CN107449371A - 优化选择标准球面镜头的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明所涉及的优化选择标准球面镜头的方法，包括以下步骤：步骤S1，设计根据被测样品的参数值自动筛选出符合要求的光学镜头的筛选程序，步骤S1‑1，当测样品镜头为凹面镜时，判断f是否大于F，当结果为是时，选择3/4英寸的凹面镜头；当结果为否时，无合适镜头；步骤S1‑2，当测样品镜头为凸面镜时，进入步骤S1‑3；判断r是否小于R,当结果为是时，进入步骤S2；当结果为否时，无合适镜头；步骤S2，将被测样品的多个参数值数据输入程序；步骤S3，运行程序后，得到镜头筛选结果。根据本发明所涉及的优化选择标准球面镜头的方法，能使用最少的镜头来测量的更多的样品，减少了测量镜头使用的数量，从而节约了使用测量镜头的成本和测量的人工成本。

Description

优化选择标准球面镜头的方法

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种优化选择标准球面镜头的方法。

背景技术

为了检测被测物体表面形状和不规则性，需要选择合适的标准球面镜，目前国内外标准球面镜的选择大多基于实际经验和人工计算找出最合适的标准球面镜，这往往造成选择光学镜头不唯一、不准确。

目前的光学测量实验镜头选择繁琐且存在计算不准确的操作，ZYGO公司的干涉仪标准球面镜的选择，在测量球面时，将样品放置在光束中，并使它的曲率中心与标准球面镜的焦点精确重合，这样做的结果就是将样品与一个已知半径的波前重合，凹面样品放置在光束发散部分测试。凸面样品则放置在测量光束的汇聚部分测量，测量光束从样品表面反射，经过标准球面镜回到GPI主机与参考波面发生干涉形成干涉条纹。

标准球面(TS)：标准球面是用于将干涉仪的输出平行波前转化为球形波前，并且也用于将激光分离为测量光束和参考光束两个部分，斐索型干涉仪的标准球面可以安装在主机的调整架上也可以安装在位于辅助调整架上。

主表面：主表面是指每个标准球面的最后一个球面，一般指一个消球差的表面，参考波前的质量就取决于主表面的质量，主表面反射回主机的光束形成参考光束，透过主表面的光束形成测量光束，测量光束在标准球面前焦点汇聚后发散出去。

标准球面镜的选择分被测样品为凹还是凸，当样品为凹面时，只需满足如附图3所示关系，被测样品F数(r/φ)大于标准球面F数(R/D)，在直径上没有限制。而当样品为凸面时，不仅要满足然被测样品F数(r/φ)大于标准球面F数(R/D)，而且被测样品曲率半径要小于标准球面曲率半径，满足这些条件来选择镜头，需要人为手动输入一组被测样品面形，直径，曲率半径的数据，然后根据程序编写的选择镜头方法，得出想要的结果。这种选择镜头的方法笨拙且低效，只能求得一组数据的选择结果。假设现有上千组待测样品，仍需一组一组的人工输入才能得出结果。这样很可能出现疲劳偏差，造成错误。

发明内容

本发明提供了一种优化选择标准球面镜头的方法，能够根据被测样品的类型、口径和曲率半径智能化地选择出符合测量要求且经济实惠的光学系统口径和标准球面镜头，并通过表格导入数据来输出结果，这为光学的检测节约了时间和提供了便利。同时，方法优化了所选择标准球面镜头的数量，大大缩减了成本。

本发明提供了一种优化选择标准球面镜头的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤S1，设计根据被测样品的参数值自动筛选出符合要求的光学镜头的筛选程序，该筛选程序包括以下子步骤：

步骤S1-1，判断被测样品镜头的种类，当测样品镜头为凹面镜时，进入下一步，当测样品镜头为凸面镜时，进入步骤S1-3；

步骤S1-2，判断f>F，当结果为是时，选择3/4英寸的凹面镜头；当结果为否时，无合适镜头；

其中,F指标准球面镜的F数，标准球面的F数为F＝R/D,R指主表面的曲率半径，D指主表面的直径，f为被测样品的F数,被测样品的F数为f＝r/φ，r指被测样品的曲率半径，φ指被测样品的直径；

步骤S1-3，判断r<R,当结果为是时，进入步骤S2；当结果为否时，无合适镜头；

步骤S2，将被测样品的多个参数值数据输入程序；

步骤S3，运行程序后，得到镜头筛选结果。

在本发明提供的优化选择标准球面镜头的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S2中，输入被测样品的多个参数值数据后生成表格文件，并将表格文件导入筛选程序。

另外，在本发明提供的优化选择标准球面镜头的方法中，还可以具有这样的特征：其中，表格文件为Excel文件。

另外，在本发明提供的优化选择标准球面镜头的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S1中，还包括设置预定百分比和被测件的被测百分比H，被测件的被测百分比H的表达式为：

另外，在本发明提供的优化选择标准球面镜头的方法中，还可以具有这样的特征：其中，预定百分比为50％。

另外，在本发明提供的优化选择标准球面镜头的方法中，还可以具有这样的特征：其中，筛选程序中设置有被测件的被测百分比的阈值。

另外，在本发明提供的优化选择标准球面镜头的方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述被测百分比H大于预定百分比。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的优化选择标准球面镜头的方法，不需要人工一组一组的输入被测样品的多个参数值，只需要将客户给出的包括多个被测样品的参数的表格文件导入程序里，就能立刻得到镜头的筛选结果，并且该筛选结果能够优化镜头数量，尽可能使用最少的镜头来测量的更多的样品，减少了测量镜头使用的数量，从而节约了使用测量镜头的成本和测量的人工成本。

附图说明

图1是本发明的实施例中标准球面的参数原理示意图；

图2是本发明的实施例中被测样品为凹面时的参数原理示意图；

图3是本发明的实施例中被测样品为凹面时的测量原理示意图；

图4是本发明的实施例中被测样品口径小于所选镜头口径时的测量原理示意图；

图5是本发明的实施例中被测样品口径与所选镜头口径接近时的测量原理示意图；

图6是本发明的实施例中被测样品口径大于所选镜头口径时的测量原理示意图；

图7是本发明的实施例中筛选程序中选择镜头结果界面的照片；

图8是本发明的实施例中筛选程序中被测百分比为100％输入界面的照片；

图9是本发明的实施例中筛选程序中设置阈值的界面的照片；以及

图10是本发明的实施例中筛选程序软件流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明优化选择标准球面镜头的方法作具体阐述。

实施例

干涉仪的一个典型应用就是检测球面的表面。将被测样品凹球面或凸球面的曲率中心与标准球面镜(Transmission Sphere-TS)的焦点重合放置，就可以检测样品的表面面形及不规则性。然而由于被测样品的类型、口径和曲率半径的多样性和批量大，导致选择标准球面镜的过程变得复杂而且多样。

干涉仪主要应用于检测加工表面的形貌误差，检测精度是衡量干涉仪测量精度的一个重要标准，干涉仪还应用于科研、计量以及广泛的生产领域。比如，光学加工的镜片检测、半导体工业中的晶片检测、大平板显示中的平面检测、数据存储、MEMS/NEMS工业中光滑元检测的准确性和检测速度，大幅度提高了成品率。为了检测被测物体表面形状和不规则性，需要选择合适的标准球面镜，目前国内外标准球面镜的选择大多基于实际经验和人工计算找出最合适的标准球面镜，这往往造成选择光学镜头不唯一、不准确。

斐索激光干涉仪是共光路相移系统，它是通过一个固定在标准镜头上的PZT实现。PZT以1/8波长的步长变化移动，测试面和参考面的距离也随着变化。由于步长足够小时，横向放大率的改变可以忽略不计。直到激光的出现，原先由短相干长度的光源带来的干涉仪需匹配其两光路路径长度的问题才得以真正解决问题。由于激光相干长度较长，斐索激光干涉仪在双臂之间可以有很大的路程差。使用一个如泰曼-格林干涉仪中的分束器，透镜或平板表面可经菲涅尔[2]反射形成参考光束。光程差是被测表面和参考面之间距离的两倍，可达到几米。单模激光很容易满足这个相干长度要求。斐索激光干涉仪的最大优点在于参考光和测试光是共光路。另外，它很容易改变系统以测量不同种类的光学元件。

斐索干涉仪原理为等厚干涉，用以检测光学元件的面形、光学镜头的波面像差以及光学材料均匀性等的一种精密仪器。斐索干涉仪有平面的和球面的两种，前者由分束器、准直物镜和标准平面所组成，后者由分束器、有限共轭距物镜和标准球面所组成。单色光束在标准平面或标准球面上，部分反射为参考光束，部分透射并通过被测件的为检测光束。检测光束自准返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹。用斐索平面干涉仪可以检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性。用斐索球面干涉仪可以检测球面面形和其曲率半径，也可以检测无限、有限共轭距镜头的波面像差。

设计根据被测样品的参数值自动筛选出符合要求的光学镜头的筛选程序。

为了方便工程人员快速高效的选择光学系统口径和标准球面镜头，本实施例基于被测样品的类型、口径和曲率半径设计了一个筛选程序，能够根据给定的被测样品的参数值自动筛选出符合要求的光学镜头，利用Visual Studio2010编写流程如图10所示的MFC程序来快速得到所需镜头的结果,以便能够通过界面化输入来得到想要的结果,如图7所示，筛选程序只需根据被测样品的类型，被测样品的曲率半径和被测样品的有效口径的参数值即可自动得到镜头的选择结果。该方法快捷有效,准确率较高。

输入被测样品的多个所述参数值数据后生成表格文件，并将所述表格文件导入所述筛选程序，运行程序，将大批量标准球面镜的选择结果自动填写在表格里，并通过优化将镜头数量减少。

选择干涉仪标准球面镜的目的就是为了更好的测量样品，当被测样品凹球面或凸球面的曲率中心与标准球面镜的焦点重合放置，我们就可以检测样品的表面面形及不规则性，因此标准球面和被测样品的参数应该满足一定的关系才能正确的测量被测样品。

标准球面是用于将干涉仪的输出平行波前转化为球形波前，并且也用于将激光分离为测量光束和参考光束两个部分，斐索型干涉仪的标准球面可以安装在主机的调整架上也可以安装在位于辅助调整架上。主表面是指每个标准球面的最后一个球面，一般指一个消球差的表面，参考波前的质量就取决于主表面的质量，主表面反射回主机的光束形成参考光束，透过主表面的光束形成测量光束，如图1所示，测量光束在标准球面前焦点汇聚后发散出去。标准球面的主要参数为F数

F＝R/D (1)

其中，F指标准球面镜的F数，R指主表面的曲率半径，D指主表面的直径。

被测样品分为凸面和凹面，但是参数原理是一样的，主要是F数、曲率半径和口径，如图2所示，被测样品的F数可表示为公式(2)。

f＝r/φ (2)

其中，f指被测样品的F数，r指被测样品的曲率半径，φ指被测样品的直径。

如表1所示，标准球面镜头有不同的口径，在大多数应用中有如下6种：3/4英寸,2英寸,4英寸,6英寸,8英寸,11英寸。

表1斐索型干涉仪6寸标准镜头参数表

被测样品类型为凹面时，对选择干涉仪标准球面镜头的口径没有限制要求，只要标准球面的光锥足够“快”，可以覆盖(取样)测量区域，换句话说，标准球面的F数必须等于或小于样品被测面的F数故当被测样品类型为凹面时，标准球面的焦点与被测样品的曲率中心重合，此时如图3所示，综合经济方面考虑，只需F数满足要求即可全部选择3/4英寸的镜头。

当被测样品为凸面时情况比被测样品为凹面时要复杂的多，标准球面的选择主要遵循以下几个原则：

1)被测样品表面的球面半径必须小于主表面的曲率半径。

2)被测样品的口径尽量小于所选镜头的口径，如果被测样品的口径大于所选镜头的口径则显示非全口径。

3)为了节约成本尽量选用镜头的孔径和被测样品的孔径接近，因为选用大孔径的尺寸成本较高。

4)尽量保证被测件的被测百分比大于50％。

由图5所示的几何关系可知，被测件的被测百分比H的计算公式可以推导为如下表达式，

如图4所示，D>φ，虽然被测样品的被测百分比是100％，但是明显所选镜头口径相对来说比较大。从节约成本角度出发并且只要尽量保证被测件的被测百分比是接近100％，或按实际要求最少大于50％，就能够获得较好的测量效果，因此这种只考虑选择大口径镜头而不考虑成本的做法是不合理的。如图5所示,D＝φ，虽然被测样品的被测百分比不是100％，但是只要大于50％即可满足测量要求，且所选镜头与被测样品口径大小相差不大，此时所选镜头比较经济实惠。在图6中，D<φ.当被测样品为凸面且口径比较大时，如口径大于6英寸镜头的最大值即φ＞＞152mm时，则被测样品的被测百分比将会比较小，故需要增加所选镜头的口径，从经济方面考虑，不建议使用更大直径的标准镜头，因为大直径镜头的成本会增加。

实施例中选取了9组被测样品，根据设计的筛选程序，选择被测样品的类型，输入被测样品通径和被测样品曲率半径后，自动选择出符合要求的镜头和显示被测件的被测百分比,结果如图表2所示(全文均以“0”表示被测样品为凹面，“1”表示被测样品为凸面)。

表2被测样品与所选标准球面镜头参数值

如表2所测结果，被测件的被测百分比有时只有60％左右，甚至有时可能只有50％多，这样就会导致被测样品不能测全，只能测到一半左右，对于一些客户来说未能达到其要求，虽然被测件的被测百分比达到50％以上，不是其所期望的。当客户想要被测件的被测百分比达到100％时，镜头尺寸和F数又分别怎样选取。

当被测样品为凸面，被测样品口径为44，被测样品球面半径为102.09，此时计算F数为2.32，按下MFC界面的按钮凸面则在镜头选择结果显示为：选择F数F＝2.8的2英寸被测样品的被测百分比为82.9％。当按下100％按钮时，镜头选择结果显示如图8所示。

筛选程序中还设置有被测件的被测百分比的阈值，当客户想要被测件的被测百分比为不同的值时，标准球面镜头选择结果又是不同的，于是将程序界面添加了一个阈值输入按钮，如图9所示。

然而这样的一个界面化的程序，虽然与以往人们通过人工自行计算或者是依经验所得，已经有所进步，但相对当今计算机智能化高效率的成熟运用其还是比较繁琐，当用户需要输入大量数据进行计算时，这样一组一组数据输入，然后得到结果输出会相当费时，于是通过Excel文件导入导出可以处理大量的数据，并得到计算结果如表3所示。

表3 Excel表格导出被测镜头参数值

这样一来给定一张表格已知被测样品相关数据，只要导入表格到程序里即可输出得到全部标准球面镜选择结果，不需要手动一组一组的输入。其次，根据表4，为了测量这些被测样品我们不需要为每一组数据都挑选一个镜头。

表4镜头参数对比

如表4中的第1、2、3组数据，由于被测样品F数都是1.0，且口径均为3/4英寸，但是第2组被测样品是凸面，第1、3组被测样品是凹面，能测到凸面的镜头必然能测到凹面，所以用一个F数是1.0，口径为3/4英寸的镜头就可以测量这三组数据；第4组数据F数也是1.0，但是口径为2英寸，而2英寸的镜头能测到的数据必然也能测到前3组数据，所以第1、2、3、4组数据只需要一个F数也是1.0，口径为2英寸的镜头；第5组数据F数是0.7，不同于前面4组数据，故5组数据共需2个镜头：1个F数是1.0，口径为2英寸的镜头和1个F数是0.7，口径为3/4英寸的镜头。由此，可以将表3中所选的镜头数量大大减少，通过计算机自动筛选表3镜头总结在如表5所示。

表5相同F数选一个镜头选取结果

此部分是图9点击优化按钮后的结果，也是图10中重新筛选的步骤。

实施例的作用与效果

本实施例利用Microsoft基本类库MFC界面编程，实现了斐索型干涉仪镜头的自动选择类型和尺寸，它与传统的基于实际经验和人工计算找出的所需最适合的标准球面相比大大缩减了计算量，且形象直观，准确性高，同时还可以计算出被测件的被测百分比，也可以根据客户需求选出被测百分比为100％时，即能够完全测量出被测样品时所选镜头的F数和口径大小。接着在此基础上编写程序将待测数据导入excel表格，将所选镜头参数以表格形式列出，一目了然。最后程序优化镜头数量，相同F数用一个镜头就能代替其它镜头，大大缩减了成本。目前的光学测量实验镜头选择繁琐且存在计算不准确的操作，此应用程序消除了人为计算错误，优化了标准球面镜数量的选择(包括所需的最小数目)和干涉仪的尺寸，并提高了效率。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种优化选择标准球面镜头的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，设计根据被测样品的参数值自动筛选出符合要求的光学镜头的筛选程序，该筛选程序包括以下子步骤：

步骤S1-1，判断被测样品镜头的种类，当测样品镜头为凹面镜时，进入下一步，当测样品镜头为凸面镜时，进入步骤S1-3；

步骤S1-2，判断f是否大于F，当结果为是时，选择3/4英寸的凹面镜头；当结果为否时，无合适镜头；

其中,F指标准球面镜的F数，标准球面的F数为F＝R/D,R指主表面的曲率半径，D指主表面的直径，f为被测样品的F数,被测样品的F数为f＝r/φ，r指被测样品的曲率半径，φ指被测样品的直径；

步骤S1-3，判断r是否小于R,当结果为是时，进入步骤S2；当结果为否时，无合适镜头；

步骤S2，将被测样品的多个参数值数据输入程序；

步骤S3，运行程序后，得到镜头筛选结果。

2.根据权利要求1所述的优化选择标准球面镜头的方法，其特征在于：

其中，步骤S2中，输入被测样品的多个所述参数值数据后生成表格文件，并将所述表格文件导入所述筛选程序。

3.根据权利要求2所述的优化选择标准球面镜头的方法，其特征在于：

其中，所述表格文件为Excel文件。

4.根据权利要求1所述的优化选择标准球面镜头的方法，其特征在于：

其中，步骤S1中，还包括设置预定百分比和被测件的被测百分比H，

被测件的所述被测百分比H的表达式为：

<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

5.根据权利要求4所述的优化选择标准球面镜头的方法，其特征在于：

其中，所述预定百分比为50％。

6.根据权利要求1所述的优化选择标准球面镜头的方法，其特征在于：

其中，所述筛选程序中设置有被测件的被测百分比的阈值。

7.根据权利要求5所述的优化选择标准球面镜头的方法，其特征在于：

其中，所述被测百分比H大于预定百分比。