CN101762240A - 差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置，该方法首先通过差动共焦定焦原理对镜组内各透镜表面实现高精度定位，并获得各定位点处差动共焦测头的位置坐标，然后利用光线追迹递推公式依次计算镜组内各轴向间隙。同时在测量光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差对测量结果的影响。本发明使用差动共焦光锥对镜组内的透镜表面实现非接触高精度定位，具有工作距离长，测量速度快，测量过程中无需拆卸被测镜组等特点。可用于镜组内轴向间隙的非接触高精度测量。

Description

差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可在不拆卸镜组的情况下实现镜组内轴向间隙的非接触高精度测量。

技术背景

在光学领域中，镜组内轴向间隙的测量具有重要意义。光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统的装配过程中，需要根据镜头中透镜的曲率半径和折射率对透镜轴向间隙、径向偏移和光轴偏角进行精密的调整。以光刻机物镜为例，每个单透镜的轴向间隙偏差都会造成光刻物镜的球差、像散、慧差、畸变等像差，影响物镜的成像质量。为了把轴向偏差控制到最小，需要对透镜轴向间隙的测量精度达到微米量级。

目前，镜组内各透镜之间的间隙主要依靠机械加工与装配的精度来保证，装配过程中可以通过接触式测高的方法，结合单透镜的厚度计算透镜间的间隙。Mirau干涉仪可以通过代替接触式方法对安装过程中的单片透镜外表面进行高精度定位，实现准确的透镜装配，但却无法深入镜组内部对多个透镜表面进行高精度定位。

国内外现有的轴向间隙测量的方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类。

接触式测量通常有两种：一是测量前一透镜的上顶点与后一透镜的上顶点的距离，然后减去透镜厚度。二是测量球面顶点到镜座端面的距离。接触式测量的主要缺点是容易划伤透镜表面。为避免划伤，通常在测量头与被测表面之间加一层保护纸，因此测量精度较低。有些镀有特殊膜层的表面，严禁接触式测量。对于已经装配完成的镜组，则需要拆卸后进行测量，拆卸和重新装配过程都会引入误差，所以接触式测量不适用于间隙的高精度测量。

非接触式间隙测量主要有图像测量法、白光共焦法和干涉法。

2005年《传感器技术》中发表的《基于图像测量技术的装配间隙在线测量研究》一文中，介绍了一种基于图像测量技术的在线测量方案，将间隙通过光学系统在CCD摄像机中成的像送交图像测量软件处理和分析，由测量软件给出结果。在镜组装配过程中，可以实时测量多个透镜之间的轴向间隙。但由于受摄像机成像系统、CCD分辨力、图像清晰程度和标定系数精确度等的影响，难以达到较高的测量精度，测量误差在0.015mm以内。同时对于已经装配完成的镜组，需要拆卸后进行测量，所以图像测量法也不适用于镜组间隙的高精度测量。

2005年在《GLASS SCIENCE AND TECHNOLOGY》中发表的《Noncontact measurement of central lens thickness》一文中，采用白光共焦法测量透镜中心厚度。这种方法首先利用白光通过透镜后轴向色差形成的探针对被测透镜表面顶点进行定位，然后通过被测透镜上下表面顶点反射的光谱信息计算透镜的厚度。此方法也可以应用于测量镜组之间的轴向间隙，其特点在于能够实现实时测量，但白光是非相干光，定焦灵敏度和分辨力较低，工作距离有限(30μm-25mm)。特别是很难准确已知被测透镜在不同波长处的折射率，一般都是通过测定特定波长处的折射率后插值所得，由于此项参数对测量结果的影响较大，所以这种方法在实际应用中很难达到较高的测量精度。

中国专利“非接触式光学系统空气间隔测量工作方法及设备”(专利号：01133730.3)，采用干涉定位的原理，实现了空气间隔的非接触测量。在镜组安装过程中，此方法可代替接触式测高法来保证镜组内透镜之间的空气间隔，通过移动标准镜头，可对顺序安装的两透镜上表面顶点实现精确定位，用标准镜头两次定位的移动量减去后安装上的透镜的厚度即可得到两透镜之间的空气间隔。这种方法由标准镜头的焦点定位，其定位精度可达λ/20以上，具有较高的测量精度。同时此方法属于非接触式测量，具有对被测透镜无损伤、使用方便等优点。但对于已经装配完成的镜组则无法深入其内部进行间隙测量。

应用较多的还有偏振干涉法，例如：美国专利“Optical gapmeasuring apparatus and method”(专利号：5953125)，提出了一种高速测量两表面间距的光学方法和装置，其中第一表面是基本透明部件的部分，第二表面是测试物体表面，先用透镜将光束通过偏振部件以一个倾斜角度射到第一表面，并将测量光束定位在受测表面上，再利用从第一表面和受测物体表面上反射光束的合光效应使偏振光束通过透明部件后反射，然后，用偏振灵敏强度探测器和相位探测器测量由入射平面限定的偏振分量的强度和相对相位，分析这些测量参数，即可得到两表面间隙。与此类似的还有美国专利“Gap measuring apparatususing interference fringes of reflected light”(专利号：4932781)。偏振干涉法的特点在于测量速度快、测量精度高。但这种方法目前主要应用于测量受测试物体表面相对于透明部件的平行表面之间的微小间隙，无法实现镜组内多个透镜间轴向间隙的高精度测量。

综上所述，至今尚无一种技术，可以在镜组装配完成后，不拆卸镜组的情况下，实现镜组内轴向间隙的高精度测量。

实现镜组内轴向间隙测量的关键有两点，首先是实现一种具有高精度、大工作距离的非接触式层析能力的光学定位技术，其次是间隙的计算算法能够补偿镜组内部多个透镜对测量光路的影响。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，与传统共焦光路相比具有更好的层析能力，更高的轴向定位瞄准精度，更强的环境抗干扰能力。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗干扰能力，但差动共焦技术主要适用于微观显微测量领域，而将该项技术直接应用于透镜表面定位，继而实现镜组内轴向间隙测量的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决镜组内轴向间隙的非接触高精度测量问题，提出一种利用差动共焦技术精确测量镜组内轴向间隙的方法与装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的差动共焦镜组轴向间隙测量方法，包括以下步骤：

(a)首先，调整被测镜组，使其与差动共焦测头共光轴；

(b)然后，出射差动共焦光锥的差动共焦测头沿光轴方向扫描移动，差动共焦系统通过探测差动响应信号的绝对零点值来确定差动共焦光锥顶点与被测镜组内透镜表面顶点相重合，依次记录各重合点处差动共焦测头的位置坐标z₁，z₂，…，z_m(m为镜组内透镜的总透光面数)；

(c)根据已知参数：差动共焦光锥的数值孔径角α₀、被测镜组内多个单片透镜的曲率半径r₁～r_n、折射率n₀～n_n和差动共焦测头的位置坐标z₁～z_n+1，可由光线追迹递推公式：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\α}}_n}^{\′}={{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′}+\arcsin (\frac{{l_{n-1}}^{\′}{d}_{n-1}-r_n}{r_n}\·\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′})-\arcsin (\frac{n_{n-1}}{n_n}\·\frac{{l_{n-1}}^{\′}-d_{n-1}-r_n}{r_n}\·\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′})\\ {l_n}^{\′}=r_n+\frac{n_{n-1}}{n_n}\·\frac{\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′}}{\sin {{\mathrm{\α}}_n}^{\′}}\·({l_{n-1}}^{\′}-d_{n-1}-r_n)\end{array}\right.$

n＝1，2，…m-1

得到镜组内第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙d_n＝l_n′；其中初始参数：α₀′＝α₀，l₀′＝|z_n+1-z₁|，d₀＝0。

本发明所述的测量方法，利用环形光瞳遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减像差对测量结果的影响。

本发明提供了差动共焦镜组轴向间隙测量装置，包括准直光源，其特征在于：包括分光系统、物镜、差动共焦系统、测长系统和移动导轨；其中分光系统、物镜和被测镜组依次放在准直光源出射光线方向，差动共焦系统放置在分光系统的反射方向，被测镜组内的透镜表面与分光系统将光束反射至差动共焦系统，并配合差动共焦光锥实现被测镜组内各透镜表面顶点的定位；准直光源、分光系统、物镜和差动共焦系统共同构成差动共焦测头，并与测长系统安装于移动导轨上。

本发明所述的测装置中差动共焦系统可以由一个分光镜、两个透镜、两个针孔和两个CCD探测器构成；光线进入差动共焦系统后，分光镜将光线分成两路，其中一路光经过第一透镜、焦前针孔后照明第一CCD探测器，另一路光经过第二透镜、焦后针孔后照明第二CCD探测器。

本发明所述的测装置中差动共焦系统可以由一个分光镜、两个透镜和两个CCD探测器构成；光线进入差动共焦系统后，分光镜将光线分成两路，其中一路光经过第一透镜后照明焦前CCD探测器，另一路光经过第二透镜后照明焦后CCD探测器。

本发明所述的测装置中差动共焦系统可以由一个分光镜、两个透镜、两个显微物镜和两个CCD探测器构成；光线进入差动共焦系统后，分光镜将光线分成两路，其中一路光经过第一透镜、焦前显微物镜后在第一CCD探测器表面成像，另一路光经过第二透镜、焦后显微物镜后在第二CCD探测器表面成像。

本发明所述的测装置还可以包括环形光瞳，将其置于准直光源和分光系统之间，形成空心的测量光锥。

本发明所述的测装置还可以包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机获取差动共焦响应信号；主控计算机控制机电控制装置，使其驱动差动共焦测头沿光轴方向扫描移动。

本发明所述的测装置还可以包括调整架，用以固定被测镜组及调整被测镜组的光轴。

有益效果：

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.本镜组轴向间隙测量方法无需拆卸被测镜组，利用差动共焦光锥对镜组内透镜表面实现非接触高精度定位，对被测镜组无损伤，工作距离长。

2.在光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差的对测量结果的影响。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.利用差动共焦系统良好的层析能力实现了镜组内透镜表面的精确定位。

2.利用差动共焦系统高轴向分辨能力显著提高了测量精度。

3.本测量方法中，差动共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合差动共焦系统进行光强调制与滤波，削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响，相比以图像、干涉条纹作为定位判据的测量方法具有更高的稳定性。

附图说明

图1为本发明差动共焦镜组轴向间隙测量方法的示意图；

图2为本发明差动共焦系统的示意图；

图3为本发明差动共焦系统的示意图；

图4为本发明差动共焦系统的示意图；

图5为本发明差动共焦测头的示意图；

图6为本发明差动共焦镜组轴向间隙测量装置的示意图；

图7为本发明差动共焦镜组轴向间隙测量实施例的示意图；

图8为本发明差动共焦镜组轴向间隙测量实施例的差动共焦响应曲线图；

其中：1-环形光瞳、2-分光系统、3-物镜、4-被测镜组、5-差动共焦光锥顶点、6-差动共焦系统、7-第二CCD探测器、8-焦后针孔、9-第二透镜、10-第一CCD探测器、11-焦前针孔、12-第一透镜、13-分光镜、14-焦后CCD探测器、15-第二透镜、16-焦前CCD探测器、17-第一透镜、18-分光镜、19-第二CCD探测器、20-焦后显微物镜、21-第二透镜、22-第一CCD探测器、23-焦前显微物镜、24-第一透镜、25-分光镜、26-准直光源、27-差动共焦测头、28-调整架、29-移动导轨、30-测长系统、31-连杆、32-机电控制装置、33-主控计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是利用差动共焦光锥对镜组内各透镜表面顶点高精度定位，实现镜组内轴向间隙的非接触高精度测量。同时在测量光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差对测量结果的影响。

实施例1

如图2、图5和图7所示，差动共焦镜组轴向间隙测量方法，其测量步骤是：

首先，启动主控计算机33中的测量软件，输入被测镜组4的设计参数，包括镜组内各透镜的曲率半径，从左往右依次为：r₁＝195.426mm，r₂＝-140.270mm，r₃＝-140.258mm，r₄＝-400.906mm；折射率，从左往右依次为：n₀＝1，n₁＝1.5143，n₂＝1，n₃＝1.668615。

然后，打开准直光源26，其射出的平行光通过透光直径为6.8mm-9.6mm的环形光瞳1，透过分光系统2，经顶焦距为35mm的物镜3会聚在焦点位置5，同时形成空心光锥，光线再由被测镜组4内透镜表面反射后，再次通过物镜3和分光系统2反射进入差动共焦系统6的分光镜13；分光镜13将光线分成两路，透射光线经过第一透镜12、焦前针孔11后照明第一CCD探测器10，反射光线经过第二透镜9、焦后针孔8后照明第二CCD探测器7。

通过调整调整架28，使被测镜组4与差动共焦测头27共光轴，避免因光轴偏移而引起的测量误差。

测量过程中，机电控制装置32驱动差动共焦测头27沿移动导轨29在光轴方向扫描移动，差动共焦系统6通过探测第一CCD探测器10与第二CCD探测器7的差动响应信号的绝对零点值来确定差动共焦光锥顶点5与被测镜组4内透镜表面顶点重合，并依次记录各重合点处差动共焦测头27的位置坐标z₁～z₄。响应信号如图8所示，其中I₁(z)～I₄(z)分别对应z₁～z₄点处的差动响应信号。

将差动共焦测头27的位置坐标z₁～z₄，传送给主控计算机33，主控计算机33中的测量软件结合被测镜组4的参数由以下的光线追迹递推公式依次计算镜组内各轴向间隙：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\α}}_n}^{\′}={{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′}+\arcsin (\frac{{l_{n-1}}^{\′}{d}_{n-1}-r_n}{r_n}\·\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′})-\arcsin (\frac{n_{n-1}}{n_n}\·\frac{{l_{n-1}}^{\′}-d_{n-1}-r_n}{r_n}\·\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′})\\ {l_n}^{\′}=r_n+\frac{n_{n-1}}{n_n}\·\frac{\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′}}{\sin {{\mathrm{\α}}_n}^{\′}}\·({l_{n-1}}^{\′}-d_{n-1}-r_n)\end{array}\right.$

n＝1，2，3

式中已知参数包括差动共焦光锥的数值孔径角α₀、镜组4内多个单片透镜的曲率半径r₁～r₄、折射率n₀～n₃和差动共焦测头27的位置坐标z₁～z₄；初始条件为：α₀′＝α₀，l₀′＝|z_n+1-z₁|，d₀＝0。其迭代结果即为第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙d_n＝l_n′。

如图2、图5和图7所示，差动共焦镜组轴向间隙测量装置，包括准直光源26，依次放在准直光源26出射平行光方向的环形光瞳1、分光系统2和物镜3，还包括放置在分光系统2反射方向的差动共焦系统6，其中被测镜组4内透镜表面和分光系统2将光束反射至差动共焦系统6中的分光镜13；分光镜13将光线分成两路，透射光线经过第一透镜12、焦前针孔11后照明第一CCD探测器10，反射光线经过第二透镜9、焦后针孔8后照明第二CCD探测器7。

准直光源26、环形光瞳1、分光系统2、物镜3和差动共焦系统6共同构成差动共焦测头27，通过连杆31安装于移动导轨29上。被测镜组4固定在调整架28上。主控计算机33获取差动共焦响应信号；主控计算机33与机电控制装置32连接，使其驱动差动共焦测头27在光轴方向扫描移动，配合差动共焦系统6和测长系统30即可得到镜组内各表面的位置信息。

本实施例所得差动共焦测头27沿光轴方向扫描所得位置坐标依次为：z₁＝0.16215mm，z₂＝-7.8946mm，z₃＝-8.2271mm，z₄＝-14.5258mm。经递推公式迭代计算后，可得两透镜之间的轴向间隙d＝0.3178mm。

实施例2

如图3、图5和图7所示，将实施例一图2中的差动共焦系统替换为图3中的差动共焦系统，即可构成实施例二。与实施例一所不同的是，光线进入差动共焦系统6后，分光镜18将光线分成两路，透射光经过第一透镜17后照明焦前CCD探测器16，反射光经过第二透镜后15照明焦后CCD探测器14。其余测量方法与装置与实施例一相同。

实施例3

如图4、图5和图7所示，将实施例一图2中的差动共焦系统替换为图4中的差动共焦系统，即可构成实施例二。与实施例一所不同的是，光线进入差动共焦系统6后，分光镜25将光线分成两路，透射光经过第一透镜24、焦前显微物镜23后在第一CCD探测器22表面成像，反射光经过第二透镜21、焦后显微物镜20后在第二CCD探测器19表面成像。其余测量方法与装置与实施例一相同。

此实施例通过一系列的措施实现了镜组内轴向间隙的非接触高精度测量，实现了差动共焦镜组轴向间隙测量的方法与装置，具有对被测镜组无损伤、测量精度高、工作距离长、使用方便等优点。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.差动共焦镜组轴向间隙测量方法，其特征在于：

(a)首先，调整被测镜组，使其与差动共焦测头共光轴；

(b)然后，出射差动共焦光锥的差动共焦测头沿光轴方向扫描移动，差动共焦系统通过探测差动响应信号的绝对零点值来确定差动共焦光锥顶点与被测镜组内透镜表面顶点相重合，依次记录各重合点处差动共焦测头的位置坐标z₁，z₂，…，z_m(m为镜组内透镜的总透光面数)；

(c)根据已知参数：差动共焦光锥的数值孔径角α₀、被测镜组内多个单片透镜的曲率半径r₁～r_n、折射率n₀～n_n和差动共焦测头的位置坐标z₁～z_n+1，可由光线追迹递推公式：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\α}}_n}^{\′}={{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′}+\arcsin (\frac{{l_{n-1}}^{\′}-d_{n-1}-r_n}{r_n}\·\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′})-\arcsin (\frac{n_{n-1}}{n_n}\·\frac{{l_{n-1}}^{\′}-d_{n-1}-r_n}{r_n}\·\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′})\\ {l_n}^{\′}=r_n+\frac{n_{n-1}}{n_n}\·\frac{\sin {{\mathrm{\α}}_{n-1}}^{\′}}{\sin {{\mathrm{\α}}_n}^{\′}}\·({l_{n-1}}^{\′}-d_{n-1}-r_n)\end{array}\right.$

n＝1，2，…m-1

得到镜组内第n个透光表面与第n+1个透光表面之间的轴向间隙d_n＝l_n′；其中初始参数：α₀′＝α₀，l₀′＝|z_n+1-z₁|，d₀＝0。

2.根据权利要求1所述的差动共焦镜组轴向间隙测量方法，其特征在于：利用环形光瞳遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减像差对测量结果的影响。

3.差动共焦镜组轴向间隙测量装置，包括准直光源，其特征在于：包括分光系统、物镜、差动共焦系统、测长系统和移动导轨；其中分光系统、物镜和被测镜组依次放在准直光源出射光线方向，差动共焦系统放置在分光系统的反射方向，被测镜组内的透镜表面与分光系统将光束反射至差动共焦系统，并配合差动共焦光锥实现被测镜组内各透镜表面顶点的定位；准直光源、分光系统、物镜和差动共焦系统共同构成差动共焦测头，并与测长系统安装于移动导轨上。

4.根据权利要求3所述的差动共焦镜组轴向间隙测量装置，其特征在于：差动共焦系统由一个分光镜、两个透镜、两个针孔和两个CCD探测器构成；光线进入差动共焦系统后，分光镜将光线分成两路，其中一路光经过第一透镜、焦前针孔后照明第一CCD探测器，另一路光经过第二透镜、焦后针孔后照明第二CCD探测器。

5.根据权利要求3所述的差动共焦镜组轴向间隙测量装置，其特征在于：差动共焦系统由一个分光镜、两个透镜和两个CCD探测器构成；光线进入差动共焦系统后，分光镜将光线分成两路，其中一路光经过第一透镜后照明焦前CCD探测器，另一路光经过第二透镜后照明焦后CCD探测器。

6.根据权利要求3所述的差动共焦镜组轴向间隙测量装置，其特征在于：差动共焦系统由一个分光镜、两个透镜、两个显微物镜和两个CCD探测器构成；光线进入差动共焦系统后，分光镜将光线分成两路，其中一路光经过第一透镜、焦前显微物镜后在第一CCD探测器表面成像，另一路光经过第二透镜、焦后显微物镜后在第二CCD探测器表面成像。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的差动共焦镜组轴向间隙测量装置，其特征在于：包括环形光瞳，将其置于准直光源和分光系统之间，形成空心的测量光锥。

8.根据权利要求3或4或5或6或7所述的差动共焦镜组轴向间隙测量装置，其特征在于：包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机获取差动共焦响应信号；主控计算机控制机电控制装置，使其驱动差动共焦测头沿光轴方向扫描移动。

9.根据权利要求3或4或5或6或7或8所述的差动共焦镜组轴向间隙测量装置，其特征在于：包括调整架，用以固定被测镜组及调整被测镜组的光轴。

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