍍膜平整性檢測等。第二大功能是光束/波前質(zhì)量檢測：應(yīng)用領(lǐng)域包括激光光束質(zhì)量檢測；高質(zhì)量光源檢測；化工流體檢測；光刻機(jī)照明光束質(zhì)量檢測；光通信信號光束質(zhì)量檢測；5G微波波束質(zhì)量檢測等。

創(chuàng)新描述：

（一）、項目研究內(nèi)容，已有技術(shù)成果及指標(biāo)

研究內(nèi)容：

研制一套實現(xiàn)對物體表面形狀進(jìn)行高精度測量的原理樣機(jī)。

已有技術(shù)成果：

完成算法設(shè)計、仿真和原理光路驗證，并進(jìn)行了一部分誤差分析。

原理光路圖

使用原理光路對實際面形的測量結(jié)果。(a)：實際曲面，采用干涉儀測量。(b)：本樣機(jī)測得結(jié)果，花費1.3秒。(c)、(d)：現(xiàn)有主流算法測得結(jié)果，分別花費1.7小時和2.1小時。

測量殘差。(a)：本樣機(jī)測量誤差，1.3秒內(nèi)測得，全范圍均方誤差達(dá)到8.47nm。(b)、(c)：現(xiàn)有主流算法測量誤差，分別花費1.7小時和2.1小時測得，全范圍均方誤差為13.42nm和17.53nm。

光強(qiáng)影響分析

環(huán)境振動影響分析

技術(shù)指標(biāo)：

測量目標(biāo)尺寸：20 cm x 20 cm

測量精度：20 nm

（二）、項目實施的技術(shù)方案（包括技術(shù)路線、工藝的合理性及成熟性）

技術(shù)路線：

1、 根據(jù)目標(biāo)領(lǐng)域市場分析，確定技術(shù)指標(biāo)。

2、 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計原理樣機(jī)，確定關(guān)鍵元器件指標(biāo)。

3、 搭建原理樣機(jī)。

4、 驗證算法。

5、 完善原理樣機(jī)，進(jìn)行成本與性能優(yōu)化。

工藝合理性與成熟性：

本項技術(shù)原理合理，能夠達(dá)到預(yù)定性能指標(biāo)。第一款樣機(jī)已經(jīng)完成搭建，并完成同干涉儀對比測試，測試結(jié)果與干涉儀相同，因此具有成熟性。

（三）、項目的關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新點關(guān)鍵技術(shù)：

用于圖像探測的參考光測量技術(shù)。

光學(xué)元件陣列并行檢測技術(shù)。

測量光束多重移焦成像技術(shù)。

探測光波前高速解算算法。

創(chuàng)新點：

顛覆性地打破了西方通過干涉儀技術(shù)在高端光學(xué)檢測領(lǐng)域的壟斷，用核心算法導(dǎo)入精巧光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過低成本高品質(zhì)地實現(xiàn)精密光學(xué)儀器檢測功能，大幅節(jié)省光學(xué)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在檢測儀器上的投入，并大幅降低光學(xué)儀器生產(chǎn)研發(fā)門檻，推動我國光學(xué)儀器生產(chǎn)研發(fā)事業(yè)發(fā)展。

使用時間：

目前團(tuán)隊已經(jīng)成功搭建整個硬件系統(tǒng)，包括我們自主研發(fā)的自動移焦傳感器和光電轉(zhuǎn)換傳感器，照射待檢樣品的平行光/球面波光源，處理透射待檢元件的平面/球面標(biāo)準(zhǔn)鏡、模擬多種待檢樣品形貌的變形鏡、用以對比檢測精度的干涉儀，以及光束準(zhǔn)直鏡組、棱鏡、移焦成像機(jī)構(gòu)、成像元件、其它輔助元器件等。

同時核心算法已經(jīng)提交發(fā)明專利的申請，第一臺功能樣機(jī)的兩款傳感器研發(fā)已經(jīng)完成，同現(xiàn)有光學(xué)干涉儀的對比測試已經(jīng)完成。我們下一步會做傳感器及整個樣機(jī)的產(chǎn)品小型化設(shè)計，預(yù)計2020年4月左右第一款小型化樣機(jī)面世并開始銷售。

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