CN107110739A - 透镜和透镜模具的光学评估 - Google Patents

Abstract

一种用于确定关于透明光学元件的信息的方法，该透明光学元件包括透镜部分和平面平行部分，所述透镜部分具有至少一个弯曲表面，所述平面平行部分具有相对的第一和第二表面，所述方法包括：将测量光引导到所述透明光学元件；检测自所述平面平行部分的第一表面上的至少一个位置反射的测量光；检测自所述平面平行部分的第二表面在对应于第一表面上的所述至少一个位置的位置处反射的测量光；基于检测到的光，确定关于所述平面平行部分的信息；以及基于关于所述平面平行部分的信息评估所述透明光学元件。

Description

透镜和透镜模具的光学评估

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年8月15日提交的题为“具有机械定位特征的透镜的尺寸和光学特性的光学评估”的临时申请No.62/037,966和于2014年8月19日提交的题为“透镜上的特征位置的光学评估”的临时申请No.62/039,398的优先权。这两个临时申请的内容通过引用整体地并入本文。

技术领域

在某些方面，本公开涉及用于表征消费品中使用的模制透镜的几何形状和光学特性的方法和工具、以及用于其制造的金刚石车削模具。本公开还涉及包括这种模制透镜的光学组件的制造、以及包括光学组件的消费品的制造。

背景技术

用于智能机、手机、平板电脑、便携式电脑、汽车和卡车中的小型摄像机的市场正在迅速扩大。现有技术的摄像机的图像质量要求迫使制造商开发由许多非球面的模制透镜组成的复杂的光学组件。

图1示出了由四个模制塑料透镜组成的示例性光学组件。特别地，在美国专利7,777,972中描述的该组件包括四个透镜，这四个透镜被设置为在位于组件的图像平面170处的传感器上形成图像。透镜元件设置在第一透镜组中，该第一透镜组由具有正折射率的第一透镜元件100组成，该第一透镜元件100具有非球面的凸物侧表面101和非球面的凸像侧表面102。组件还包括第二透镜组，该第二透镜组由第二透镜元件110、第三透镜元件120和第四透镜元件130组成。

第二透镜元件110具有负折射率，其具有非球面的凸物侧表面111和非球面的凸像侧表面112。第三透镜元件120具有非球面的凸物侧表面121和非球面的凸像侧表面122。第四透镜元件130具有非球面的凸物侧表面131和非球面的凸像侧表面132。孔径光阑140定位于第一透镜元件100和成像的物体之间。IR滤光器150布置在第四透镜元件130的像侧表面132和图像平面170之间，IR滤光器150不影响成像光学透镜组件的焦距。传感器玻璃盖160设置在IR滤光器150和图像平面170之间，传感器玻璃盖160也不影响成像光学透镜组件的焦距。

通常，弯曲透镜表面围绕轴线旋转地对称，并且每个表面的轴线名义上处于组件的公共轴线-光轴上。透镜表面的轴线的公共中心对于整个组件的光学性能是重要的。每个透镜表面的曲率以及每个透镜表面之间的间距(即透镜厚度和相邻透镜之间的间距)也是重要的。

因此，每个单独的透镜通常包括多个对中和间距基准，其被制造有足够紧密的公差，以除了图1中所示的弯曲的功能光学表面外还提供堆叠在一起时的最终透镜组件的适当对准。这些基准通常由每个透镜的附加非光学工作部分提供，其形成围绕工作透镜部分的边缘的环。当被组装时，透镜的非光学部分堆叠在一起，使得透镜部分根据整个透镜组件设计的要求相对于彼此对准和间隔开。

由于紧密制造公差的预算，传统的计量设备(例如，接触探针和量规，触觉探查仪，检查显微镜)在许多情况下不再能够实现所需的测量重复性或精度。此外，用于在生产车间测量透镜的某些特性(诸如折射指数或双折射性)的计量设备是商购不到的。因此，现今存在着计量缺口。

发明内容

本公开的特征在于一种用于评估透明样品的尺寸和光学特性的方法和设备，所述透明样品特别地包括透镜，所述透镜包括弯曲的工作表面区域，且还包括标称的平坦的并平行的上部和下部表面区域，例如用于将这些透镜机械定位在组件中。

在实施例中，所述设备包括光学计量系统和数据处理系统，该光学计量系统用于测量样品的标称平行的上部和下部表面区域的相对位置，该数据处理系统用于使用从在样品的标称平行的上部和下部表面区域的两个或更多个位置处所计算的光学和物理厚度得到的信息评估样品的光学和尺寸特性。

替代地，或此外，本公开的特征在于一种用于对于样品的上部和下部表面通过使3D表面形貌信息(例如，高度分布)与2D图像(例如，强度分布)相结合来评估透明样品(例如，透镜)的尺寸特性的方法和设备。形貌信息和两个图像可以从样品的同一侧获取。

方法和设备可以在生产环境中使用。

通常，样品可以是透镜，该透镜包括弯曲的(例如具有光学功率的)上部和下部工作表面区域、以及不是用于引导光而是用于将这些透镜机械定位在组件中的附加的上部和下部表面区域。这些部分可以具有平面平行表面。弯曲的部分可以被称为工作部分，其它(例如平面平行)部分可以被称为非工作部分。样品可以具有工作部分的凸或凹、球面或非球面的表面区域。

非工作部分的上部和下部表面可以为标称平坦的或圆锥形的，并且可以包括标称圆形特征部或边界，所述圆形特征部或边界可以标称与工作表面区域的顶点同心。

样品可以是用于便携式电子装置相机组件中的透镜。

通常，尺寸特性可以包括工作表面区域的顶点的相对于附加表面区域的基准特征部(例如，标称圆形的基准特征部)的位置。在一些实施例中，通过3D区域表面形貌图的评估发现透镜顶点，而基准特征部定位于该部分的2D图像中。2D图像可以从与3D图相同的数据采集中提取，或者可以是单独步骤的一部分。

尺寸特性可以包括样品的上部和下部顶点特征部的相对高度。该测量可以依赖于从样品的标称平行的上部和下部表面区域的两个或更多个位置处所计算的光学和物理厚度获得的附加信息。

在某些实施例中，该方法包括当通过样本观察特征部以确定其横向位置时对透镜的折光特性进行补偿。

在一些实施例中，该设备包括部件固定装置，该部件固定装置包括辅助参考表面。该辅助参考表面可以标称是平坦的，并且可以定位于被测光学部件下方的一距离处，使得其将将通过光学部件传播的光通过该部件并向着计量装置检测器通道反射回去。

在一些实施例中，所述设备包括部件固定装置、光学计量系统和数据处理系统，该部件固定装置既具有辅助参考表面也具有用于至少部分透明的样品的保持器，该光学计量系统用于测量样品的辅助参考表面以及标称平行的上部和下部表面区域的位置，该数据处理系统用于使用从在样品的标称平行的上部和下部表面区域的两个或更多个位置处所计算的光学和物理厚度得到的信息评估样品的光学和尺寸特性。

在一些实施例中，完整的测量周期包括对辅助参考表面的形貌的单独测量。

在一些实施例中，所述设备包括用于改变由光学计量系统采用的光的偏振状态的一个或多个元件(例如，偏振器和/或波片)，以便评估和/或补偿样品的材料双折射特性。

在一些实施例中，光学计量装置的视野延伸超过被测光学部件的横向范围。为了提高精度并降低对漂移的敏感性，系统在参考表面未被光学部件覆盖的区域内执行对参考表面相对于其内部基准的位置的附加测量。

在一些实施例中，光学计量装置是相干扫描干涉仪。例如，光学计量装置可以是标称平行于被测光学部件的光轴而被扫描的相干扫描干涉仪。光源的相干特性可被选择为增强(例如，最大化)针对扫描通过部件期间遇到的每个透明界面收集的干扰信号的信噪比。

在一些实施例中，相干扫描干涉仪根据关于部件厚度和光学特性的测量到的或名义上的信息自动调节光源相干特性，以增强(例如，最大化)信噪比。

在一些实施例中，在相对于仪器的多个方位取向处对样品执行的测量被组合以产生具有减小的系统误差的最终结果。

在一些实施例中，共焦显微镜构造被用于通过扫描来检测样品的透明界面的位置。

在一些实施例中，聚焦感测或结构化照明计量装置被使用以通过扫描来检测样品的透明界面的位置。

在一些实施例中，聚焦感测或结构化照明计量装置被使用以通过扫描来检测透明界面的位置。

在一些实施例中，用于计量的光学辐射在紫外线、可见光或红外光谱中选择。优选地在接近光学部件被设计用于的光谱范围的光谱范围内执行测量。

在某些实施方式中，所述设备和方法可用于表征模制透镜的厚度和折射率。替代地，或此外，所述方法和设备可用于表征模制透镜的特征部(例如，关键特征部)之间的厚度和横向距离。

通常，典型的透镜模制过程依赖于彼此面对的两个模具的精确对准。模具之间的距离限定了模制部件的厚度。透镜厚度是最终透镜组件的性能的关键参数。所公开的方法和设备可以提供顶点至顶点厚度(例如具有亚微米精度)的过程控制信息。

跨越透镜的厚度变化提供关于透镜的两个半部的相对倾斜的定量化信息，其为通常对最终透镜成像能力至关重要的另一参数。因此，倾斜或平行度误差是可以通过所公开的设备和方法测量的另一过程控制参数。

透镜内的折射率及其变化也为过程控制提供了相关信息。超出公差的折射率变化或应力双折射指示注射成型工艺的问题。这两个参数均影响光学部件的成像性能。可以用所公开的用于过程控制的设备和方法来定量化地评估这两个参数。

模具之间的横向定心限定了透镜的顶点到顶点的定心，其为最终透镜能力的另一关键参数。所公开的方法和设备可以提供顶点至顶点定心(例如具有十分之一亚微米精度)的过程控制信息。

模制工艺参数也影响模具内的填充因子，并因此影响相对于定位特征部的定心和顶点高度。超出公差的顶点至特征部的高度和顶点至特征部的定心可以指示注射成型工艺的问题。这两个参数均影响光学部件的成像性能。可以用所公开的用于过程控制的方法和设备来定量化地评估这两个参数。

本发明的各个方面总结如下。

大体上，在第一方面中，本发明的特征在于一种用于确定关于透明光学元件的信息的方法，该透明光学元件包括工作部分(例如，透镜部分)和非工作部分(例如，平面平行部分)，该工作部分包括至少一个弯曲表面，该非工作部分包括相对的第一和第二表面，所述方法包括：

将测量光引导到所述透明光学元件；检测自非工作部分的第一表面上的至少一个位置反射的测量光；检测自非工作部分的第二表面在对应于第一表面上的所述至少一个位置的位置处反射的测量光；基于检测到的光，确定关于非工作部分的信息；以及基于关于非工作部分的信息评估透明光学元件。

该方法的实施方式可以包括以下特征中的和/或其它方面的特征中的一个或多个。例如，可以使用相干扫描干涉仪(CSI，coherence scanning interferometry)执行非工作部分的第一和第二表面的表面测量。替代地，使用共焦显微镜执行非工作部分的第一和第二表面的表面测量。

关于非工作部分的信息可包括非工作部分的第一表面的高度分布和非工作部分的第二表面的高度分布。关于非工作部分的信息可包括非工作部分的物理厚度分布或光学厚度分布。

关于非工作部分的信息可包括关于形成透明光学元件的材料的折射率的信息。例如，关于折射率的信息可包括材料的群折射率和/或材料的相折射率。关于折射率的信息可包括关于非工作部分的不同位置之间的折射率的变化的信息。关于折射率的信息可包括关于形成透明光学元件的材料(例如塑料)的双折射的信息。

在一些实施例中，所述方法还包括检测自支撑透明光学元件的固定装置上的参考特征部反射的测量光，和基于检测到的来自参考特征部的光确定关于该参考特征部的信息。自参考特征部反射的测量光可以被自对应于非工作部分的第一表面上的所述至少一个位置的位置反射(例如成像到检测器的相同位置)。测量光在自参考特征部反射之前和之后由透明光学元件透射。在一些实施例中，透明光学元件不在自参考特征部反射的测量光的路径中。在一些情况中，所述方法可包括检测自固定装置在第二位置处反射的测量光，该第二位置不同于对应于非工作部分的第一表面的所述至少一个位置的位置。

测量光可针对第一偏振被检测，然后针对不同于第一偏振的第二偏振被检测。

评估透明光学元件可包括基于关于非工作部分的信息来推断关于工作部分的尺寸或光学特性的信息。

在一些实施例中，非工作部分是透明光学元件的倾斜控制互锁部。工作部分的所述至少一个弯曲表面可以是球面表面或非球面表面。工作部分可包括与第一弯曲表面相对的第二弯曲表面。

关于工作部分的信息可包括关于形成透镜部分的材料的双折射的信息。关于工作部分的信息可包括关于形成透镜部分的材料的折射率的变化的信息。

评估透明光学元件可包括基于关于非工作部分的信息来确定透明光学元件是否符合规格要求。非工作部分可被定位为围绕工作部分的周边。

在另一方面中，本发明的特征在于一种形成光学组件的方法，包括：

使用前述方法确定关于透明光学元件的信息，其中透明光学元件是透镜；以及相对于镜筒中的一个或多个其它透镜固定透镜，以形成所述光学组件。所述方法可包括相对于传感器固定光学组件，以提供用于数字照相机的模块。

大体上，在另一方面中，本发明的特征在于一种用于确定关于透明光学元件的信息的系统，该透明光学元件包括工作部分(例如，透镜部分)和非工作部分(例如，平面平行部分)，该工作部分包括至少一个弯曲表面，该非工作部分包括相对的第一和第二表面，该系统包括：固定装置，其用于支撑所述透明光学元件；光学仪器，其包括光源、检测器和光学元件，所述光学元件被设置为：当透明光学元件由固定装置支撑时将来自光源的光引导向透明光学元件，并将自透明光学元件反射的光引导至所述检测器；以及与检测器通信的电子控制器，该电子控制器被编程为基于从非工作部分的第一和第二表面的对应位置检测到的光确定关于非工作部分的信息。

该系统的实施方式可以包括以下特征中的和/或其它方面的特征中的一个或多个。例如，光学仪器可以是光学区域表面形貌仪器，诸如相干扫描干涉仪或共焦显微镜。

固定装置可包括定位在来自于光学仪器的光的路径中的参考特征部。在一些实施例中，参考特征部是平面反射器。固定装置可包括支架，该支架将透明光学元件定位为与参考特征部相距一定距离。固定装置可以包括用于使透明光学元件相对于光学仪器的光轴旋转的致动器。

光源可能够提供具有可变光谱含量的光。

光学仪器可包括偏振模块，该偏振模块被构造为使来自光源的光偏振。偏振模块可被构造为选择性地使来自光源的光以正交偏振状态偏振。

大体上，在另一方面中，本发明的特征在于一种用于确定关于具有透镜部分和平面平行部分的透明光学元件的信息的方法，该方法包括：使用光学仪器来获得关于透明光学元件的第一表面的和关于透明光学元件的与第一表面相对的第二表面的高度信息(例如，表面分布)；使用光学仪器获得第一表面的强度映射(例如图像)和第二表面的强度映射；以及基于高度信息和强度映射确定关于透明光学元件的在第一表面和所述第二表面中的至少一个上的一个或多个特征部的尺寸信息。

该方法的实施方式可以包括以下特征中的和/或其它方面的特征中的一个或多个。例如，光学仪器可以是相干扫描干涉显微镜或共焦显微镜。

关于第一和第二表面的高度信息可以分别包括第一和第二表面的表面分布。如权利要求1所述的方法，其中，基于使用光学仪器的多元件检测器收集的强度帧系列来确定强度映射。通过对用于强度帧系列的多元件检测器的每个元件处的强度进行平均来确定强度映射。使用光学仪器来获得强度映射可以包括在第一和第二表面的相对于光学仪器的具有最佳焦点的相应位置处确定多元件检测器的每个元件的强度。

尺寸信息可以包括第一或第二表面的顶点相对于第一或第二表面上的另一特征部的位置。在一些情况下，尺寸信息是顶点和另一特征部之间的横向距离，横向距离是在标称平行于平面平行部分的平面中测得的距离。另一特征部可以是定位于第一或第二表面的平面平行部分处的特征部。另一个特征部可以是环形特征部，标称定中心于顶点上。另一个特征部可以是平面平行部分的第一和/或第二表面中的台阶。

光学仪器可以用于在第一表面面向光学仪器的情况下执行对透明光学对象的测量和在第二表面面对光学仪器的情况下执行对透明光学对象的测量。从在第一表面面向光学仪器的情况下对透明光学对象的测量获取的数据可用于确定第一表面的透镜部分的顶点的位置。从在第二表面面向光学仪器的情况下对透明光学对象的测量获得的数据可用于确定第一表面的透镜部分的顶点相对于第一表面的平面平行部分上的特征部的位置的位置。从在第一表面面向光学仪器的情况下对透明光学对象的测量获得的数据可用于确定第一表面的平面平行部分的上的特征部相对于第二表面的平面平行部分上的特征部的位置的位置。从在第二表面面向光学仪器的情况下对透明光学对象的测量获得的数据可用于确定第二表面的透镜部分上的顶点相对于第一表面上的顶点的位置的位置。

确定尺寸信息可以包括考虑由于透明光学元件相对于光学仪器的倾斜引起的折射效应。考虑到折射效应的尺寸信息可以是透明光学元件的与光学仪器相对的表面上的特征部的位置。

光学仪器可以用于对具有相对于光学仪器的轴线的第一方位取向的透明光学对象执行测量，并对具有相对于轴线的不同于第一方位取向的第二方位取向的透明光学对象进行测量。确定尺寸信息可以包括：从对具有第一方位取向的透明光学元件的测量获得的数据确定关于一个或多个特征部的尺寸信息，并且从对具有第二方位取向的透明光学元件的测量获得的数据确定关于一个或多个特征部的尺寸信息。确定尺寸信息可以包括基于对于第一和第二方位取向获得的尺寸信息来减小尺寸信息中的误差。

所述方法可包括基于尺寸信息来确定透明光学元件是否符合规格要求。

在另一方面，本发明的特征在于一种用于确定关于透明光学元件的信息的系统，该系统包括：光学仪器和电子控制器，该电子控制器与光学仪器通信并被编程以使系统执行前述方面的方法。

该系统的实施例可以包括其他方面的特征中的一个或多个。

大体上，在另一方面中，本发明的特征在于一种用于确定关于包括弯曲部分和平面部分的对象的信息的方法，所述弯曲部分包括具有顶点并限定所述对象的轴线的第一弯曲表面，所述方法包括：将测量光引导到对象；检测自弯曲部分的第一弯曲表面反射的测量光；检测自对象的至少一个其它表面反射的测量光；以及基于检测到的光，确定关于弯曲部分的第一弯曲表面的顶点的信息。

该方法的实施方式可以包括以下特征中的和/或其它方面的特征中的一个或多个。例如，对象可以是诸如透镜元件(例如，模制透镜元件)的透明光学元件。在一些实施例中，对象是用于光学元件的模具的部分，诸如用于透镜元件的一侧的模具。

弯曲部分可以包括与第一弯曲表面相对的第二弯曲表面，第二弯曲表面具有顶点，并且关于第一弯曲表面的顶点的信息包括透镜的沿着光轴测量的在第一表面的顶点和第二表面的顶点之间的厚度。

弯曲部分可以包括与第一弯曲表面相对的第二弯曲表面，第二弯曲表面具有顶点，并且关于第一曲面的顶点的信息包括在正交于光学轴线的平面中测量的于第一表面的顶点和第二表面的顶点之间的横向偏移。

测量光可以通过光学仪器被引导到对象，并且当反射测量光时第一弯曲表面面向光学仪器。确定关于第一弯曲表面的顶点的信息可以包括确定顶点的位置。所述至少一个其它表面可以包括面向光学仪器的另一表面，并且确定关于第一弯曲表面的顶点的信息还可包括确定在正交于光学轴线的平面中测量的在所述至少一个其它表面上的所关注的特征部的顶点之间的横向偏移。所述至少一个其它表面可以包括背离光学仪器的表面，并且确定关于第一弯曲表面的顶点的信息还可包括确定在正交于光学轴线的平面中测量的在背离光学仪器的表面上的特征部和在面向光学仪器的其它表面上的所关注的特征部之间的横向偏移。弯曲部分可以包括与第一弯曲表面相对的第二弯曲表面，并且确定关于第一弯曲表面的顶点的信息包括确定第二弯曲表面的顶点的位置。确定关于第一曲面的顶点的信息可以包括基于第一和第二弯曲表面顶点的位置来确定弯曲部分的沿着光学轴线测量的厚度。在一些实施例中，确定关于第一弯曲表面的顶点的信息包括基于以下所列横向偏移确定在正交于光学轴线的平面中测量的在第一表面的顶点和第二表面的顶点之间的横向偏移：(i)第一弯曲表面的顶点与面向光学仪器的其它表面上的所关注的特征部之间的横向偏移；(ii)在面向光学仪器的其它表面上的所关注的特征部与背离光学仪器的表面上的所关注的特征部之间的横向偏移；以及(iii)第二弯曲表面的顶点与背离光学仪器的表面上的所关注的特征部之间的横向偏移。

确定关于第一弯曲表面的顶点的信息可以包括确定关于平面部分的至少一个表面的倾斜的信息，并且在确定关于第一表面的顶点的信息时考虑该倾斜。关于倾斜的信息是相对于用于将测量光引导到对象的光学仪器的光学轴线的倾斜角，α_tilt。

该方法可以包括：在检测到测量光之后调节对象的相对于用于将测量光引导到对象的光学仪器的方位取向，并在调节方位取向之后重复检测来自第一弯曲表面和来自所述至少一个其它表面的测量光。

该方法可以包括基于在调节方位取向之后检测到的测量光来确定关于第一弯曲表面的顶点的附加信息。

在一些实施例中，该方法包括在检测到测量光之后改变测量光的偏振状态，并且在偏振状态改变之后重复对来自第一弯曲表面和所述至少一个其它表面的测量光的检测。该方法可以包括基于在偏振状态改变之前和之后检测到的测量光来确定关于对象的双折射的信息。

该方法可以包括基于关于第一弯曲表面的顶点的信息评估对象。评估对象可以包括基于关于第一弯曲表面的顶点的信息确定对象是否符合规格要求。

平面部分可以是对象的倾斜控制互锁部。所述弯曲部分的至少一个弯曲表面可以是非球面的表面。平面部分可被定位为围绕弯曲部分的周边。

在另一方面中，本发明的特征在于一种形成光学组件的方法，包括：使用前述方法确定关于对象的信息，其中对象是透镜；以及相对于镜筒中的一个或多个其它透镜固定透镜，以形成所述光学组件。所述方法可包括相对于传感器固定光学组件，以提供用于数字照相机的模块。

在另一方面中，本发明的特征在于一种用于确定关于包括弯曲部分和平面部分的对象的信息的系统，所述弯曲部分包括具有顶点并限定所述对象的轴线的第一弯曲表面，所述系统包括：固定装置，其用于支撑所述对象；光学仪器，其包括光源、检测器和光学元件，所述光学元件被设置为：当对象由固定装置支撑时将来自光源的光引导向对象，并将自对象反射的光引导至所述检测器；以及与检测器通信的电子控制器，该电子控制器被编程为基于自对象的第一弯曲表面和至少一个其它表面检测到的光确定关于第一表面的顶点的信息。

该系统的实施方式可以包括以下特征中的和/或其它方面的特征中的一个或多个。例如，光学仪器可以是光学区域表面形貌仪器，诸如相干扫描干涉仪或共焦显微镜。

固定装置可以包括致动器，该致动器被构造为使对象相对于光学仪器重新取向。例如，致动器可以被构造为相对于光学仪器的光学轴线旋转物体。

光学仪器可包括偏振模块，该偏振模块被构造为使来自光源的光偏振。偏振模块可以被构造为选择性地使来自光源的光以正交偏振状态偏振(例如，使用一个或多个偏振器和/或波片)。

检测器可以是多元件检测器(例如，CMOS阵列或CCD阵列)，并且光学仪器可以被构造为将对象的表面成像到多元件检测器上。

光源可能够改变其光谱输出。例如，光源可以包括两个或更多个不同颜色的LED。改变来自两个或更多个LED的相对光强度改变了光的颜色。光源可以是可见和/或红外光源。

从下面的说明中，本发明的其它方面和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是成像光学透镜组件的横截面视图。

图2A是被测样品透镜的侧视图。

图2B是图2A中所示的被测样品透镜的俯视图。

图3是相干扫描干涉显微镜的示意图

图4A是安装在具有参考表面的固定装置上的被测样品透镜的侧视图。

图4B和4C是图4A中所示的样品透镜和固定装置的侧视图，其示出测量系列中的两个步骤。

图5是示出使用相干扫描干涉仪(CSI)及图4B和4C中示出的步骤的的实施方式的过程流程的流程图。

图6A和6B是示出另一实施方式的测量步骤的侧视图。

图7是示出使用CSI及图6A和6B中示出的步骤的实施方式的过程流程的流程图。

图8是示出测量透镜的上部和下部平行面之间的双折射的实施方式的过程流程的流程图。

图9是被测样品透镜的侧视图。

图10示出在图9中所示的被测样品透镜的俯视图。

图11示出在图9中所示的被测样品透镜的另一俯视图，为了描述的目的，其以夸张的偏心更详细地描述了所关注的横向位置。

图12是示出通过样本测量的所关注的特征的表观的和实际的最佳焦点位置的示意图。

图13示出在图9中所示的被测样品透镜的侧视图，在此凹透镜表面面向光学仪器。

图14是示出使用CSI的实施方式的过程流程的流程图。

图15A是示出对于折射效应进行校正的所关注的表观的和实际的位置的示意图。

图15B示出了由于折射引起的倾斜和横向移位的方位取向。

图16是示出使用CSI的另一实施方式的过程流程的流程图。

图17A和17B示出了在不同的样品对仪器的方位取向中的透镜的俯视图。

图18是示出使用CSI的又一实施方式的过程流程的流程图。

图19是被测透镜模具的侧视图。

图20A是示出用于透镜表征的过程流程的流程图。

图20B是示出用于透镜表征的另一过程流程的流程图。

图21A和21B是示出用于表征透镜成型工艺的过程流程的流程图。

具体实施方式

参考图2A和2B，透镜200包括非工作的平面平行部分210和工作的透镜部分220。在该示例中，平面平行部分包括标称平面的、标称平行的两个表面211和212。在此，“标称的”是指透镜的设计。例如由于制造误差，可能发生来自标称平面度或标称平行度的可检测偏差。透镜部220是弯月形透镜，具有凸的上部表面221和凹的下部表面222。大体上，表面221和222可以是球面的或非球面的。平面平行表面211和212可以例如是形成在样本上的特征部，以辅助透镜相对于最终组件中的一个或多个其它透镜的对准和紧固。

光学计量仪器201用于评估透镜200的光学特性中的一些，特别地包括折射率均匀性和残余应力双折射、以及尺寸特征，尺寸特征诸如为透镜的厚度，包括但不限于在图中作为坐标x，y的函数的厚度T(参见图2A所示的笛卡尔坐标系)。所公开的方法通过测量平面平行表面211和212之间的区域的光学特性和物理尺寸来执行这些评估。这些测量用作透镜的整体光学和尺寸特性的指示。

通常，光学计量仪器201可以是能够执行透镜200的表面区域形貌测量的各种不同的仪器中的一个。示例性仪器包括：相干扫描干涉(CSI)显微镜(例如，P.de Groot的“Coherence Scanning Interferometry(相干扫描干涉仪)”，Optical Measurement ofSurface Topography(表面形貌的光学测量)，R.Leach编辑，第9章，第187-208页，(Springer Verlag，Berlin，2011)中公开的)；成像共焦显微镜(例如R.Artigas的“ImagingConfocal Microscopy(成像共焦显微镜)”，Optical Measurement of SurfaceTopography(表面形貌的光学测量)，R.Leach编辑，第11章，第237-286页(Springer BerlinHeidelberg，2011))中公开的；结构化照明显微镜(例如，X.M.Colonna de Lega的“Non-contact surface characterization using modulated illumination(使用调制照明的非接触表面表征)”，美国专利(2014)中公开的)；聚焦感测(例如，F.Helmli的“FocusVariation Instruments(聚焦变化仪器)”，Optical Measurement of SurfaceTopography(表面形貌的光学测量)，由R.Leach编辑，第7章，第131-166页，(SpringerBerlin Heidelberg,2011)中公开的)；或波长调谐傅里叶变换相移干涉测量(FTPSI)系统(例如L.L.Deck的“Fourier-Transform Phase-Shifting Interferometry(傅立叶变换相移干涉法)”，Applied Optics 42(13),2354-2365(2003)中公开的)。

参考图3，作为示例，适用于表征透镜200的一种类型的光学计量工具是CSI显微镜300。在该系统中，光源302经由中继光学器件308和310以及分束器312将输入光304引导到干涉物镜306。中继光学器件308和310将来自空间延伸源302的输入光304成像到干涉物镜306的孔径光阑315和对应光瞳面314(如由虚线的边缘光线316和实线的主光线317所示)。

在图3的实施例中，干涉物镜306是Mirau型的，包括物镜透镜318、分束器320和参考表面322。分束器320将输入光304分离成测试光322和参考光228，该测试光322被引导到由台部326支撑的透镜200，该参考光228自参考表面322反射。物镜318将测试和参考光分别聚焦到测试和参考表面。支撑参考表面322的参考光学器件330被涂覆以仅对于聚焦的参考光是反射的，使得输入光中的大部分在被分束器320分裂之前穿过参考光学器件。

在自测试和参考表面反射之后，测试和参考光通过分束器320重新组合以形成组合光332，其由分束器312和中继透镜336透射，以在电子检测器334(例如，多元件CCD或CMOS检测器)上形成光学干涉图案。跨越检测器的光学干涉图案的强度分布由检测器的不同元件测量，并存储在电子处理器301(例如，独立或联网的计算机或与系统的其它部件集成的处理器)中以供分析。中继透镜136将物镜306的聚焦平面中的不同点成像到检测器134上的对应点。

定位在中继光学器件308和310之间的视场光阑338限定测试表面124的由测试光122照亮的区域。在自透镜200和参考表面反射之后，组合光332在物镜透镜的光瞳面314处形成源的二次图像。

可选地，偏振元件340、342、344和346限定被引导到相应的测试和参考表面的测试和参考光的偏振状态，并限定被引导到检测器的组合光的偏振状态。取决于实施例，每个偏振元件可以是偏振器(例如，线性偏振器)、延迟板(例如，半波片或四分之一波片)或影响入射光束的偏振状态的类似光学器件。此外，在一些实施例中，可以不存在一个或多个偏振元件。此外，取决于实施例，分束器312可以是偏振分束器或非偏振分束器。大体上，由于偏振元件340、342和/或346的存在，测试表面324处的测试光322的偏振状态可以是光瞳面314中的光的方位位置的函数。

在目前描述的实施例中，源302提供在波长的宽波段上的照明(例如，具有大于20nm、大于50nm或优选甚至大于100nm的全宽半高的发射光谱)。例如，源302可以是白色发光二极管(LED)、卤素灯泡的灯丝、诸如氙弧灯的弧光灯或所谓的超连续光源，其使用光学材料中的非线性效应来产生非常宽的源光谱(>200nm)。波长的宽波段对应于有限的相干长度。平移台350调节测试和参考光之间的相对光路长度，以在检测器元件中的每个处产生光学干涉信号。例如，在图3的实施例中，平移台350是联接到干涉物镜306以调节测试表面和干涉物镜之间的距离从而改变检测器处的测试光和参考光之间的相对光路长度的压电换能器。

返回参考图2A，光学仪器201沿着平行于图2A中所示的z轴线的观察方向俯视透镜200。在该图中，S1和S2分别表示来自透镜200上的上部和下部标称平面平行表面211和212的光反射。在计量数据采集期间，系统在全局坐标系x、y、z中收集这些表面的高度信息。该坐标系由光学仪器201建立。理想地，透镜表面的旋转轴线标与z轴线标称地平行地对准。

透镜200的上部表面211的计量信息是从空气中的光的反射(图中的信号“S1”)获取的。相应地，透镜200的下部表面212的计量信息是从图中的透镜材料内的光的反射(信号“S2”)获取的。

考虑到诸如系统300的CSI显微镜系统的具体示例，在特定坐标x、y处的上部表面211和下部表面212之间的相对距离T将如下给出

T＝T'/n_G (1)

其中，T'是通过CSI显微镜或通过波长调谐FTPSI使用相干信息确定的表观的或测得的光学厚度，以及低NA(例如0.06或以下)下的n_G是群速度折射率(在高NA下，例如0.2或以上，由于倾斜效应，n_G可能改变，导致有效的群速度折射率)。相反，当使用共焦、结构化照明或聚焦感测时，信号S2将似乎在较高的z位置处发生。在该情况下，物理厚度由以下给出

T＝nT" (2)

其中，T”是通过共焦或相关的聚焦感测仪器确定的表观的或测得的光学厚度，n是相速度折射率。

厚度映射T'(x，y)或T”(x，y)提供通过折射率n_G(x，y)或n(x，y)例示的关于透镜200的物理厚度T(x，y)的平均值和均匀性以及光学特性的信息。在一些情况下，这些尺寸的和光学的特性的复合均匀性和平均值对于透镜200的制造中的过程控制是足够的。

如果期望，通过其它手段(诸如通过接触式轮廓接触测定法(如P.Scott的“RecentDevelopments in the Measurement of Aspheric Surfaces by Contact StylusInstrumentation”(关于通过接触式触笔仪器对非球面表面进行测量的最近发展)，Proc.SPIE 4927,199-207(2002))中公开的)获得的诸如厚度映射T(x，y)或光折射率n(x，y)等的附加信息可以补充由光学计量仪器201执行的测量，允许对由物理厚度产生的对折射率的影响进行单独和独立的评估。

虽然上述透镜表征仅依赖于关于表面211和212的高度分布信息，但是透镜表征也可以利用其它信息。例如，在一些实施方式中，包括专用参考固定装置，以提供附加的光学信息。参考图4A，在某些实施例中，透镜200安装在具有嵌入的参考表面420的固定装置400上。在图4A中，S1、S2和S3表示来自透镜200的所关注的上部表面和下部表面(211和212)、以及固定装置的上部参考表面420的反射光，该上部参考表面420以沿z轴线测得的距离T_air与下部透镜表面212分隔开。

固定装置400包括支撑结构410和反射上部表面420。透镜200搁置在支撑结构410上，支撑结构410将透镜定位为与反射表面420相距距离T_air。支撑结构410可以由透镜200的相对侧上的多个柱或壁组成，或者可以是将反射表面420的内部部分422与外部部分421分隔开的单个柱形支撑件。固定装置400可以专门为镜片200定制，并且在测量不同形状的透镜时可以用另一固定装置来替换。

图4B和4C示出了两个连续的测量步骤，其中光学仪器201在透镜200的平面平行部分210的全场上测量。这些步骤提供计量信息，包括表面211、212和420的高度分布测量，以根据图5的流程图500完成透镜的几何形状和光学特性的表征。表观高度测量值z_1,…4分别对应于图中的反射光S1...S4。

在图4B示出的第一步骤中，收集用于三个表面211、212和420的测量信息(步骤510、520、530)，其中，下部表面212和辅助参考表面420通过透镜材料而被测量，因此对应于表观高度。在不调整固定装置上的透镜的位置的情况下收集用于三个表面的计量信息。

在图4C中示出的第二步骤中，将透镜从固定装置400移除(步骤540)，并且第二次测量辅助参考表面420(信号S4)(步骤550)。

计量信息被组合以产生透镜元件的上部和下部平行表面之间的厚度和折射率分布的映射。对于相干扫描干涉仪和可比较的干涉测量仪器，在获取表观高度信息z_1,…4后，物理和光学厚度映射分别为：

T(x，y)＝z₁(x，y)-z₂(x，y)+z₃(x，y)-z₄(x，y) (3)

T′(x，y)＝z₁(x，y)-z₂(x，y). (4)

群速度折射率映射则为

n_G(x，y)＝T′(x，y)/T(x，y). (5)

当计量系统依靠共焦、结构化照明或聚焦感测表面分布时，方程式(4)和(5)变为

T"(x，y)＝Z₁(x，y)-Z₂(x，y)， (6)

n＝T/T". (7)

厚度映射基于从透镜的一侧到另一侧测得的厚度的变化，提供关于透镜的平均厚度以及透镜两个侧面之间可能倾斜的信息。折射率映射提供关于跨越透镜区域的可能的折射率梯度的信息。

作为可选的附加步骤，知道透镜中材料的标称折射色散特性，通常将群折射率转换为相折射率是可行的：

n＝Transform(n_G). (8)

在某些情况下，转换可以简单为相加性常数。例如，相加性常数是其中n(k)是材料的标称折射率(如由制造商说明或通过某种其它手段测得)，表达为波数的函数，k₀是用于测量的光谱带的质心波数。其它变换也是可行的，诸如查找表或多项式函数。可以通过将测得(使用仪器)的群折射率值的数据点拟合为测试样品的已知折射率的函数来创建变换多项式。

还可以进行额外的测量以提高过程的准确性。例如，参考图6A、6B和7，在一些实施例中，对来自固定装置参考表面的反射S5(其中光路不被透镜200阻挡)的附加测量z₅(x，y)与透镜图像一起被同时捕获(流程图700中的步骤710)。对于其中固定装置可以在两个测量步骤之间移动的情况，该附加信息例如提供固定装置相对于光学仪器的整体高度偏移。该信息可以通过例如提供对固定装置位置在测量之间的变化的偏移或偏移、翻转和倾斜的组合补偿来校正测量z₄(x，y)的结果(步骤720)。

在一些实施例中，对于仪器的不同构造重复测量，使得以基本上不同的光谱分布执行数据采集，例如在400nm和490nm之间定中心的第一光谱分布、在490nm和590nm之间定中心的第二光谱分布和在590nm和700nm之间定中心的第三光谱分布。每个光谱分布提供对透镜材料的光学特性的独立测量。群速度折射率或相速度折射率的多个测量值然后可被组合以获取对材料光学特性随波长(或色散)的变化的评估，其可用于验证材料在公差内和/或用于控制制造过程。在仪器测量群折射率的情况下(例如相干扫描干涉仪)，还使用色散评估来计算对折射率的评估，例如使用一阶导数乘以质心波数的乘积。在一些实施例中，仪器收集由扫描数据采集产生的数据时，多个光谱分布同时存在。多个光谱带在检测器处分离，例如使用彩色感测装置(配备有彩色滤光器的CCD或CMOS相机)。替代地，来自传感器的返回光通过二向色光学元件被空间地分离，该二向色光学元件向着多个单色传感器反射或透射特定光谱分量。需要至少两个光谱带来评估材料的色散特性。

虽然可以使用偏振光或非偏振光执行前述测量，但是使用偏振光可能收集关于透镜200的附加信息。例如，参考图8，可以确定关于透镜的偏振相关光学特性的信息，包括应力双折射效应，其可以揭示透镜(或其他部分地透明的样品)制造的问题。在大多数情况下，没有应力和相关联的应力双折射的透镜是制造过程控制的设计目标。

样品中应力双折射的存在可以通过观察其在样品的平面平行区域中的效应而被监测。在此，流程图500或流程图700中概述的测量过程执行至少两次，其中，对于由计量系统使用的照明光的不同偏振状态，执行每个完整的数据采集周期。可以使用常规的偏振器和/或波片控制光学测量仪器的偏振状态。

例如，如流程图800中所示，使用沿着x方向线性偏振的照明光执行第一测量，并且使用沿着y方向线性偏振的照明光重复该第一测量。在一些实施例中，偏振方向相对于透镜200上的基准特征部对准，诸如在透镜是注射成型透镜情况下，基准特征部可对应于浇口，在该浇口处注射的材料进入型腔。

然后组合所收集的多个折射率映射，以提供对存在于透镜材料中的双折射的定量测量。例如，在步骤870中，根据测量计算双折射效应。在步骤880中，从测量计算平均折射率。双折射例如可以表达为通过透镜的光路的差异，如流程图800的步骤870所示。在此通过透镜的双折射的累积效应计算为

B(x，y)＝[n₂(x，y)-n₁(x，y)]T (9)

而平均折射率(如步骤880所示)为

双折射可以类似地表达为材料内每个单位传播长度的光路的差异。相速度折射率n_1，2对应于两个偏振取向。对于过程控制，这些指标被由例如由CSI显微镜测量得出的群折射率测量值充分地表示。此外，对于一些过程控制情况，使用图2A的更简单的构件对光学厚度变化

B′(x，y)＝T′₂(x，y)-T′₁(x，y) (11)

或

B"(x，y)＝T"₂(x，y)-T"₁(x，y) (12)

的测量可能已经是足够的。

虽然前述实施例涉及表征透镜的非工作部分(例如，平面平行部分)的测量以及大体从这些特征推断关于透镜的信息，但是其它实施方式也是可行的。例如，也可以执行对直接表征透镜的工作部分的测量。

参考图9和图10，被测试的样品透镜900包括具有弯曲表面的工作部分920和由围绕工作部分的多个标称平面表面组成的非工作部分910。图9示出透镜900的侧视图，而图10示出俯视图。工作部分920对应于凸的上部表面921和凸的下部表面922。上部表面221具有顶点923，该顶点923与下部表面922的顶点924标称地沿相同的轴线对齐。

非工作部分910由一系列平坦的环形表面组成，其具有与透镜900的每侧上的内部和外部平坦表面偏移的台阶特征部。大体上，非工作部分910的表面例如可以包括形成在样品上以帮助在最终组件中对透镜进行对准和固定、和/或便于测量透镜特征部的相对对准的特征部。在这种情况下，非工作部分910的上部侧面包括平坦表面912和916。台阶914将表面912和916分隔开。台阶914在边缘914o处与表面912会合并在边缘914i处与表面916会合。表面916在边缘918处与上部凸表面921会合。

非工作部分910的下部侧面包括平坦表面911和917。台阶915将表面911和917分隔开。台阶915在边缘915o处与表面911会合并在边缘915i处与表面917会合。表面917在边缘919处与下部凹表面922会合。

光学计量仪器201用于评估透镜900的尺寸特征中的一些，包括(但不限于)顶点至顶点的厚度T_Apex和表面特征部位置的相对x，y横向偏移(参照公共轴线z)，表面特征部位置包括(但不限于)顶点中心和对准表面特征部。通过测量上部表面轮廓以确定3D顶点位置和其它表面特征部的相对3D位置以及形貌来执行这些评估。这些测量用作透镜的整体尺寸特性的指示。

在操作期间，光学仪器201沿着平行于图9中所示的z轴线的观察方向俯视样品，该观察方向对应于仪器201的光轴。在计量数据采集期间，系统在全局坐标系x、y、z中收集所关注的表面的高度和强度信息。

顶点923的计量信息从空气中的光的反射(图9中的信号S_UA)获取，用于上部表面中的所关注的其它特征部的计量信息从空气中的光的反射(图9中的信号S_UF)获取。相应地，用于下部表面中的所关注的特征的计量信息是从透镜材料内的光的反射(图9中的信号S_LF)获取的。

考虑到诸如图3所示的CSI显微镜系统的具体示例，信号S_UA通常被处理以产生高度信息，然后可以对该高度信息进行分析，以确定顶点923的3D位置P_UA。从信号S_UF获取的高度信息可以与P_UA组合，以确定沿z方向相对于所关注的上部表面特征部(表面912)的顶点高度H_UA。也可以使用该相同的高度信息来确定上部表面边缘特征部的位置，例如所关注的上部表面特征部912的标称圆形边缘的位置。替代地或另外，可以处理信号S_UF以产生强度信息，然后可以对该强度信息进行分析，以确定上部表面边缘特征部914的位置。

S_LF是非干涉强度信号，其可以被分析以确定下部表面边缘特征部915的位置。参考图12，S_LF可以用显微镜系统在具有最佳聚焦的z位置处测得，如图12所示，其相对于上部表面的在该x，y位置处的焦平面移位T_BF。对于厚度T_feature和折射率n，T_BF针对近似法向入射角计算为：

T_BF＝T_feature/n(13)

对于该计算，厚度和折射率可以是假设的标称值，或者是通过某些其它手段(例如使用相同的仪器或卡尺)以前测得的。取决于给定应用的要求精度，补偿由通过透镜材料的折射引起的球面像差效应并且计算T_BF的校正值可能是更有益的，例如使用以下公式：

其中，NA是指光学仪器的数值孔径。

上部表面顶点C_UA的横向位置由P_UA的x，y坐标给出。所关注的其它特征部的位置可以以其它方式定义，例如测得的边缘位置的中心，在图11中如C_UF和_CLF所示。这些位置之间的横向距离对应于与z轴线平行的轴线(其被隐含地称为基准平面)之间的偏移，并且在一些情况下对应于上部表面的平面特征部。例如，特征部间横向距离XY_Feature可以被计算为：

XY_Feature＝C_UF-C_LF (14)

类似地，上部表面顶点至特征部的横向距离XY_UAF可以被计算为：

XY_UAF＝C_UA-C_UF (15)

在某些情况下，XY_Feature对于制造透镜的过程控制是足够的，例如作为半模的横向对准的量度。类似地，XY_UAF以及相对顶点高度H_UA对于识别透镜形成的问题可能是足够的，例如是否这些来自尺寸的偏差预期来自上部表面半模。

可能期望明确地测量上部表面顶点和下部表面顶点之间的尺寸特性，例如图9中所示的顶点厚度T_Apex或对应于图11中所示的C_UA和C_LA之间的横向距离的顶点间横向距离XY_Apex。在一些实施例中，并且参考图13，这可以通过另外测量取向为下部表面911，917和922面向光学仪器201的透镜900，同时跟踪相对于在透镜900的上部表面面向光学仪器201的情况下进行的测量的方位取向而实现。使用与对于第一次测量所描述的方法类似的方法，该第二次测量提供H_LA，P_LA和下部表面顶点至特征部的横向距离XY_LAF，该横向距离XY_LAF对应于C_LA和C_LF之间的横向距离：

XY_LAF＝C_LA-C_LF (16)

注意，对于图13中所示的特定几何形状，H_LA是负的。

在以下情况下，该第二次测量可提供XY_Feature的独立测量。

在一些实施例中，来自首先一个表面面向仪器、然后另一表面面向仪器的情况下测量透镜的计量信息根据图14中所示的流程图1400被组合，以产生对总顶点厚度和期望的横向距离的测量。在该实施方式中，步骤顺序如下：首先，镜面900定位为上部表面朝向计量仪器201(步骤1405)。在该构造中时，计量仪器201至少在上部表面的顶点的区域中测量高度分布，并计算该上部顶点的位置(步骤1410)。在透镜900处于同一位置情况下，仪器201测量所关注的上部特征的高度分布和强度分布，该上部特征为诸如边缘914o(步骤1415)。在步骤1420中，系统然后计算上部顶点高度H_UA和上部顶点至特征部的横向距离XY_UAF(例如，使用等式(15))。

对于下部表面特征部的测量，计量仪器201和透镜900相对于彼此移动，使得所关注的下部特征部(例如边缘915o)处于最佳聚焦位置处(步骤1425)。可以使用T_feature和n的标称值或测得值来确定该位置。在该位置中，仪器测量下部特征部的强度分布(步骤1430)。使用来自强度分布的信息，系统计算(在步骤1435中)特征部间的横向偏移XY_Feature。

接下来，透镜900被翻转并被定位为其下部表面面向仪器201(步骤1440)。在该位置中，在下部顶点924的区域中测量高度分布，并且计算下部顶点位置P_LA(步骤1445)。然后，系统在步骤1450中测量下部表面上的一个或多个特征部(例如边缘915)的高度分布和强度分布。通过该测量，系统计算下部顶点高度H_LA和下部顶点至特征部的横向距离XY_LAF(步骤1455)。

在步骤1460中，顶点厚度T_Apex可以被计算为：

Τ_Apex＝H_UA+T_feature+H_LA (17)

最后，在步骤1465中，顶点间横向距离XY_Apex对应于C_UA和C_LA之间的横向距离，并且可以根据下列公式计算，其中上标表示参数从上部表面测量还是从下部表面测量获得：

XY_Apex＝XY_UAF ^upper+(XY_Feature)^upper-XY_LAF ^lower (18)

如果下部表面测量提供了特征部间横向距离XY_Feature的独立测量，则可以可选地使用以下表达式来可能地减少统计差异：

XY_Feature＝0.5[XY_Feature ^upper+XY_Feature ^lower] (19)

XY_Apex＝XY_UAF ^upper+XY_Feature-XY_LAF ^lower (20)

在一些实施例中，如先前关于图4A-4C所讨论的，该设备可以包括部件固定装置，该部件固定装置包括放置在样品下方的标称平坦的反射表面，使得其将传播通过样品的光通过样品并朝向计量仪器反射回。这样的实施方式可以改善使用光学仪器201获取的强度图像中的对比度。

在某些实施例中，可以利用关于包括所关注的特征部的区域中的x，y空间变化的信息来更准确地确定尺寸特征。例如，该信息可以包括折射率n(x，y)、厚度T(x，y)和表面形貌S_UA(x，y)和S_UA(x，y)的映射。

参考图15A和15B，被测透镜的平坦表面区域似乎是平行的，但实际上可能存在与该理想的偏离。例如，通过所关注的上部和下部特征部的最佳拟合平面可能与平行偏离。这对于第一测量(面向仪器的上部表面)可以相对于第二测量(面向仪器的下部表面)产生非平行部分倾斜，例如，如果部分倾斜分别相对于上部表面和下部表面中的非平行特征部被调节。这些相对的部分倾斜形成楔形角W，其可以从厚度映射T(x，y)获取并且并入到尺寸特征的计算中。例如，顶点厚度T_Apex可以被表达为：

T_Apex＝f_ApexZ(H_UA，T_feature，H_LA，W) (21)

横向距离XY_Feature和XY_Apex可以被表达为：

XY_Feature＝f_FeatureXY(C_UF，C_LF，W) (22)

XY_Apex＝f_ApexXY(XY_UAF，XY_Feature，XY_LAF，W) (23)

图9示出了通过上部表面界面测量的下部表面边缘，上部表面界面看起来垂直于区域表面形貌仪器的光轴，但再次地实际上也可能存在与该理想的偏离。此外，该偏差可能具有(x，y)依赖性，例如表现为表面形貌映射S_UA(x，y)中的局部倾斜的变化。图15A示出在具有通过首先由遇到以α_tilt与垂直方向倾斜的表面的光束测量的折射率n的材料中，通过厚度T测得的特定横向位置处的所关注的定位。

由于折射效应，所关注的定位的表观和实际横向位置之间将存在侧向移位ΔL，其大致由以下给出：

ΔL＝Tsin(α_refr) (24)

其中，sin(α_refr)和sin(α_tilt)通过斯涅尔定律相关：

sin(α_refr)＝sin(α_tilt)/n (25)

由此，ΔL由以下给出：

ΔL＝Tsin(α_tilt)/n (26)

在图15A中，厚度T被示为沿着光束的方向被测量，如在样品处于相同取向中的情况下对于某些厚度测量方法所预期的那样。对于一些实施例，T可以对应于沿着光轴的厚度。对于通常遇到的小α_tilt值，对该可能的差异ΔL的影响可以忽略不计。

局部倾斜α_tilt将在XY平面中具有相同的方位取向θ_tilt。如图15B所示，横向移位ΔL将具有相同的方位取向。对所关注的定位的表观位置的x和y坐标的修正则分别如下：

Δx＝ΔL·cos(θ_tilt) (27)

Δy＝ΔL·sin(θ_tilt) (28)

通常，折射率n、厚度T、倾斜αtilt和方位取向θ_tilt将取决于横向位置(x,y),所以ΔL将也大体上为(x，y)的函数。可以对每个测得的边缘点应用折射校正，随后可以根据期望分析校正的边缘点的集合以生成所关注的特征部的校正位置。

参考图16，在流程图1600中示出了考虑透镜的倾斜角度的示例性实施方式。在此，透镜首先被定位为其上部表面面向计量仪器(步骤1605)，并且该仪器用于测量上部顶点区域的高度分布，并且从该测量计算上部顶点位置P_UA(步骤1610)。然后，该系统测量所关注的上部特征部(诸如上部表面915或上部表面上的边缘)的高度和强度分布(步骤1615)。从该测量，系统计算上部特征部中心C_UF。在步骤1620中，系统然后计算上部顶点高度H_UA和上部顶点至特征部的横向距离XY_UAF。对于下一次测量，使用T_Feature和n的标称值或测量值，系统相对于光学仪器移动透镜，以使所关注的下部特征部(例如，平坦表面或边缘)处于最佳聚焦位置中(步骤1625)。在该位置中，系统测量下部表面特征部的强度分布，并测量下部表面上的表观边缘位置(步骤1630)。对于每个边缘位置的横向移位ΔL，由系统使用折射率n，倾斜α_tilt和厚度T的局部值对这些测量进行校正(步骤1635)。使用校正的边缘位置，系统计算下部特征部的中心的位置C_LF(步骤1640)。具有上部和下部特征部的位置(C_UF和C_LF)和楔形角度W，系统计算特征部间横向偏移XY_Feature(步骤1645)。这里，楔形角对应于透镜的厚度映射中的倾斜。

接下来，在步骤1650中，透镜被翻转，使得下部表面面向光学仪器(步骤1650)，并且获取下部顶点区域的高度分布(步骤1655)。系统根据该高度分布计算下部顶点位置P_LA。然后，系统测量所关注的下部表面特征部的高度分布和强度分布(步骤1660)。然后根据从步骤1655和1660获取的信息计算下部表面顶点高度H_LA和下部顶点至特征部的横向距离XY_LAF(步骤1665)。使用H_LA的该值、以及H_UA和T_feature的值，系统计算顶点厚度T_Apex(步骤1670)。使用XY_UAF，XY_LAF，XY_Feature和W，系统还计算顶点间横向偏移XY_Apex的值(步骤1675)。

在一些实施例中，在相对于光学仪器的两个或更多个方位取向处测量样品。通过在不同方位取向处获得对透镜的尺寸特性的独立测量，系统可以组合这些独立测量，以减少最终报告的尺寸特性中的系统误差。

系统误差源的示例包括光轴与扫描轴线之间的未对准、照明的横向或轴向不对准以及样品倾斜中的偏差。

在一些情况下，系统误差具有与样本取向无关的构成。例如，报告的两个特定特征部之间的横向距离可能会由于仪器坐标中的一些偏移(Δx_bias，Δy_bias)而存在偏差。该偏差可以取决于所测量的特定样品特征部。在这种情况下，通过将样品处于相对于仪器的方位角取向为θ₀的情况下以及将样品处于相对于仪器的方位取向为θ₁₈₀的情况下的测量相结合，可以减少测得的横向距离的系统误差，其中θ₁₈₀相对于θ₀应偏移180°。如图17A和17B所示，这对应于样品坐标(x_sample,y_sample)和仪器坐标(x_instr,y_instr)之间的180°的相对方位旋转。该相对方位取向可以经由将样品固定或对准到部件本身上的一独特的特征部获得。例如，样品支撑件可以包括旋转台和计量器，其可以围绕光学仪器的光轴手动或自动旋转期望的量。

参考图18，在流程图1800中示出了利用样本旋转的示例性方法。该过程将在透镜处于相对于仪器的四个不同的取向的情况下执行的测量系列相结合：

-上部表面在方位取向θ₀处面向仪器

-上部表面在方位取向θ₁₈₀处面向仪器

-下部表面在方位取向θ₀处面向仪器

-下部表面在方位取向θ₁₈₀处面向仪器

具体步骤如下。首先，透镜被定为为其上部表面面向光学仪器并且在方位取向θ₀处(步骤1805)。在该取向中，系统执行一系列的高度和强度分布测量，并计算和的值(步骤1810)。

对于下一个测量系列，透镜被定位为其上部表面面向光学仪器并且在方位角θ₁₈₀处(步骤1815)。在该取向中，系统执行一系列的高度和强度分布测量，并计算和的值(步骤1820)。

对于下一个测量系列，透镜被定位为其下部表面面向光学仪器并且在方位角θ₀处(步骤1825)。在该取向中，系统执行一系列的高度和强度分布测量，并计算的值(步骤1830)。

对于最后的测量系列，透镜被定位为其下部表面面向光学仪器并且在方位角θ₁₈₀处(步骤1835)。在该取向中，系统执行一系列的高度和强度分布测量，并计算的值(步骤1840)。在这些相对取向处进行测量的顺序并不重要，并且可以通过最方便的方式来进行。

所计算的值接下来用于计算每个取向的顶点间横向距离构成部分和(步骤1845)。最后，使用这些构成部分值，系统计算顶点间横向距离(步骤1850)，以及最终的顶点至特征部的横向距离，和(步骤1855)。

最终报告的横向距离XY^final通过组合在θ₀和θ₁₈₀处测量的对应的横向距离(分别为XY⁰和XY¹⁸⁰)来计算：

XY^final＝f_Combine(XY⁰,XY¹⁸⁰) (29)

前述等式可以应用于关注的横向距离，包括前述的那些横向距离，诸如特征部间距XY_Feature、顶点至特征部的横向距离XY_UAF和XY_LAF、以及顶点之间的横向距离XY_Apex。如果横向距离的测量构成部分全部在样本参考系中，即相对于样本坐标(x_sample,y_sample)，则在一些情况下，将函数组合可能与测量构成部分的算术平均值一样简单。替代地或另外，一些操作可以在一个步骤中将工具参考帧结果映射到样品参考帧。可行的其他操作可以解释之前确定的剩余工具偏差。

如前所述，另一个可能的测量误差源是样品中的材料双折射。在一些情况下，例如使用偏振器和/或波片，可以通过将由处于各种偏振态中的仪器所获得的测量结合来减少测量误差。这可以进一步与样品相对于仪器的相对方位取向中的变化相结合。

上述设备和方法允许评价在加工过程中的透明样品，所述透明样品特别地包括透镜，透镜包括弯曲工作表面区域以及平面平行区域，这些平面平行区域用作用于确定样品的尺寸和光学特性的替代物。透明样品包括透镜，诸如作为多透镜透镜组件(例如用于数码相机)的一部分的模制透镜。这种透镜组件广泛地用于移动装置的相机中，移动装置为诸如手机、智能手机和平板计算机或其它示例。

在一些实施例中，上述方法可以应用于测量用于透镜的模具。例如，参考图19，被测样品可以是透镜模具1900的一个半部。该模具包括弯曲表面1921，其对应于使用模具形成的透镜的工作区域。弯曲表面1921具有顶点1921。模具还包括由第一内部平坦表面1916和第二外部平坦表面1912组成的平坦部分。平坦表面被台阶1914分隔开。台阶1914的外部边缘1914o可以被用作在表征模具1900的测量中关注的特征部。外部平坦表面1912和顶点1923以沿着仪器201的z轴线测得的高度H_A偏移。模具1900可通过例如自表面1921(经由光S_A)和外部平坦表面1912(S_F)获取高度分布和强度分布而被表征。关于例如顶点位置和顶点至关注的特征的边缘的横向偏移的信息可以如之前对于透镜900所述的确定。

图20A和20B中的流程图示出了所述技术的可行的使用。图19中的流程图2000示出了使用如上所述的厚度和双折射测量(步骤2010)的透镜表征技术。在步骤2020中，基于这些测量，系统报告厚度、平行度、平均折射率、折射率梯度和双折射的值。这些值接下来与这些参数的预定规格进行比较(步骤2030)。

对于不符合规格的那些透镜，透镜被拒绝(步骤2040)，并且系统将对应的模制部位报告为处于过程控制目标之外(步骤2050)。对于符合规格的那些透镜，将透镜分类到厚度仓中(步骤2060)，并将对应的模制部位报告为处于过程控制目标内(步骤2070)。

图20B中的流程图2001示出一种透镜表征技术，其使用顶点至特征部高度、顶点厚度、顶点间横向距离和特征部间横向距离的测量。这里，在第一步骤2011中，透镜上的各种特征部的位置从如上所述测得的高度和强度数据获取。在步骤2021中，基于这些测量，系统报告顶点至特征部高度、顶点厚度、顶点间横向距离和特征部间横向距离的值。这些值接下来与这些参数的预定规格进行比较(步骤2031)。

对于不符合规格的那些透镜，透镜被拒绝(步骤2041)，并且系统将对应的模制部位报告为处于过程控制目标之外(步骤2051)。对于符合规格的那些透镜，将透镜分类到厚度仓中(步骤2061)，并将对应的模制部位报告为处于过程控制目标内(步骤2071)。

测量技术也可以用于表征用于制造镜片的模制工艺。用于表征模制过程的实施方式在图21A和21B的流程图中示出。

在图21A的流程图2100所示的过程中，第一步骤2110是测量透镜的非工作部分的厚度和双折射。基于这些测量，系统分析透镜的厚度、平行度、平均折射率、折射率梯度和双折射(步骤2120)。基于该分析，调整模具的两个半部的相对位置，以满足厚度和平行度规格(步骤2130)。调整模制工艺参数(例如，温度和温度斜率、透镜材料组成、注射压力)，以符合折射率规格(步骤2140)。

在图21B中的流程图2101所示的过程中，第一步骤2150是测量透镜表面的高度分布及顶点和特征部的横向位置。基于这些测量，系统确定并报告顶点至特征部高度、顶点厚度、顶点间横向距离和特征部间横向距离(步骤2160)。基于该分析，调整模具的两个半部的相对位置，以符合厚度和横向对中规格(步骤2130)。调整模制工艺参数(例如，温度和温度斜率、透镜材料组成)，以符合顶点至特征部规格(步骤2140)。

尽管上述流程图针对双折射和厚度测量(而不是针对顶点和特征部测量)描绘了单独的过程，但是在一些实施例中，这两组测量可以被结合以便例如改善透镜表征和/或透镜模制。

虽然已经描述了某些实施方式，但是其它实施方式也是可行的。例如，虽然透镜200和透镜900都是弯月形透镜，但是更通常地，可以使用所公开的技术来表征其它类型的透镜，包括例如凸凸透镜、凹凹透镜、平凸透镜和平凹透镜。透镜表面可以是非球面的。在一些实施例中，透镜表面可以包括拐点，表面的凹性在拐点处变化。这种表面的一个例子是图1中的表面132。

此外，可以使用除以上所述之外的各种对准特征部。例如，虽然透镜200和900中的平坦表面是环形表面，但是其它几何形状也是可行的。离散特征部，诸如表面上的凸起部分、凹陷或表面上的简单标记可以用作上述测量中的特征部。

虽然本说明书大体上集中在光学部件的计量上，但相关类别的应用是用于制造注塑成型透镜的模具的计量。在这种情况下，模具展现出也在透镜上发现的所有特征部，即工作光学表面和一个或多个位置、中心或对准基准。然后可以容易地应用针对透镜的一侧所描述的计量步骤。例如，仪器用于测量光学表面的顶点相对于机械基准的中心和高度。其它计量步骤包括表征外部基准之间的台阶、及陡锥形中心基准的角度。

在一些实施例中，诸如其中被测部件大于光学仪器的视野，部件的不同区域的测量可以被联结在一起，以提供整个部件的测量。J.Roth和P.de Groot的“Wide-fieldscanning white light interferometry of rough surfaces”，Proc.ASPE SpringTopical Meeting on Advances in Surface Metrology，57-60(1997)中公开了联结测量的示例性技术。

在一些实施方式中，可以应用附加的校正来提高测量精度。例如，可以应用针对关于表面的反射特性的相变化的校正。例如参见P.de Groot,J.Biegen,J.Clark,X.Colonnade Lega and D.Grigg,"Optical Interferometry for Measurement of the GeometricDimensions of Industrial Parts,"Applied Optics 41(19),3853-3860(2002)。

在一些实施方式中，可以从一个以上的视角或从两侧测量部件。例如参见P.deGroot,J.Biegen,J.Clark,X.Colonna de Lega and D.Grigg,"Optical Interferometryfor Measurement of the Geometric Dimensions of Industrial Parts,"AppliedOptics 41(19),3853-3860(2002)。

测量结果可以与其它测量结合，其它测量包括例如非球面形状的触笔测量，诸如P.Scott,"Recent Developments in the Measurement of Aspheric Surfaces byContact Stylus Instrumentation,"4927,199-207(2002)中所公开的。

可以应用各种数据处理方法。例如，可以使用适于用相干扫描干涉仪来测量多个表面的方法。例如参见P.J.de Groot and X.Colonna de Lega,"Transparent filmprofiling and analysis by interference microscopy,"Proc.SPIE 7064,706401-1706401-6(2008)。

可以使用标准编程技术遵循本文描述的方法和附图在计算机程序中实现与上述测量和分析相关联的计算。将程序代码应用于输入数据以执行本文所述的功能并生成输出信息。输出信息可以应用于一个或多个输出装置，诸如显示监视器。每个程序可以以高级程序或面向对象的编程语言来实现，以与计算机系统进行通信。但是，如果期望，程序可以以汇编或机器语言实现。无论如何，该语言可以是编译或解释语言。此外，该程序可以在为此目的预编程的专用集成电路上运行。

每个这样的计算机程序优选地存储在由通用或专用可编程计算机可读的存储介质或装置(例如，ROM、光盘或磁盘)上，用于在存储介质或装置被计算机读取时配置和操作计算机，以执行本文所述的过程。计算机程序也可以在程序执行期间驻留在缓存或主存储器中。校准方法还可以至少部分地被实现为配置有计算机程序的计算机可读存储介质，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作,以执行本文所述的功能。

其它实施例包含在所附权利要求中。

Claims (35)

1.一种用于确定关于透明光学元件的信息的方法，所述透明光学元件包括透镜部分和平面平行部分，所述透镜部分包括至少一个弯曲表面，所述平面平行部分包括相对的第一和第二表面，所述方法包括：

将测量光引导到所述透明光学元件；

检测自所述平面平行部分的第一表面上的至少一个位置反射的测量光；

检测自所述平面平行部分的第二表面在对应于第一表面上的所述至少一个位置的位置处反射的测量光；

基于检测到的光，确定关于所述平面平行部分的信息；以及

基于关于所述平面平行部分的信息评估所述透明光学元件。

2.如权利要求1所述的方法，其中，使用相干扫描干涉仪执行所述平面平行部分的第一和第二表面的表面测量。

3.如权利要求1所述的方法，其中，使用共焦显微镜执行所述平面平行部分的第一和第二表面的表面测量。

4.如权利要求1所述的方法，其中，关于所述平面平行部分的信息包括所述平面平行部分的第一表面的高度分布和所述平面平行部分的第二表面的高度分布。

5.如权利要求1所述的方法，其中，关于所述平面平行部分的信息包括所述平面平行部分的物理厚度分布或光学厚度分布。

6.如权利要求1所述的方法，其中，关于所述平面平行部分的信息包括关于形成所述透明光学元件的材料的折射率的信息。

7.如权利要求6所述的方法，其中，关于所述折射率的信息包括材料的群折射率。

8.如权利要求6所述的方法，其中，关于所述折射率的信息包括材料的相折射率。

9.如权利要求6所述的方法，其中，关于所述折射率的信息包括关于所述平面平行部分的不同位置之间的折射率的变化的信息。

10.如权利要求6所述的方法，其中，关于所述折射率的信息包括关于形成所述透明光学元件的材料的双折射的信息。

11.如权利要求1所述的方法，还包括检测自支撑所述透明光学元件的固定装置上的参考特征部反射的测量光，和基于检测到的来自所述参考特征部的光确定关于所述参考特征部的信息。

12.如权利要求11所述的方法，其中，自所述参考特征部反射的测量光是自对应于所述平面平行部分的第一表面上的所述至少一个位置的位置反射的。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述测量光在自所述参考特征部反射之前和之后由所述透明光学元件透射。

14.如权利要求12所述的方法，其中，所述透明光学元件不在自所述参考特征部反射的测量光的路径中。

15.如权利要求12所述的方法，还包括检测自所述固定装置在第二位置处反射的测量光，该第二位置不同于对应于所述平面平行部分的第一表面的所述至少一个位置的位置。

16.如权利要求1所述的方法，其中，对于第一偏振检测所述测量光，然后对于不同于所述第一偏振的第二偏振检测所述测量光。

17.如权利要求1所述的方法，其中，评估所述透明光学元件包括基于关于所述平面平行部分的信息来推断关于所述透镜部分的尺寸或光学特性的信息。

18.如权利要求1所述的方法，其中，所述平面平行部分是所述透明光学元件的倾斜控制互锁部。

19.如权利要求1所述的方法，其中，所述透镜部分的至少一个弯曲表面是非球面的表面。

20.如权利要求1所述的方法，其中，所述透镜部分包括与第一弯曲表面相对的第二弯曲表面。

21.如权利要求1所述的方法，其中，关于所述透镜部分的信息包括关于形成所述透镜部分的材料的双折射的信息。

22.如权利要求1所述的方法，其中，关于所述透镜部分的信息包括关于形成所述透镜部分的材料的折射率变化的信息。

23.如权利要求1所述的方法，其中，评估所述透明光学元件包括基于关于所述平面平行部分的信息来确定所述透明光学元件是否符合规格要求。

24.如权利要求1所述的方法，其中，所述平面平行部分被定位为围绕所述透镜部分的周边。

25.一种形成光学组件的方法，包括：

使用如权利要求1所述的方法确定关于所述透明光学元件的信息，其中所述透明光学元件是透镜；以及

相对于镜筒中的一个或多个其它透镜固定所述透镜，以形成所述光学组件。

26.如权利要求25所述的方法，还包括相对于传感器固定所述光学组件，以提供用于数字照相机的模块。

27.一种用于确定关于透明光学元件的信息的系统，所述透明光学元件包括透镜部分和平面平行部分，所述透镜部分包括至少一个弯曲表面，所述平面平行部分包括相对的第一和第二表面，所述系统包括：

固定装置，其用于支撑所述透明光学元件；

光学仪器，其包括光源、检测器和光学元件，所述光学元件被设置为：当所述透明光学元件由所述固定装置支撑时将来自所述光源的光引导向所述透明光学元件，并将自所述透明光学元件反射的光引导至所述检测器；以及

电子控制器，与所述检测器通信，所述电子控制器被编程为基于从所述平面平行部分的第一和第二表面的对应位置检测到的光确定关于所述平面平行部分的信息。

28.如权利要求27所述的系统，其中，所述光学仪器是光学区域表面形貌仪器。

29.如权利要求28所述的系统，其中，所述光学区域表面形貌仪器是相干扫描干涉仪。

30.如权利要求28所述的系统，其中，所述光学区域表面形貌仪器是共焦显微镜。

31.如权利要求27所述的系统，其中，所述固定装置包括定位在来自于所述光学仪器的光的路径中的参考特征部。

32.如权利要求31所述的系统，其中，所述参考特征部是平面反射器。

33.如权利要求31所述的系统，其中，所述固定装置包括支架，该支架将所述透明光学元件定位为与所述参考特征部相距一定距离。

34.如权利要求27所述的系统，其中，所述光学仪器包括偏振模块，所述偏振模块被构造为使来自所述光源的光偏振。

35.如权利要求34所述的系统，其中，所述偏振模块被构造为选择性地使来自所述光源的光以正交偏振状态偏振。