CN102679894A - 反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法。该方法通过差动共焦测量方法配合平面反射镜精确定位透镜前表面顶点和后表面顶点，进而通过光线追迹公式测得透镜中心厚度。本发明首次提出利用被测透镜自身发出的光束并结合差动共焦技术对被测透镜前、后表面顶点进行高精度定焦瞄准，很大程度上降低了被测透镜的装调难度，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点，可用于透镜中心厚度的高精度检测。

Description

反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法

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。 

技术背景

在光学系统中，透镜是其最为基础及重要的元件之一，其光学性能的高低将直接影响系统的整体性能。因此，为保证光学系统的整体性能达到要求，将对使用的每一个透镜的参数提出严格的公差要求。在透镜的所有参数中，透镜的中心厚度是最为基础和重要的参数之一，其加工精度将直接影响透镜焦距、像差等综合性能，进而影响整个光学系统的性能。并且随着光刻机、核聚变光学系统等尖端工程的出现，其对包括透镜中心厚度在内的所有光学参数提出了更为严格的要求。为保证所加工的光学透镜满足设计公差要求，就需要有高精度的光学检测仪器对其参数进行逐项检测，进而消除其加工偏差。所以，光学高精度透镜中心厚度非接触测量对高精度透镜的加工、检测具有重要的意义。 

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到图像测量软件中进行处理和分析，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15um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。 

本发明人也曾提出利用差动共焦技术测量透镜的中心厚度，并申请专利“差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(专利号：201010000555.8)。但在该专利中，被测透镜放置于会聚光束中，测量时需要对被测透镜进行四维调整，使其光轴与会聚光束光轴调整到完全一致，装调过程复杂。本专利提出将被测透镜同时也做物镜使用，测量时将被测透镜放置于从准直透镜出射的平行光束中，由于平行光束的光轴仅有俯仰、偏摆两个维度，因此仅需对被测透镜进行二维调整，被测透镜的横向偏移不会对测量造成影响，很大程度地降低了被测透镜的装调难度，减小了因装调误差带来的测量误差项，有助于更进一步地提高被测透镜中心厚度的测量精度。 

发明内容

本发明的目的是为了降低差动共焦透镜中心厚度测量方法中的装调难度，进一步提高被测透镜中心厚度的测量精度，提出一种反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

本发明的一种反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法，包括以下步骤： 

(a)打开点光源，其发出的光透过分光镜、准直透镜和被测透镜后由平面反射镜反射形成测量光束，测量光束照射在被测透镜前表面或后表面，被测透镜的前表面或后表面将测量光束反射，反射回来的光沿原光路返回，并由分光镜反射进入差动共焦测量系统； 

(b)调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光照射在被测透镜上，调整平面反射镜，使其与准直透镜共光轴； 

(c)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与被测透镜后表面接近，在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测透镜后表面相重合，记录此时平面反射镜的位置z₁； 

(d)将平面反射镜继续沿光轴向被测透镜方向移动，使测量光束的聚焦焦点 与被测透镜前表面接近，在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测透镜前表面相重合，记录此时平面反射镜的位置z₂； 

(e)根据已知参数：测量光束的数值孔径角α₀、被测透镜后表面的曲率半径r₂、空气折射率n₀、被测透镜折射率n和两次定位的平面反射镜移动量l＝|z₂-z₁|，可由以下公式： 

$d=r_2+\frac{n_0}{n}\·\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\sin [{\mathrm{\α}}_0+\arcsin (\frac{2l-r_2}{r_2}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)-\arcsin (\frac{n_0}{n}\·\frac{2l-r_2}{r_2}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)]}\·(2l-r_2)$

计算得到被测透镜的中心厚度d。 

本发明所述的反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法，还可以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。 

本发明所述的反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由差动共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的差动共焦响应信号，将该调制信号解调后得到差动共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。 

有益效果： 

本发明对比已有技术具有以下创新点： 

1.首次提出利用被测透镜自身发出的光束并结合差动共焦技术对被测透镜前后表面顶点进行高精度定焦瞄准，进而测得其中心厚度； 

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，削减像差的对测量结果的影响； 

3.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。 

本发明对比已有技术具有以下显著优点： 

1.相比于其它测量透镜中心厚度的方法，该方法由于采用差动共焦定焦技术，其测量精度显著提高； 

2.相比于已申请的专利“差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(专利号：201010000555.8)，在本发明中，被测透镜同时也做物镜用，很大程度上降低了装置的复杂程度，同时被测透镜的装调维度由四维降低到二维，降低了被测镜的装调难度； 

3.相比于已申请的专利“差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(专利号：201010000555.8)，本发明减小了因装调误差带来的测量误差项，更进一步 提高了被测透镜中心厚度的测量精度。 

附图说明

图1为本发明反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法的示意图； 

图2为本发明反射式差动共焦透镜中心厚度测量实施例的示意图； 

图3为本发明由差动共焦测量系统探测得到的差动共焦响应曲线； 

其中：1-点光源、2-分光镜、3-准直透镜、4-环形光瞳、5-被测透镜、6-测量光束、7-平面反射镜、8-差动共焦测量系统、9-分光镜、10-焦前针孔、11-焦前光强传感器、12-焦后针孔、13-焦后光强传感器、14-焦前显微物镜、15-CCD探测器、16-焦后显微物镜、17-CCD探测器、18-点光源发生装置、19-光纤、20-激光器、21-主控计算机、22-图像采集卡、23-图像采集卡、24-机电控制装置、25-直线平移导轨、26-二维调整架。 

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。 

本发明利用被测透镜自身出射的光束借助平面反射镜反射后形成测量光束，并结合差动共焦定焦技术对被测透镜前后表面的顶点进行高精度的定焦瞄准，进而测得被测透镜的中心厚度。同时，本发明还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 

如附图1和附图2所示，反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法，其测量步骤是： 

(a)启动主控计算机21中的测量软件，输入相关参数，其主要包括被测透镜5后表面的曲率半径r₂＝100.7134mm、空气折射率n₀＝1、被测透镜5折射率n＝1.5143和测量光束6的数值孔径角α₀＝5.8°。 

(b)打开激光器20，激光器20所发出的光经光纤19传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2、准直透镜3形成平行光束； 

(c)将平面反射镜7放置于二维调整架26上，通过二维调整架26调整平面反射镜7，使其表面与平行光束光轴相垂直； 

(d)将被测透镜5放置于准直透镜3和平面反射镜6之间，调整被测透镜5，使其与准直透镜3共光轴。平行光照射在被测透镜5上，由被测透镜5会聚的光经平面反射镜7反射后形成测量光束6照射在被测透镜5的表面； 

(e)主控计算机21中的测量软件通过机电控制装置24控制直线平移导轨25 轴向平移，进而带动平面反射镜7沿光轴方向移动。使测量光束6的聚焦焦点与被测透镜5的后表面接近。在该位置附近扫描平面反射镜7，测量软件通过图像采集卡22和图像采集卡23采集得到焦前光斑数据和焦后光斑数据并处理出如附图3所示的差动共焦响应曲线。通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束6的聚焦焦点与被测透镜5的后表面相重合，记录此时平面反射镜的位置z₁＝0.0056mm； 

(f)将平面反射镜7沿光轴向被测透镜5方向移动，使测量光束6的聚焦焦点与被测透镜5前表面接近，在该位置附近扫描平面反射镜7，测量软件再次通过图像采集卡22和图像采集卡23采集得到焦前光斑数据和焦后光斑数据并处理出如附图3所示的差动共焦响应曲线。通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束6的聚焦焦点与被测透镜5前表面相重合，记录此时平面反射镜的位置z₂＝1.3438mm； 

(g)根据已知参数：被测透镜5后表面的曲率半径r₂100.7134mm、空气折射率n₀＝1、被测透镜5折射率n＝1.5143、测量光束6的数值孔径角α₀＝5.8°，以及两次定位的平面反射镜移动量l＝|z₂-z₁|＝2.6764mm，将其带入以下公式： 

$d=r_2+\frac{n_0}{n}\·\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\sin [{\mathrm{\α}}_0+\arcsin (\frac{2l-r_2}{r_2}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)-\arcsin (\frac{n_0}{n}\·\frac{2l-r_2}{r_2}\·\sin {\mathrm{\α}}_0)]}\·(2l-r_2)$

可以得到被测透镜的中心厚度为d＝8.0380mm。 

如附图1所示，该反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法中的差动共焦测量系统8包括分光镜9、焦前针孔10、焦前光强传感器11、焦后针孔12和焦后光强传感器13。由分光镜2反射回来的光进入差动共焦测量系统8，由分光镜9将光束分成两路，一路通过焦前针孔10后，照射在焦前光强传感器11上，另一路通过焦后针孔12后，照射在焦后光强传感器13上。在实际系统设计中，通常采用如附图2中所示的差动共焦测量系统8降低系统装调难度。该差动共焦测量系统8包括分光镜9、焦前显微物镜14、CCD探测器15、焦后显微物镜16和CCD探测器17。其中焦前显微物镜14的物平面位于焦前，在其像平面放置CCD探测器15，焦后显微物镜16的物平面位于焦后，在其像平面放置CCD探测器17。由分光镜2反射回来的光进入差动共焦测量系统8，由分光镜9将光线分成两路，一路通过焦前显微物镜14成像在CCD探测器15上，另一路通过焦后显微物镜16成像在CCD探测器17上。 

实施例2 

与实施例1不同的是，在反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法中加入环 形光瞳4遮挡近轴光线，继而完成对被测透镜5中心厚度的测量。由于加入环形光瞳4，则测量光束6形成空心的测量光锥，将有效削减像差对测量结果的影响。 

此实施例通过一系列的措施实现了对被测透镜中心厚度的非接触、高精度测量。具有对被测透镜无损伤、测量精度高、装调方便等优点。 

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 (3)

1.反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：

(a)打开点光源，其发出的光透过分光镜、准直透镜和被测透镜后由平面反射镜反射形成测量光束，测量光束照射在被测透镜前表面或后表面，被测透镜的前表面或后表面将测量光束反射，反射回来的光沿原光路返回，并由分光镜反射进入差动共焦测量系统；

(b)调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光照射在被测透镜上，调整平面反射镜，使其与准直透镜共光轴；

(c)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与被测透镜后表面接近，在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测透镜后表面相重合，记录此时平面反射镜的位置z₁；

(d)将平面反射镜继续沿光轴向被测透镜方向移动，使测量光束的聚焦焦点与被测透镜前表面接近，在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测透镜前表面相重合，记录此时平面反射镜的位置z₂；

(e)根据已知参数：测量光束的数值孔径角α₀、被测透镜后表面的曲率半径r₂、空气折射率n₀、被测透镜折射率n和两次定位的平面反射镜移动量l＝|z₂-z₁|，可由以下公式：

计算得到被测透镜的中心厚度d。

2.根据权利要求1所述的反射式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。

3.根据权利要求1或2所述的反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：对点光源发出的光进行光强调制，由差动共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的差动共焦响应信号，将该调制信号解调后得到差动共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。 

Images