CN105738078A - 单透镜或多透镜光学系统的光学表面的曲率中心的位置的测量 - Google Patents

Abstract

在用于测量单透镜或多透镜光学系统的光学表面的曲率中心的位置的方法中，提供了成像透镜系统，其将至少一个物体平面成像到彼此不同但是位于相同光束路径中的第一和第二图像平面。光学系统这样设置，考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面的折射效应，第一曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第一图像平面中并且第二曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第二图像平面中。设置在物体平面中的物体然后通过测量光同时或顺序成像在第一图像平面和第二图像平面处。测量光在光学系统的光学表面处的反射通过空间解析光传感器检测。从所检测的反射计算第一曲率中心和第二曲率中心的实际位置。

Description

单透镜或多透镜光学系统的光学表面的曲率中心的位置的测量

技术领域

本发明涉及一种用于测量单透镜或多透镜光学系统的光学表面的曲率中心的位置的方法和设备.

背景技术

在高质量多透镜光学系统的制造中，多个透镜必须以较高精度相对于彼此对准。为了能够实施该对准，必须通过测量确定光学表面的位置.即使在所述多个透镜对准期间不检查位置精度，至少在质量控制范围内也常规地实施该测量。

在多透镜光学系统测量中的重要几何参数是光学表面的曲率中心的位置。理想地，曲率中心精确地位于公共参考轴线上，其应该大体与固定透镜的透镜支架的对称轴线一致。然而，在实际光学系统中，作为制造公差和安装公差的结果，曲率中心随机分布在该参考轴线附近。如果曲率中心到参考轴线的距离太大，那么光学系统的成像特性将难以忍受地恶化.

从DE102004029735A1已知一种用于测量多透镜光学系统的光学表面的曲率中心的方法，其中单个光学表面的曲率中心的位置通过自准直望远镜连续测量.对于每个光学表面，优选地在光学系统的不同方位角位置处多次实施该测量.对其曲率中心的位置测量的第一表面是最靠近自准直望远镜的表面。只要已经确定该第一表面的曲率中心的位置，就测量后续第二表面。然而，第一表面影响第二表面的测量.当确定第二表面的曲率中心的位置时，第一表面的光学效应必须因此数学地考虑。当考虑第一表面的光学效应时，借助第一表面的设计数据，尤其是借助预期曲率半径以及到第二表面的预期距离(也就是说第一透镜的中心厚度)。附加地数学地考虑第一表面的曲率中心的先前测量位置.

对所有其他表面采取相同的过程.因而，在数学估算中考虑所有前述光学表面的曲率中心的测量位置，以及附加的设计数据。

在该已知方法中，要测量的光学表面的曲率中心必须总是位于自准直望远镜的图像平面中，从而考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面的折射效应.因此确保测量光垂直地入射要测量的光学表面并且在其自身上反射回来.然后仅是自准直望远镜的测量物体，其可以例如是清晰地成像在自准直望远镜的空间解析光传感器上的十字交叉线。在曲率中心的位置的每个测量之后，因此必须重新调整自准直望远镜的焦距.通常，这通过沿着自准直望远镜的光轴移动一个或多个透镜来实施.

尤其是，在工业测量任务的情况下，其中在较短时间内要测量相同类型的非常大量的光学系统，该焦距的重复调整占据了总测量时间的相当大的部分由.

在测量单个透镜的两个曲率中心例如以便确定从那穿过的它的光轴时，也出现了相似问题.这里同样，对于每个测量操作必须改变一次焦距.

从来自R.E.Parks的名称为“使用点源显微镜的透镜定心(Proc.SPIE第6676卷，光学系统的对准与公差，文章ID：667603，2007年9月12日，doi：10.1117/12.726837)”的文章，已知一种测量方法，其中两个独立点源显微镜(PSM)的光束路径通过光束分光器重叠.因此可以非常快速并且不需要移动透镜地确定单个透镜的光轴.必须简单地确保点源显微镜的焦距这样预先调整，使得曲率中心的预期位置位于聚焦平面中.从而对每个光学表面在多个方位角位置中实施该测量以便减少测量误差.

然而，该已知测量方法具有如下缺点，由于提供两个完整点源显微镜，因此关于装置的费用相对较高.特别当要无机械移动操作地测量不仅两个而且三个或更多个光学表面时，该方法由于成本因素是不经济的。

发明内容

因而，本发明的一个目的在于提供一种方法，采用该方法可以精确和非常快速地并且关于装置具有较低费用地测量单个或多个光学系统的光学表面的曲率中心的位置.本发明的另一个目的在于提供一种可以采用其来实施该方法的设备。

关于该方法，该目的由一种用于测量单个或多个透镜光学系统的光学表面的曲率中心的位置的方法实现，该方法包括如下步骤：

a)提供了成像透镜系统，其将至少一个、并且优选地精确地一个物体平面成像到第一图像平面和与之不同但是位于相同光束路径中的第二图像平面；

b)光学系统设置成，考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面的折射效应，第一曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第一图像平面中并且第二曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第二图像平面中；

c)将设置在物体平面中的物体通过从一侧入射至光学系统的测量光同步或顺序成像在第一图像平面处和第二图像平面处；

d)通过空间解析光传感器检测测量光在光学系统的光学表面处的反射；

e)基于在步骤d)中检测的反射计算第一曲率中心和第二曲率中心的实际位置.

本发明基于如下观察，即两个或更多个光学表面的曲率中心的位置的快速测量不需要彼此完全独立的多个成像透镜系统.如果使用根据本发明的一种成像透镜系统，其通过根据波长或根据极性化在空间上分立的一部分测量光在相同光束路径中产生总体上不会光学汇聚的多个图像平面，那么在构造方面可以以较低花费避免光学元件的运动.这是快速测量的先决条件，因为运动总体上不允许曲率中心的快速测量.

在实际测量之前，图像平面的位置必须调整到曲率中心的假定位置。在该调整之后，可以非常快速地大量测量相同类型的光学系统，因为一旦已经调整或建立成像透镜系统，不再必须沿着轴向方向移动成像透镜系统中的透镜或其他光学元件。

假设具有在第一图像平面或第二图像平面中的反射表面，空间解析光传感器优选地位于光学地汇聚到第一和第三图像平面的另一个图像平面中。

如果仅提供单个光传感器，总体上是足够的.该光传感器然后同时检测来自多个光学表面的反射.反射可以通过下面将更详细描述的简单测量总体上互相区分.然而，原理上，也可以提供多个光传感器，例如以便独立地检测根据波长或根据极性化在空间上分立的一部分测量光.那些光传感器然后优选地设置在光学相互对应位置处.具体地，光传感器可以设置为与成像透镜系统光学地同样远.“光学地同样远”在此理解为表示，对于在另一方面成像透镜系统与另一方面光传感器之间的所有距离，不像几何路径长度的、考虑光通过其行进的介质的折射率的光学路径长度相等.

同样也相应地适用于物体.这里也是一样，如果仅提供物体位于其中的单个物体平面，总体上是足够的.然后不会发生将测量光分成根据波长或根据极性化在空间上分立的多个部分，直到随后在光束路径中为止.然而，也可以提供可以与所述测量光的一部分关联的多个物体平面.这里也是一样，物体平面设置在相互光学对应位置处总体上是有利的。具体地，它们可以设置为与成像透镜系统光学地一样远.

通常，如果当测量位于光学系统内的表面的曲率中心的位置时，如现有技术已知的，数学地考虑位于该表面与成像透镜系统之间的表面的曲率中心的已测量位置，是有利的.然而，该考虑有时候是不必要的，例如，如果在前述表面处的折射由于较小曲率或较小折射率差值而非常小，或者如果根据本发明的方法仅使用于曲率中心的位置的定性测量.

在常规测量方法中，要测量的光学系统绕着精确确定的旋转轴线旋转.该旋转轴线代表所有光学表面的公共参考轴线，该参考轴线的位置是精确已知的.因此可以消除固有测量误差，其可以例如归因于成像透镜系统的成像误差.

可以不需要旋转要测量的光学系统，如果在测量曲率中心之前实施校准测量，从该校准测量推导光传感器的位置与曲率中心的关系。以这样的方式，可以考虑成像透镜系统的成像误差和测量装置的其他部件的对准公差.当测量曲率中心的位置时，在步骤c)和d)期间，没有部件被随后轴向地移动.结果可以极其快速地实施整个测量操作.该方法因而也可以与在工厂中大量生产的光学系统的对准或质量测试关联使用.

该校准测量的一种可能性包括测量在其中曲率中心的位置已知的光学参考系统.该参考系统优选地是与随后要大量测量的光学系统基本上相同的光学系统。在另一个外部测量设备中高度精确地确定参考系统的曲率中心的位置。那些位置然后与由根据本发明的测量设备确定为曲率中心的位置关联.

替代地或附加地，在校准测量中，可以在光学测试系统的多个方位角角度位置中测量在其中曲率中心的位置未知的校准试样的曲率中心的位置。在多个角度位置中的测量以现有技术本质上已知的方法给出曲率中心的位置，其然后与在光传感器上的反射的位置相关联.这里也一样，如果校准试样是基本上与稍后要大量测量的光学系统相同的光学系统，是有利的。

校准测量的另一个可能性包括，使用外部测量系统测量由成像透镜系统成像的形成在第一和第二图像平面中的物体的图像的位置.因此成像透镜系统的成像误差可以被直接检测并且在测量曲率中心的位置时可以数学地被考虑.

为了能够无需移动成像透镜系统的光学元件，第一和第二图像平面必须位于要测量的光学表面的曲率中心的假定位置，从而可选地考虑位于光束路径上游的光学系统的光学表面的折射效应.曲率中心的假定位置从待测量的光学系统的设计数据是已知的.如果要测量不同的光学系统，这通常要求调整成像透镜系统，因为第一和第二图像平面然后位于不同轴向位置处.成像透镜系统因此至少在可以利用测量系统测量多个不同光学系统的情况下应该包括可调整的光学元件。

用于产生单个物体平面的两个不同图像平面的一种可能性包含通过具有不同焦距的辅助透镜系统产生第一和第二图像平面。辅助透镜系统的光路径通过沿着光传播方向设置在辅助透镜系统之前的第一光束分光器分开并且由沿着光传播方向设置在辅助透镜系统之后的光束合并器合并。为了能够改变图像平面的位置，辅助透镜系统整体和其一部分可以设置为可轴向移动。

用于产生不同图像平面的另一种可能性包含在与测量光关联的测量光孔的、在准直光束路径的区域中不交叠的不同方位角段中产生第一和第二图像平面。这些方位角段可以例如由包括具有不同焦距的联结在一起的两个半部的专用透镜产生。在具有超过两个不同图像平面的地方，不同段的数量相应地增加。

进一步的可能是在与测量光关联的测量光孔的、在准直光束路径的区域中不交叠的不同径向段中产生第一和第二图像平面.为此，成像透镜系统包括例如在圆形中心区域中比在周围环形外部区域中具有更大的折光力的透镜.如果具有不同直径的两个透镜靠近地设置在一起，以便一部分测量光穿过两个透镜，并且另一部分仅穿过一个透镜，实现相似的效果.

在上述变形中，测量光被空间地分隔成不同部分.作为另一个替代，提出给不同波长的测量光产生第一和第二图像平面，也就是说图像平面与每个波长范围明显关联，以便测量光根据波长分成不同部分.从而使用光学元件的散射.彩色未校正透镜具有纵向彩色色差，其具有例如对于红光和蓝光的图像平面不同的结果.如果红光和蓝光的混合用作测量光，那么获得两个不同的图像平面.该方法附加地确保可以没有困难地彼此区分在空间解析光传感器上的反射，因为反射具有不同的颜色.

然而，在透镜的情况下，纵向彩色色差通常较小，以致于仅可以测量曲率中心的密集空间位置.在衍射光学元件的情况下，衍射效应通常在更大程度上取决于使用的波长.成像透镜系统因此优选地包括至少一个衍射光学元件和混合透镜，其应该理解为具有附接到其上的衍射结构的折射透镜.

在下面，测量被描述用于彼此区分由在光传感器上不同表面产生的反射.

如果与不同图像平面关联的测量光的光路径至少在测量光光束路径的一个位置处彼此分开，那么可以引入实现反射可区分的过滤器到光路径中.该过滤器可以例如是滤色器和偏振过滤器.取代过滤器，还可以使用可通过其中断光路径的可切换光学元件.在这样的方式中可以确保，在给定时间，仅与单个图像平面关联的测量光入射要测量的光学系统。测量光然后由可切换光学元件屏隔开，并且测量下一个曲率中心的位置所需要的测量光被允许通过，等等。

如果由成像透镜系统成像并且布置在物体平面中的物体的图像在光传感器上侧向偏移，那么也可以区分反射.该侧向偏移可以例如通过布置光学系统以便它相对于成像透镜系统的光轴以倾斜角α倾斜来产生。结果，曲率中心在距成像透镜系统的光轴的不同距离处.这具有这样的结果，即相关反射，也就是说设置在物体平面中的物体的图像，同样在距成像透镜系统的光轴的不同距离处，并且结果在光传感器上出现侧向偏移。

如果成像透镜系统附加地将至少一个物体平面成像到不同于第一和第二图像平面的第三图像平面中，那么由成像透镜系统成像的物体的图像也可以在光传感器上沿着两个方向相对于彼此侧向偏移。

关于该设备，在开始处提及的目标由一种用于测量单透镜或多透镜光学系统的曲率中心的位置的设备实现，该设备包括：

a)成像透镜系统，其配置为将至少一个并且优选地精确地一个物体平面成像到第一图像平面并且成像到与之不同但是位于相同光束路径中的第二图像平面；

b)空间解析光传感器，其配置来检测测量光在光学系统的光学表面处的反射；

c)估算设备，其配置成：在光学系统设置成考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面的折射效应，第一曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第一图像平面中并且第二曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第二图像平面中之后，并且在设置在物体平面中的物体已经通过从一侧入射光学系统的测量光同步或顺序成像在第一图像平面处和第二图像平面处之后，基于由光传感器检测的反射计算第一曲率中心和第二曲率中心的实际位置。

估算设备可以配置为在计算位于光学系统内的光学表面的曲率中心的位置时数学地考虑位于光学系统与成像透镜系统之间的光学表面的曲率中心的已测量位置。

成像透镜系统可以如此设计，它不包括可沿着轴向方向运动的光学元件.

估算没备可以包括数据存储部件，在其中具有涉及曲率中心的位置与在光传感器上的位置的相关性的已存储数据。

反射可以是仅在相对于成像系统的光轴的光学系统的单个方位角角度位置中可检测。

成像透镜系统可以包括具有不同焦距的两个辅助透镜系统，其光路径由沿着光传播方向设置在辅助透镜系统之前的第一光束分光器分开并且由沿着光传播方向设置在辅助透镜系统之后的光束合并器合并。

成像透镜系统可以包括至少一个光学元件，其具有不同特性，尤其是沿着方位角方向的不同折光力.

替代地或附加地，成像透镜系统可以包括至少一个光学元件，其具有不同特性，尤其是沿着径向方向的不同折光力.

此外，成像透镜系统可以包括多焦点衍射透镜或混合透镜.

这里考虑特别是包括具有纵向彩色色差的成像透镜系统的使用，从而使用在波长方面不同的第一和第二测量光来测量曲率中心.

由成像透镜系统成像并且布置在物体平面中的物体的图像可以在光传感器上侧向偏移。如果成像透镜系统附加地将至少一个物体平面成像到不同于第一和第二图像平面的第三图像平面中，那么由成像透镜系统成像的物体的图像可以在光传感器上沿着两个方向相对于彼此侧向偏移。

本发明附加地提供一种用于测量具有基本上相同构造的多个单透镜或多透镜光学系统的光学表面的曲率中心的位置的方法，包括如下步骤：

a)将至少一个物体成像到第一图像平面并且成像到第二图像平面；

b)这样设置作为与光学系统至少基本上相同构造的校准试样，考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面的折射效应，校准试样的第一曲率中心的假定位置位于第一图像平面中并且校准试样的第二曲率中心的假定位置位于第二图像平面中；

c)检测测量光在校准试样的光学表面处的反射位置，在该位置处入射至少一个空间解析光传感器；

d)这样设置其中一个光学系统，考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面的折射效应，一个光学系统的第一曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第一图像平面中并且一个光学系统的第二曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第二图像平面中；

e)检测测量光在一个光学系统的光学表面处的反射位置，在该位置入射至少一个空间解析光传感器，其中在一个光学系统的不同角度位置中不进一步实施测量光在一个光学系统的光学表面处的反射位置的进一步地检测，在该位置处入射至少一个空间解析光传感器，并且其中将至少一个物体成像在图像平面处的至少一个成像透镜系统的光学元件不可轴向移动；

f)在步骤e)中检测的位置的基础上并且考虑在步骤c)中对校准试样检测的位置，确定一个光学系统的第一和第二曲率中心；

g)对另一个光学系统重复步骤d)到步骤f)。

本发明的这方面是基于如下发现，如果在测量曲率中心之前，利用校准试样实施校准测量，可以无需如常规必需地在多个方位角角度位置中测量光学系统.校准试样具有与对其实际要测量的曲率中心的位置的光学系统至少基本上相同的构造.“基本上相同”在此理解为意味着，光学系统具有相同的光学设计，但是作为材料不良或对准公差和其他制造误差的结果，可以彼此稍微不同.该校准测量提供光传感器上的位置与曲率中心的实际位置的相关性。

结果，测量操作作为一个整体可以极其快速地实施.该方法因此也可以与在工厂中大量生产的光学系统的对准测试和质量测试关联使用。

多个图像平面可以如上所述由将至少一个并且优选地精确地一个物体平面成像到第一图像平面和与之不同但是位于相同光束路径中的第二图像平面中的成像透镜系统提供。然而，也可以使用现有技术已知的测量设备，在该测量设备中在彼此分开的光束路径中产生图像平面。

用于校准测量的一种可能性包括通过外部测量设备预先或随后测量校准试样的曲率中心的位置，这些曲率中心的实际位置然后与在至少一个光传感器上检测的反射的位置关联.

取代使用外部测量设备，也可以在与稍后使用来测量多个光学系统相同的测量设备中实施曲率中心的位置的测量.为此，仅需要测量设备具有转盘。然后可以如现有技术已知在多个方位角角度位置中测量校准试样。在至少一个光传感器上形成反射的位置然后位于圆形路径上，它的中点与转盘的旋转轴线一致。圆的半径给出曲率中心与旋转轴线的距离.

用于校准测量的另一种可能性包括通过外部测量设备测量由成像透镜系统成像的物体的图像形成在第一和第二图像平面中的位置。因此成像透镜系统的成像误差可以被直接检测并且在测量曲率中心的位置时可以数学地被考虑。

附图说明

从下面参考附图对实施例的描述，本发明的进一步特征和优点将变得清晰，其中：

图1为通过多透镜光学系统的剖面，其中所有透镜完美地与参考轴线对准；

图2表示来自图1所示光学系统的单个透镜，但其相对于参考轴线倾斜；

图3为多透镜光学系统的曲率中心的示意图；

图4为如图3的示意图，但其中曲率中心位于不同于参考轴线的直线上；

图5为通过在与参考轴线精确对准的球透镜的测量中的根据现有技术的自准直望远镜的剖面；

图6表示图5的自准直望远镜，但具有偏心球透镜；

图7为通过根据本发明根据第一实施例的测量设备的剖面，其中辅助透镜系统具有多个光束分光器；

图8a至图8c表示在如图7所示的测量设备的光传感器上的十字交叉狭缝隔膜的图像；

图9为通过根据本发明根据第二实施例的测量设备的剖面，其中辅助透镜系统将测量光孔分成多个方位角段；

图10为如图9所示测量设备的段状变焦透镜的布置的俯视图；

图11为如图9所示测量设备的三个滤色器的布置的俯视图；

图12表示在如图9所示测量设备的光传感器上的十字交叉狭缝隔膜的不同颜色图像；

图13为通过根据本发明根据第三实施例的测量设备的剖面，其中辅助透镜系统将测量光孔分成多个径向环；

图14为如图13所示测量设备的不同直径的三个变焦透镜的布置的俯视图；

图15为如图13所示测量设备的三个滤色器的布置的俯视图；

图16为通过根据本发明根据第四实施例的测量设备的剖面，其中折射光学元件将测量光孔分成不同并且交叠的独立于波长的局部光路径；

图17为通过如图16所示第四实施例的修改例的剖面，其中两个不同物体独立但在公共光束路径中成像在两个图像平面中；

图18为用于解释根据本发明的方法的重要步骤的流程图.

具体实施方式

1.介绍

图1以剖面表示整体标记为10的光学系统，其包括七个透镜L1至L7.两个透镜L3和L4没有间隙地联结在一起，并且形成使用作为消色差透镜的成对透镜。透镜L1至L7具有圆柱体研磨透镜边缘12，其在各种情况下容纳在透镜支座(未示出)中。

在理想情况下，透镜L1至L7如此对准，使得它们的光轴都位于公共参考轴线14上，其与此同时是圆柱体透镜边缘的对称轴线.参考轴线14然后总体上称为光学系统10的光轴.

然而，在实际光学系统中，由于制造和安装公差，发生与理想对准的偏差.图2显示了对于透镜L5通过示例表示在透镜支座中的透镜L5的轻微(但在图2中增大)倾斜如何影响对中.这里假设在图2中透镜L5的两个透镜表面S51和S52是球面的并且具有标记为K51和K52的曲率中心.曲率中心K51和K52限定透镜L5的光轴，该光轴在图2中由虚线16示出。作为该限定的结果，光轴16总是垂直于透镜L5的球面光学表面S51、S52行进。

在非球面透镜的情况下，光轴由非球面透镜表面的球面部分的曲率中心限定。

透镜L5的倾斜可以例如由透镜L5没有正确插入其透镜支座导致。对此的可能原因例如是，透镜边缘12没有以它的对称轴线与透镜L5的光轴16成一条直线这样的方式来研磨.

为了使透镜L5与光学系统10的参考轴线14正确对准，透镜L5将必须倾斜并且可选附加地垂直于参考轴线14移动以便光轴16与参考轴线14成一条直线，如在图1中已经假设的.

在多透镜光学系统的情况下，如图1所示，取决于对中的质量，总体上相对于参考轴线14或多或少不均匀地分布单个透镜的光轴。这通过示例在图3中示出为具有带有曲率中心K11、K12，K21、K22，K31、K32和K41、K42的四个透镜的光学系统；四个透镜的光轴标记为161、162、163、164.为了改善在该光学系统中透镜的对中，多个透镜必须倾斜和/或平移移动以便所有光轴161、162、163、164与参考轴线14成一条直线。

有时候，如图4所示，虽然透镜的光轴(至少大约)设置在公共轴线16’上，还会发生轴不与参考轴线14成一条直线.在这种情况下，不重新对准单个透镜而是将光学系统整体以这样的方式装配到更高级单元中会是更方便的，它在更高级单元中不关于它的可以例如由透镜支座或物镜壳体限定的参考轴线14对准，而是关于它的光轴16’对准.

为了能够合适的重新对准光学系统的单个透镜或者重新对准光学系统整体，并且还为了常规质量控制，使用根据本发明的测量设备，利用该设备可以以较高精度测量光学表面的曲率中心的位置.从曲率中心的位置，可以确定单个透镜的光轴的位置和其与参考轴线14的偏差.还可以确定从其推导的参数，例如光学表面的曲率半径.在下面的第2节中，在第3节中讨论根据本发明的测量设备和可以与之一起实施的测量方法之前，将首先参考图5和图6解释的常规自准直望远镜的结构.

2.自准直望远镜的结构

在图5中的剖面中示出并且整体标记为22的自准直望远镜包括光源38，其利用测量光41照明设置在物体平面39中的十字交叉狭缝隔膜40.离开十字交叉狭缝隔膜40的测量光41经由光束分光器42引导到望远镜透镜44并且作为光束簇离开望远镜透镜.可沿着自准直望远镜的光轴34移动的变焦透镜46将准直测量光41聚焦在焦点平面中.因为十字交叉狭缝隔膜40的实际图像形成在那里，那个焦点平面在下面将称为图像平面47.

在光束分光器42的后侧上，设置有图像传感器50，其在此理解为光敏感空间解析传感器.适合作为图像传感器的例如是本身已知的CCD或CMOS传感器.

下面将参考图5和图6解释自准直望远镜22的功能.离开自准直望远镜22的测量光41在此被引导到试样处，试样为了简化是一个球52.如果球52的中点54，并且因此它的表面56的曲率中心精确地位于自准直望远镜22的图像平面47中，那么来自自准直望远镜22的测量光垂直地入射球52的表面56.结果，测量光41在球的表面56处反射回它本身，穿过变焦透镜46，望远镜透镜44，并且大部分还穿过光束分光器42，并且在图像传感器50上产生十字交叉狭缝隔膜40的图像.如果球52的中点54位于自准直望远镜的光轴34上，那么十字交叉狭缝隔膜40在图像传感器50上的图像同样在光轴34上对中.

图6表示在球52已经垂直于自准直望远镜22的光轴34移动的情况下的光束路径.作为该移动的结果，光束不再垂直地入射球52的表面56，并且因此也没有反射回到它们自身.由在图6中的虚线示出的已反射测量光41因此在图像传感器50上产生相对于光轴34偏心的十字交叉狭缝隔膜40的图像60。因为球52的偏心最终意味着，它的表面56朝向自准直望远镜22的部分倾斜，自准直望远镜22最终测量由球52的表面56和光轴34包围的角度。自准直望远镜因此在更宽泛意义上构成角度测量设备.因而，对于下面描述的测量设备，其他无接触角度测量设备也可以使用来替代自准直望远镜22.

在具有球形表面的透镜的情况下，该测量操作以相同方式起作用，除了该测量不产生如在球情况下的球的中点位置，而是产生正在讨论的球形表面的曲率中心的位置。也可以以这样的方式测量非球面光学表面的球形部分的曲率中心。

3.根据本发明的测量设备的结构

在下面，将参考图7描述根据本发明的测量设备60的结构.测量设备60包括计算单元63和前文参考图5和图6描述的自准直望远镜22，然而其中可移动变焦透镜46已经由透镜系统62替换.

透镜系统62在该实施例中包括第一光束分光器66a、第二光束分光器66b及第一偏光镜67.第一光束分光器66a将光路径分成第一局部光路径68a和另一个光路径，其由第二光束分光器66b分成第二局部光路径68b和第三局部光路径68c。第一偏光镜67以这样的方式使第三局部光路径68c偏转，形成三个局部光路径68a、68b、68c在其中互相平行地延伸的移动段。在该移动段中，第一、第二和第三变焦透镜46a、46b和46c可移动地设置在局部光路径68a、68b、68c中，如由图7箭头所示。变焦透镜46a、46b和46c每个在局部光路径68a、68b、68c中承担如图5和图6所示自准直望远镜22的变焦透镜46的功能。此外，在移动段区域中，第一光闸69a、第二光闸69b、第三光闸69c设置在局部光路径68a、68b、68c中。光闸69a、69b、69c可以为例如狭缝隔膜或LCD隔膜的形式，并且为具有可能快速完全闭合或者完全开启正在讨论的局部光路径68a、68b、68c的特性。

透镜系统62还包括第二光束合并器70b，其将第二局部光路径和由另外的偏光镜71偏转的第三局部光路径68c合并来形成一个光路径，第一光束合并器70a，其将该光路径与第一局部光路径68a合并并且从而重叠它们以形成公共光路径.通过以该方式重叠局部光路径68a、68b和68c，透镜系统62同时产生第一图像平面47a，其由在第一局部光路径68a中的测量光41产生，第二图像平面47b，其由在第二局部光路径68b中的测量光41产生，以及第三图像平面47c，其由在第三局部光路径68c中的测量光41产生.三个图像平面47a、47b、47c轴向地设置在彼此后面，以便三个获得十字交叉狭缝隔膜40的三个相应轴向交错图像.

第一光束分光器66a、第一光闸69a、第一变焦透镜46a和光束合并器70a一起形成辅助透镜系统62a。同样相应地应用到其他两个局部光路径68b和68c中的光学元件.

如果所有变焦透镜46a、46b和46c位于相同的高度，那么在图像平面47a和47b之间的距离近似等于在第一光束合并器70a和第二光束合并器70b之间的轴向距离.相应地，在图像平面47b和47c之间的距离近似等于在第二光束合并器70b和第二偏光镜71之间的轴向距离.通过轴向地移动单个变焦透镜46a、46b和46c，可以在由变焦透镜46a、46b和46c的可能运动路径的长度限定的区域内移动图像平面47a、47b、47c.

根据本发明的测量设备附加地包括试样保持器72，其紧固到保持环74.在所示实施例中，试样P是具有粘接在一起的两个透镜的成对物。试样因此具有带有曲率中心K1、K2和K3的三个光学表面S1、S2和S3.

4.测量方法

下面将更详细地描述根据本发明的测量方法.

a)校准

在第一次测量之前，应该校准测量设备60，因为仅此通常可以获得最高测量精度.

在校准测量中，曲率中心精确已知的校准试样插入到试样保持器72。为此校准试样可以例如已经通过外部测量设备进行测量.校准试样优选地为与稍后要大量测量的光学系统相同类型的光学系统.以下文在b)情况下描述的方式在测量设备60中测量校准试样.所获得的测量值然后与已知曲率中心相关联.

以这样的方式，获得校准值，利用其可以校正在真实试样上的稍后测量值，以便能够考虑测量设备60的光学元件和试样保持器56的材料不良或对准误差.

此外，对于该校准测量，可能使用其中不在外部测量设备而在测量设备60中高度精确地确定光学表面的曲率中心的位置的校准试样。为此，在多个不同方位角角度位置中通过测量设备60测量具有未知曲率中心的校准试样。为此，取代保持环74，测量设备60必须具有转盘，其可绕着优选地大约与自准直望远镜22的光轴34一致的旋转轴线旋转.然后可以从圆形路径的中点推导曲率中心的位置，在图像传感器50上十字交叉狭缝隔膜40的图像在校准试样绕着光轴34旋转期间在该圆形路径上运动.当测量真实试样时，在各种情况下仅在转盘的一个角度位置中实施测量.然后如上所述利用校准值校正所获得的测量结果。

b)测量曲率中心的位置

为了测量在多透镜试样P的情况下光学表面S1、S2和S3的曲率中心K1、K2和K3的位置，必须连续地实施多个测量操作，例如以最靠近自准直望远镜22的光学表面开始.如在图7中可见，该表面是表面S1。表面S1的曲率中心K1最远离透镜系统62.因此，对于该局部测量，使用占据第一局部光路径68a的测量光41，因为具有最长焦距的区域与之相关联。为此，开启第一光闸69a并且闭合其他两个光闸69b、69c.

在校准测量之前，优选地已经移动辅助透镜系统62a的第一变焦透镜46a以便第一图像平面47a位于在设计数据的基础上预计的曲率中心K1的附近。由在图7中的连续线指示的来自第一局部光路径68a的测量光41然后垂直地入射表面S1并且反射回到它自身。如由图8a图示，检测十字交叉狭缝隔膜40在图像传感器50上的图像40a’的位置。考虑先前存储的校准值，从该位置确定曲率中心K1的位置，并且存储在估算设备63的数据存储部件中。

在第二步骤中，测量第二表面S2的曲率中心K2的位置。表面S2的曲率中心K2的位置位于表面S1的曲率中心K1与表面S3的曲率中心K3之间。因此，对于该测量步骤，使用占据第二局部光路径68b的测量光41，因为具有中等焦距的区域与之相关联。为此，开启第二光闸69b并且闭合其他两个光闸69a和69c。该测量光在图7中由长虚线光束指示。

在校准测量之前，优选地已经移动辅助透镜系统62的第二变焦透镜46b以便第二图像平面47b位于基于设计数据预计的曲率中心K2的附近.从而已经考虑试样P的第一表面S1的折射效应.如果十字交叉狭缝隔膜40的图像实际上要形成在表面S2的曲率中心K2处，作为在光路径中位于上游的第一表面S1处的折射的结果，测量光41将不会垂直地入射表面S2.因此在确定在第二测量操作中十字交叉狭缝隔膜40成像在其中的图像平面47b时，要数学地考虑第一表面S1处的折射效应，以便测量光41垂直地入射表面S2，如图7所示.换句话说，如果认为曲率中心K2通过光学表面S1，那么图像平面47b不是设置在第二表面S2的曲率中心K2实际所位于的地方，而是设置在它表现为从第二表面S2见到的地方.然后检测十字交叉狭缝隔膜40在图像传感器50上的图像40b’的位置，如图8b所示.考虑先前存储的校准值，从该位置确定曲率中心K2的位置，并且存储在估算设备63的数据存储部件中.

以相同的方式测量第三表面S3的曲率中心K3的位置.为此，使用仅跟随第三局部光路径68c的测量光41.当调整第三变焦透镜46c时，数学地考虑不仅第一表面S1而且第二表面S2的折射效应，为此原因，这里不是位于图像平面47c的实际曲率中心，而是仅表面的曲率中心K3’.考虑先前存储的校准值，从十字交叉狭缝隔膜40在图像传感器50上的图像40c’的、如图8c所示的位置确定曲率中心K3的位置，并且存储在估算设备63的数据存储部件中.

上述步骤的顺序当然也可以根据需要改变，因为不要求一个测量步骤的结果来实施另一个测量步骤.最后在各种情况下还可以数学地考虑在光束路径中位于上游的光学表面的作用.因而，对位于下游的光学表面测量设备60最终不是测量曲率中心的真实位置，而是测量曲率中心的视位置.

因为光闸69a、69b、69c可以非常快速地切换，所以可以在非常短的时间内实施上面所述三个测量步骤，例如在小于1秒内.因此假设已经预先通过变焦透镜46a、46b和46c将图像平面47a、47b和47c带到正确轴向位置，可以非常快速地测量曲率中心K1、K2和K3的位置.该快速测量操作在下一个测量任务包括测量相同类型的试样P’时是特别有利的.测量相同类型的试样P’原则上具有相同的设计数据，例如折射率，曲率尺寸和半径，但曲率中心由于制造公差可以位于稍微不同的位置处.试样P’然后简单地由试样P替换.然后除了闭合光闸69a、69b、69c的操作，可以没有任何移动变焦透镜或其他部件地实施后续测量操作.如果通过机器臂更换试样，完整测量曲率中心的位置所需要的测量时间可以在几秒的幅度级别范围内.

5.替代实施例

a)测量光孔的方位角分隔

图9基于图7以示意图表示根据本发明的测量设备的另一个实施例。

在该示例中，测量光41的整个孔被分成三段每个120°.这些段每个限定局部光路径并且包含轴向可移动变焦透镜46a、46b和46c.图10表示三个变焦透镜46a、46b和46c的俯视图。它们是非旋转对称的但是每个仅包含具有方位角角度120°的透镜段。然而如果组合来形成360°的完整孔，变焦透镜46a、46b和46c将是旋转对称的.

变焦透镜46a、46b和46c的焦距是不同的.此外，变焦透镜46a、46b和46c可以沿着光轴34彼此独立地移动，如在图9中由双头箭头指示.第二变焦透镜46b在该视图中见不到，因为它仅位于在面向观察者的截面中示出的测量设备60的一半中.

通过三个段状变焦透镜46a、46b和46c，如在上面描述实施例中一样可以同时产生三个不同图像平面47a、47b和47c，该图像平面位于曲率中心的实际位置附近，或考虑位于上游的表面的折射，位于曲率中心的视位置附近.

在该实施例中没有光闸69a、69b和69c，由在试样P的光学表面S1、S2和S3处的反射在光传感器50上形成的十字交叉狭缝隔膜40的图像因此总是同时出现。为了能够彼此区分图像并且将它们与试样P的曲率中心K1、K2和K3关联，三个滤色器75a、75b和75c设置在辅助光学系统62a、62b和62c的准直光束路径中，该滤色器每个具有段的形状，如图11在俯视图中所示.滤色器75a、75b和75c这样朝向，仅特定颜色的光(也就是说特定波长范围)永远入射变焦透镜46a、46b和46c。十字交叉狭缝隔膜40在光传感器50上产生的图像40a’、40b’和40c’因而在颜色方面也不同并且因此可以容易彼此区分，如图12所示.

b)测量光孔的径向分隔

图13基于图7和图9表示根据本发明另一个实施例的测量设备的视图。

在此一样，产生不同的局部光路径68a、68b、68c，不同图像平面47a、47b和47c与之关联；在图13中，为了简洁未示出局部光路径68c和与之关联的图像平面47c.然而，不像在图9中所示的实施例，局部光路径68a、68b、68c不是通过测量光孔的方位角分隔来产生，而是通过径向分隔来产生。

为此，三个透镜在辅助透镜系统62中设置为一个在另一个后面，透镜的直径显著不同.直径是这样的，使得测量光41的一部分穿过第一变焦透镜46a，测量光41的第二部分仅穿过第一变焦透镜46a和第二变焦透镜46b，并且测量光41的第三部分穿过所有三个变焦透镜46a、46b和46c.三个变焦透镜46a、46b和46c可以单独移动，如在图13中由双头箭头指示.在辅助透镜系统62的壳体78中，两个较小变焦透镜46b和46c由细杆80b和80c保持，如在图14的俯视图中所示.杆80b和80c如此细以至于它们仅阻碍测量光41的可忽略部分，当它辅助透镜系统62穿过时.

因此，在该实施例中，图像平面47a、47b和未示出的图像平面47c由测量光41的孔的径向段产生，径向段是不同的并且在图像平面的区域中不重叠.

相应地，在该实施例中滤色器75a、75b和75c不分成段但是具有同心环的形式，或者在第三滤色器75c的情况中具有圆盘的形式.滤色器75a、75b和75c在测量光41的准直光束路径中的该布置确保聚焦在三个图像平面47a、47b和47c中的测量光41具有不同颜色，以便这里一样可以基于颜色彼此区分十字交叉狭缝隔膜40在光传感器50上的图像.

c)衍射光学元件

图16基于图7、图9和图13在视图中根据不同实施例示出根据本发明的测量设备，其中辅助透镜系统62具有衍射光学元件46’。此外，在例如光源38与十字交叉狭缝隔膜40之间的测量光41的光束路径中，具有滤色器82，其仅能通过优选地不重叠的三种窄波长的光.在下面，假设那些波长范围位于可见频谱中，由于该原因在下面将它们称为颜色.

衍射光学元件46’如此设计，它根据在图16中所示的焦点平面47a、47b的颜色将入射准直光聚焦在不同焦点平面中.当在折射透镜具有纵向彩色色差的情况下，因此同步形成不同颜色的不同焦点平面.这里一样，基于不同颜色可以容易地彼此区分十字交叉狭缝隔膜40在光传感器50上的图像.

通过沿着光轴34移动衍射光学元件46’，可以沿着轴向方向一起移动图像平面47a、47b和47c.在该实施例中，仅通过用可穿过不同波长范围的滤色器替换滤色器，单独并且独立于彼此地调整图像平面47a、47b和47c.然而，不像其他实施例，通过衍射光学元件46’可以以非常少的花费并且没有光损失地产生不同数量的图像平面，因为必须简单地替换滤色器82和/或衍射光学元件46’。测量设备60因此可以容易地从其中要测量例如两个特定曲率中心的位置的操作模式更换到其中要同时测量例如十个曲率中心的操作模式。

图17表示修改实施例，其中光路径在光束分光器42上游通过第二光束分光器84分成两个局部光路径.在第一局部光路径中，第一光源38a经由仅可穿过一种颜色的光的第一波长滤色器82a照明第一十字交叉狭缝隔膜40a.在第二局部光路径中，第二光源38b经由仅可穿过不同颜色的光的第二波长滤色器82b照明第二十字交叉狭缝隔膜40b.一个波长滤色器82a或82b因此严格地与每个焦点平面47a、47b相关联。结果，通过单独替换波长滤色器可以甚至更容易地移动焦点平面.

因为在该实施例中两个隔膜40a、40b设置在不同的物体平面39a和39b中，所以可以使用具有不同形状隔膜开口的隔膜。因此可以不仅通过它们的颜色而且通过它们的形状容易地彼此区分隔膜在光传感器50上的图像.结果，在该实施例中还可以使用颜色不敏感的光传感器50.

在所示实施例中，试样P具有两个光学表面S1和S2.如果要测量具有超过两个光学表面的试样，如在图16所示的实施例中，可以使用可以穿过不重叠的多种波长范围的滤色器。

5.重要方法步骤

下面将参考在图18中所示的流程图描述根据本发明的方法的重要步骤。

在第一步骤S1中，提供成像透镜系统，其将至少一个物体平面成像到第一图像平面和与之不同的第二图像平面。

在第二步骤S2中，光学系统这样设置，考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面的折射效应，第一曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第一图像平面中并且第二曲率中心的假定位置位于成像透镜系统的第二图像平面中。

在第三步骤S3中，将设置在物体平面中的物体通过测量光成像在第一图像平面处和第二图像平面处.

在第四步骤S4中，通过空间解析光传感器检测测量光在光学系统的光学表面处的反射.

在第五步骤S5中，基于在第四步骤S4中检测的反射计算第一曲率中心和第二曲率中心的实际位置。

Claims (15)

1.用于测量单透镜或多透镜光学系统(P)的光学表面(S1，S2，S3)的曲率中心(K1，K2，K3)的位置的方法，包括如下步骤：

a)提供成像透镜系统(44，62)，所述成像透镜系统将至少一个物体平面(39；39a，39b)成像到第一图像平面(47a)并且同时成像到与所述第一图像平面不同但是位于相同光束路径中的第二图像平面(47b)；

b)光学系统设置成，考虑位于光束路径上游的光学系统的任意光学表面(S1，S2)的折射效应，第一曲率中心(K1)的假定位置位于成像透镜系统的第一图像平面(47a)中并且第二曲率中心(K2’)的假定位置(K2)位于成像透镜系统的第二图像平面(47b)中；

c)将设置在物体平面(39；39a，39b)中的物体(40；40a，40b)通过从一侧入射至光学系统(P)的测量光(41)同时或顺序成像在第一图像平面(47a)处和第二图像平面(47b)处；

d)通过空间解析光传感器(50)检测测量光(41)在光学系统(P)的光学表面(S1，S2，S3)处的反射；

e)基于在步骤d)中检测的反射计算第一曲率中心(K1)和第二曲率中心(K2)的实际位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量曲率中心(K1，K2，K3)之前，实施校准测量，从该校准测量推导在光传感器(50)上与曲率中心相关的位置。

3.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，第一图像平面(47a)和第二图像平面(47b)由具有不同焦距的辅助透镜系统(62a，62b)产生，辅助透镜系统的光路径(68a，68b)由沿着光传播方向设置在辅助透镜系统之前的第一光束分光器(66a，66b)分开并且由沿着光传播方向设置在辅助透镜系统之后的光束合并器(70a，70b)合并.

4.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，第一图像平面(47a)和第二图像平面(47b)产生在与测量光(41)相关的测量光孔的多个方位角段中，所述多个方位角段在准直光束路径的区域中不重叠并且是不同的.

5.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，第一图像平面(47a)和第二图像平面(47b)产生在与测量光(41)相关的测量光孔的多个径向段中，所述多个径向段在准直光束路径的区域中不重叠并且是不同的.

6.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，产生的第一图像平面(41a)和第二图像平面(41b)用于不同波长的测量光(41).

7.用于测量单透镜或多透镜光学系统(P)的光学表面(S1，S2，S3)的曲率中心(K1，K2，K3)的位置的设备，包括：

a)成像透镜系统(44，62)，所述成像透镜系统配置为将至少一个物体平面(39；39a，39b)成像到第一图像平面(47a)并且同时成像到与所述第一图像平面不同但是位于相同光束路径中的第二图像平面(47b)；

b)空间解析光传感器(50)，其配置为检测测量光(41)在光学系统(P)的光学表面处的反射；

c)估算设备(63)，所述估算设备配置成：在光学系统布置成考虑位于光束路径上游的光学系统(P)的任意光学表面(S1，S2)的折射效应，第一曲率中心(K1)的假定位置位于成像透镜系统(44，62)的第一图像平面(47a)中并且第二曲率中心(K2’)的假定位置位于成像透镜系统(44，62)的第二图像平面(47b)中之后，并且在设置在物体平面(39；39a，39b)中的物体(40；40a，40b)已经通过从一侧入射至光学系统(P)的测量光(41)同时或顺序成像在第一图像平面(47a)处和第二图像平面(47b)处之后，基于由光传感器(50)检测的反射计算第一曲率中心(K1)和第二曲率中心(K2)的实际位置.

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，成像透镜系统(44，62)不包括可沿着轴向方向运动的元件.

9.如权利要求7或8所述的设备，其特征在于，估算设备(63)包括数据存储部件，在数据存储部件中存储有涉及曲率中心(K1，K2，K3)的位置与光传感器(50)上的位置的相关性的数据。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述反射相对于成像系统(44，62)的光轴(34)仅能够在光学系统(P)的单个方位角角度位置中被检测.

11.如权利要求7至10中任意一项所述的设备，其特征在于，成像透镜系统包括具有不同焦距的两个辅助透镜系统(62a，62b)，两个辅助透镜系统的光路径(68a，68b)由沿着光传播方向设置在两个辅助透镜系统之前的第一光束分光器(66a，66b)分开并且由沿着光传播方向设置在两个辅助透镜系统之后的光束合并器(70a，70b)合并.

12.如权利要求7至11中任意一项所述的设备，其特征在于，成像透镜系统包括至少一个光学元件，所述光学元件沿着方位角方向具有焦距不同的区域.

13.如权利要求7至12中任意一项所述的设备，其特征在于，第一图像平面(47a)和第二图像平面(47b)产生在与测量光(41)相关的测量光孔的多个径向段中，所述多个径向段在在准直光束路径的区域中不重叠并且是不同的.

14.如权利要求7至13中任意一项所述的设备，其特征在于，成像透镜系统包括多焦点衍射透镜或混合透镜。

15.如权利要求7至14中任意一项所述的设备，其特征在于，成像透镜系统包括具有纵向色差的至少一个光学元件，并且，该设备配置成通过使用波长不同的第一测量光和第二测量光测量曲率中心。