CN101793500B - 差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置。该方法首先通过差动共焦定焦原理分别确定被测透镜前表面顶点和后表面顶点的位置，并获取差动共焦测头两次定位的位置坐标，然后利用光线追迹公式计算透镜中心厚度。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。该装置包括分光系统、物镜、差动共焦系统、测长系统和移动导轨；其中分光系统、物镜和被测透镜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反射方向，本发明利用差动共焦光锥对透镜表面精确定位，实现了透镜中心厚度的非接触高精度测量。

Description

差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于透镜中心厚度的非接触高精度测量。

背景技术

在光学领域中，透镜中心厚度的测量具有重要意义。透镜中心厚度是光学系统中的一个重要参数，其加工质量的好坏会对光学系统的成像质量产生较大影响。特别是对于光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统中的透镜，需要根据镜头中透镜的曲率半径、折射率和中心厚度对透镜的轴向间隙、径向偏移和光轴偏角进行精密的调整。以光刻机物镜为例，每个单透镜中心厚度的偏差都会造成光刻物镜的像差，影响物镜的成像质量。目前应用较为广泛的“数码镜头”和“CCD扫描镜头”，其透镜中心厚度的精度一般为几微米，也需要有高精度的仪器来测量和检验，因此透镜中心厚度是光学零件必检和严格控制的项目之一。

目前，透镜中心厚度测量技术可分为接触式测量和非接触式测量两种。

接触式测量，一般是用手持千分表或千分尺测量。测量时，透镜中心点位置的准确性将直接影响测量精度，因此检验员在测量时要来回移动被测透镜，寻找最高点(凸镜)或最低点(凹镜)，因而测量速度慢，误差大，而且目前使用的高透过光学材料，材质较软，测量时测头在透镜表面移动，容易划伤透镜表面。

针对接触式测量存在的问题，国内学者也进行了相关研究。在1999年《实用测试技术》中发表的《光栅数显式透镜厚度测量仪》一文中，作者设计了一种利用光栅传感器作为精密长度测量器件构成的透镜中心厚度测量仪，根据不同类型的光学透镜及测量精度要求，可采用不同形式的测头及测量座组合进行测量，将测量精度提高到1μm。中国专利“测量光学透镜中心厚度的装置”(专利号：200620125116.9)，采用了在测量立柱上部放置被测透镜冶具的方法，避免了寻找透镜表面 顶点时测头在透镜表面来回移动对透镜所造成的损伤。

非接触式测量常有图像测量法、共面电容法、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。这种方法也可以应用于透镜中心厚度的测量，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，测量误差在15μm以内。

在1994年《仪器仪表学报》中发表的《光学透镜中心厚度自动检测仪》一文中，利用共面电容法测量透镜中心厚度。其采用的是相对测量的方法，即首先根据要求把电容测头与基准面调整到某一固定距离；然后将被测透镜放在基准面上，被测透镜与测头之间存在空气间隙，不同的透镜厚度对应不同的空气间隙和不同的测头电容；最后通过电路测量出相应于电容而变化的电压信号，就可以找出被测透镜厚度的相对变化，此方法的分选精度小于5μm。但这种方法测量前需要已知被测透镜材料的信号电压与空气间隙的关系曲线，在工程实际中，必须对共面电容测头进行精确测试，以取得可靠数据作为检测依据。

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。此方法的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，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实现高精度测量。

中国专利“光学元件厚度的光学测量仪器”(专利号：87200715)，利用双干涉系统对透镜中心厚度进行非接触测量。该仪器由两个迈克尔逊干涉系统组成，根据白光干涉条纹对被测透镜的两个表面进行定 位，并将被测透镜与标准块比较以求得被测透镜的中心厚度。可对胶合透镜，可见光不透明的光学元件，未知材料的光学元件等实现非接触测量。但这种仪器的结构比较复杂，测量过程中需要更换元件，其测量精度不仅取决于多个表面的定位精度，还依赖于标准块已知厚度的精度，同时为了提高测量精度，需要选取与被测透镜厚度相近的标准块。

中国专利“一种微小光学间隔的测量装置”(专利号：93238743.8)，采用偏振光干涉法测量样品厚度。入射白光在样品上下表面反射形成的两波阵面经起偏镜、双折射棱镜、检偏镜后在光电检测器阵列上形成干涉条纹，由干涉条纹间距即可得样品厚度。同时在检偏镜与光电检测器阵列之间加入一柱透镜使干涉图样沿条纹间距方向得到放大，降低了对光电检测器阵列的要求，测量精度为1-5％，但这种方法目前只用于测量玻璃平板的厚度。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，具有很好的光学层析能力，并且由于采用光强作为数据信息，相比图像处理、干涉的方法具有更高的环境抗干扰能力。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，继而实现透镜中心厚度测量的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决透镜中心厚度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透镜中心厚度的方法与装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的差动共焦透镜中心厚度测量方法，包括以下步骤：

(a)首先，调整被测透镜，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 锥顶点与被测透镜前表面顶点相重合，此时差动共焦测头的位置坐标为z₁；

(c)将差动共焦测头继续沿光轴方向扫描移动，再次利用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透镜的后表面顶点相重合，此时差动共焦测头的位置为z₂；

(d)根据已知参数：差动共焦光锥的数值孔径角α₀、被测透镜前表面的曲率半径r₁、空气折射率n₀、被测透镜折射率n和差动共焦测头两次定位的移动量l＝|z₂-z₁|，可由以下公式：

$d=r_1+\frac{n_0}{n}\·\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\sin [{\mathrm{\α}}_0+\arcsin (\frac{l-r_1}{r_1}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)-\arcsin (\frac{n_0}{n}\·\frac{l-r_1}{r_1}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)]}\·(l-r_1)$

计算得到被测透镜的中心厚度d。

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。

本发明的差动共焦透镜中心厚度测量装置，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、物镜和被测透镜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反射方向，被测透镜的表面与分光系统将光束反射至差动共焦系统，并配合差动共焦系统实现被测透镜前表面顶点和后表面顶点的精确定位；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。

本发明所述的测量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。

本发明所述的测量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。

本发明所述的测量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。

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

本发明所述的测量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。

本发明所述的测量装置还可以包括调整架，用以固定被测透镜及调整被测透镜的光轴。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.本透镜中心厚度测量方法利用差动共焦光锥对被测透镜表面实现非接触高精度定位，对被测透镜无损伤，测量速度快，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为本发明差动共焦透镜中心厚度测量方法的示意图；

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为本发明差动共焦透镜中心厚度测量装置的示意图；

图7为本发明差动共焦透镜中心厚度测量实施例的示意图；

图8为本发明差动共焦透镜中心厚度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-被测透镜前表面顶点、5-被测透镜后表面顶点、6-差动共焦光锥顶点、7-被测透镜、8-差动共焦系统、9-第二CCD探测器、10-焦后针孔、11-第二透镜、12-第一CCD探测器、13-焦前针孔、14-第一透镜、15-分光镜、16-焦后CCD探测器、17-第二透镜、18-焦前CCD探测器、19-第一透镜、20-分光镜、21-第二CCD探测器、22-焦后显微物镜、23-第二透镜、24-第一CCD探测器、25-焦前显微物镜、26-第二透镜、27-分光镜、28-准直光源、29-差动共焦测头、30-调整架、31-移动导轨、32-测长系统、33-连杆、34-机电控制装置、35-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透镜表面顶点进行精确定位，实现透镜中心厚度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。

实施例一

如图2、图5和图7所示，差动共焦透镜中心厚度测量方法，其测量步骤是：

首先，启动主控计算机35中的测量软件，输入相关参数，其主要包括被测透镜7前表面的曲率半径r₁＝90.7908mm、空气折射率n₀＝1和被测透镜7折射率n＝1.5143。

然后，打开准直光源28，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物镜 3会聚在焦点位置，同时形成空心光锥，光线再由被测透镜7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8的分光镜15；分光镜15将光线分成两路，透射光线经过第一透镜14、焦前针孔13后照明第一CCD探测器12，反射光线经过第二透镜11、焦后针孔10后照明第二CCD探测器9。

通过调整调整架30，使被测透镜7与差动共焦测头29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34驱动差动共焦测头29沿移动导轨31在光轴方向扫描移动，差动共焦系统8通过探测第一CCD探测器12与第二CCD探测器9的差动响应信号的绝对零点值来确定差动共焦光锥顶点6与被测透镜7表面顶点重合，并依次记录在两个重合点处差动共焦测头29的位置坐标z₁，z₂。响应信号如图8所示，其中I₁(z)、I₂(z)分别为z₁、z₂点处的差动响应信号。

将差动共焦测头29的位置坐标z₁、z₂，传送给主控计算机35，主控计算机35中的测量软件根据已知参数：差动共焦光锥的数值孔径角α₀、被测透镜7前表面的曲率半径r₁、空气折射率n₀、被测透镜7折射率n和差动共焦测头29两次定位的移动量l＝|z₂-z₁|，可由以下公式：

$d=r_1+\frac{n_0}{n}\·\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\sin [{\mathrm{\α}}_0+\arcsin (\frac{l-r_1}{r_1}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)-\arcsin (\frac{n_0}{n}\·\frac{l-r_1}{r_1}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)]}\·(l-r_1)$

计算得到被测透镜7的中心厚度d。

如图2、图5和图7所示，差动共焦透镜中心厚度测量装置，包括准直光源28，依次放在准直光源28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8，其中被测透镜7表面和分光系统2将光束反射至差动共焦系统8中的分光镜15；分光镜15将光线分成两路，透射光线经过第一透镜14、焦前针孔13后照明第一CCD探测器12，反射光线经过第二透镜11、焦后针孔10后照明第二CCD探测器9。

准直光源28、环形光瞳1、分光系统2、物镜3和差动共焦系统8共同构成差动共焦测头29，通过连杆33安装于移动导轨31上。被测透镜7固定在调整架30上。主控计算机35获取差动共焦响应信号； 主控计算机35与机电控制装置34连接，使其驱动差动共焦测头29在光轴方向扫描移动，配合差动共焦系统8和测长系统32即可得到透镜两表面的位置信息。

本实施例所得差动共焦测头29沿光轴方向扫描所得位置坐标依次为：z₁＝0.0018mm，z₂＝-2.6745mm。代入计算公式，可得透镜中心厚度d＝4.0068mm。

实施例二

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8后，分光镜20将光线分成两路，透射光经过第一透镜19后照明焦前CCD探测器18，反射光经过第二透镜17后照明焦后CCD探测器16。其余测量方法与装置与实施例一相同。

实施例三

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8后，分光镜27将光线分成两路，透射光经过第一透镜26、焦前显微物镜25后在第一CCD探测器24表面成像，反射光经过第二透镜23、焦后显微物镜22后在第二CCD探测器21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透镜中心厚度的非接触高精度测量，实现了差动共焦透镜中心厚度测量的方法与装置，具有对被测透镜无损伤、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，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：

(a)首先，调整被测透镜，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透镜前表面顶点相重合，此时差动共焦测头的位置坐标为z₁；

(c)将差动共焦测头继续沿光轴方向扫描移动，再次利用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透镜的后表面顶点相重合，此时差动共焦测头的位置为z₂；

(d)根据已知参数：差动共焦光锥的数值孔径角α₀、被测透镜前表面的曲率半径r₁、空气折射率n₀、被测透镜折射率n和差动共焦测头两次定位的移动量l＝|z₂-z₁|，可由以下公式：

$d=r_1+\frac{n_0}{n}\·\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\sin [{\mathrm{\α}}_0+\arcsin (\frac{l-r_1}{r_1}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)-\arcsin (\frac{n_0}{n}\·\frac{l-r_1}{r_1}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)]}\·(l-r_1)$

计算得到被测透镜的中心厚度d。

2.根据权利要求1所述的差动共焦透镜中心厚度测量方法，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。

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