CN109186477A - 后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置，属于光学精密测量技术领域。本方法利用差动共焦响应曲线的绝对零点分别对被测透镜的前、后表面顶点进行精确定焦，通过光线追迹及其补偿模型计算出被测透镜的中心厚度。本发明首次将后置分光瞳激光差动共焦技术用于透镜中心厚度的高精度检测，仅用一路探测器即可实现差动共焦定焦及透镜中心厚度测量，避免了更换被测镜可能导致的定焦精度下降，进而提高了测量精度；将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型以消除各定焦表面参数之间的影响；并通过线性拟合绝对零点附近的数据实现快速触发定焦，使测量速度、精度及抗散射能力大大提升。

Description

后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置

技术领域

本发明涉及后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置，可用于透镜中心厚度的非接触式高精度测量，属于光学精密测量技术领域。

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。

非接触式测量常用图像测量法、共面电容法、白光共焦法和干涉法。

2005年《传感器技术》上发表的《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》上发表的《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》上发表的《Noncontactmeasuremeofcentral 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。

本发明人曾于2010年申请中国专利“差动共焦透镜中心测量方法与装置”(专利号：201010000555.8)，通过差动共焦原理精确定焦透镜的前后表面顶点位置，实现了透镜中心厚度的非接触高精度测量。但是必须使用两路探测器，并且这两路探测器的位置需保证离焦量相等，系统结构、装调过程比较复杂，装调不准所引入的误差可能较大；更换被测镜后，两探测器的离焦量可能需要重新调整。

本发明提出了一种后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置，使用后置光瞳遮挡一半的测量光束，收集另一半测量光束并利用分光瞳差动共焦探测系统获得差动共焦响应曲线，通过线性拟合差动共焦响应曲线零点附近的数据来实现快速精确定焦，并根据光线追迹及其补偿模型计算透镜中心厚度，完成透镜厚度的高精度测量。本发明仅用一路探测器实现了激光差动共焦定焦及测量，既避免了离焦量调整不准确所引入的测量误差，又避免了测量不同被测镜可能导致的定焦灵敏度下降，同时系统结构和装调大大简化。

发明内容

本发明的目的是为了解决球面透镜中心厚度高精度测试不理想的问题，提供后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置，该方法通过后置光瞳收集测量光束，并使用分光瞳差动共焦探测系统进行探测，进而实现精确定焦和透镜厚度的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的后置分光瞳差动共焦透镜中心厚度测量方法，包括以下步骤：

步骤一、光源发出的光经分束镜、准直透镜和会聚透镜后形成测量光束照射在被测透镜上；

步骤二、调整被测透镜，使被测透镜与测量光束共光轴，由被测透镜反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后被分束镜反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统；

步骤三、沿光轴方向移动被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的前表面顶点位置重合；在该位置扫描被测透镜，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜的前表面顶点的位置，并将此时前表面顶点位置记为Z₁；

步骤四、继续沿光轴方向移动被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置扫描被测透镜，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜的后表面顶点位置，并将此时后表面顶点位置记为Z₂；

步骤五、根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜中心厚度d的计算公式如下：

代入已知参数：测量光束的数值孔径角α₀、被测透镜的前表面曲率半径r₁、空气折射率n₀、被测透镜折射率n和两次定焦位置之间的距离l＝|Z₂-Z₁|，则可计算被测透镜的中心厚度d。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出透镜中心厚度的计算公式。如图2和公式(2)所示，r_N为第N个表面S_N的曲率半径，n_N为第N个表面S_N与第N+1个表面S_N+1之间的材料折射率，d_N-1为第N-1个表面S_N-1与第N个表面S_N之间的轴向间隙，l_N′为S_N顶点到S_N出射线与光轴交点的距离，u_N′为S_N出射光线与光轴的夹角。

根据以上公式可推导得出透镜中心厚度计算的公式(1)，进一步实现透镜中心厚度精确测量。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，所述后置光瞳为D形后置光瞳或圆形后置光瞳，实现后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波相差对测量光束的影响，减少测量误差。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，采用差动共焦响应曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升定焦精度、定焦速度和抗散射能力。

本发明还提供了一种后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，包括点光源，其特征在于：包括依次放置在点光源出射光束方向的分束镜、环形光瞳、准直透镜、会聚透镜，位于分束镜反射方向的后置光瞳、分光瞳差动共焦探测系统，以及主控计算机、电机驱动系统、平移台和五维调整架；点光源发出的测量光束依次经过分束镜、环形光瞳、准直透镜和会聚透镜后照射在被测透镜；由被测透镜反射回来的光通过会聚透镜、准直透镜和环形光瞳后经后置光瞳进入分光瞳差动共焦探测系统；主控计算机控制电机驱动系统进而控制五维调整架的移动，分光瞳激光差动共焦探测系统将探测结果传输给主控计算机。

本发明的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，所述后置光瞳为D形后置光瞳或圆形后置光瞳。

本发明的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统由第一针孔、第二针孔和二象限探测器组成；其中第一针孔和第二针孔关于光轴对称；二象限探测器上的第一探测象限和第二探测象限关于光轴对称；

本发明的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统由显微物镜和CCD组成；在CCD的探测器靶面上设置第一虚拟针孔和第二虚拟针孔，第一虚拟针孔和第二虚拟针孔关于光轴对称。

有益效果

1、首次提出利用后置分光瞳差动共焦技术对被测透镜前后表面顶点位置进行精确定焦并测量透镜中心厚度，定焦精度更高，系统更加简化；

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；

3、本方法采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了测量精度、速度和抗散射能力；

4、本方法将差动共焦显微术与光线追迹术有机融合，抑制了层析定焦中前表面参数、元件折射率等对测量结果的影响，实现了透镜中心厚度的高精度计算。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1、相比于激光共焦透镜中心厚度测量方法，本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)，本方法测量精度更高，抗环境干扰能力更强，系统更加简化；

3、相比于传统的差动共焦透镜中心厚度测量方法，本方法建立了光线追迹及其补偿模型，抑制了被测透镜前表面参数等对测量结果的影响；

4、相比于传统的差动共焦透镜中心厚度测量方法，本方法采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了光学定焦精度、定焦速度和抗散射能力。

附图说明

图1为本发明后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法示意图；

图2为本发明建立的光线追迹及其补偿模型示意图；

图3为本发明线性拟合触发定焦示意图；

图4为本发明的实施例1的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置示意图；

图5为本发明的实施例2的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置示意图。

其中：1-点光源、2-分束镜、3-环形光瞳、4-准直透镜、5-会聚透镜、6-被测透镜、7-D形后置光瞳、8-第一针孔、9-第二针孔、10-二象限探测器、11-分光瞳差动共焦探测系统、12-艾里斑、13-第一探测象限、14-第二探测象限、15-第一共焦响应曲线、16-第二共焦响应曲线、17-差动共焦响应曲线、18-差动共焦响应曲线线性段、19-绝对零点位置、20-显微物镜、21-CCD、22-激光器、23-光纤、24-主控计算机、25-电机驱动系统、26-平移台、27-五维调整架、28-第一虚拟针孔、29-第二虚拟针孔、30-圆形后置光瞳。

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。

本发明利用后置分光瞳激光差动共焦响应曲线的过零点分别精确定位被测透镜的前表面顶点位置和后表面顶点位置进行精确定焦，进而得出被测透镜中心厚度。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。

实施例1

如图4所示，后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，包括激光器22、光纤23和点光源1，依次放在点光源1出射光方向的分束镜2、准直透镜4和会聚透镜5，还包括放置在分束镜2反射方向的D形后置光瞳7以及由显微物镜20和CCD21构成的分光瞳差动共焦探测系统11；主控计算机24与电机驱动系统25相连接，使其驱动被测透镜6在直线导轨26上沿着光轴方向进行扫描。

当使用该装置测量透镜焦距时，使用该系统中的分光瞳差动共焦探测系统11来对被测透镜6的前表面顶点位置及后表面顶点位置进行高精度定位，进而测得其中心厚度。

通常分光瞳差动共焦探测系统11有两种形式，一种为运用针孔探测的分光瞳差动共焦探测系统，另一种为运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统。由于运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统较运用针孔探测的分光瞳差动共焦探测系统具有装调方便、易于调整被测透镜的优点，所以此处采用了运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统。此时，进入分光瞳差动共焦探测系统11的光在显微物镜20的物面上会聚为艾里斑，被显微物镜20成像到CCD21的靶面上。在CCD21上设置两个关于光轴对称的探测区域，即第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29。由第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29分别记录的光强信号被传入主控计算机24，分别得到第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16，将第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16差动相减，即可得出如图3所示的差动共焦响应曲线17，并利用其绝对零点来精确定焦，进一步测得透镜中心厚度。

装置测量步骤如下：

(1)启动主控计算机24中的测量软件，输入相关参数，其主要包括被测透镜6前表面曲率半径r₁＝90.7908mm、空气折射率n₀＝1和被测透镜6折射率n＝1.5143；

(2)打开激光器22，激光器22发出的光线经光纤23传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜4和会聚透镜5后形成测量光束；

(3)将被测透镜6固定在五维调整架27上，测量光束照射在被测透镜6的前表面上，由被测透镜6前表面反射回来的光通过会聚透镜5和准直透镜4后，由分束镜2反射，通过D形后置光瞳7后进入分光瞳差动共焦探测系统；

(3)通过直线导轨26将被测透镜6沿光轴移动至测量光束焦点与被测透镜6前表面顶点位置相接近，观察CCD21中由被测透镜6前表面反射回来的光斑，调整五维调整架27使光斑中点位于CCD21的中心位置；

(4)主控计算机24的测量软件通过电机驱动系统25控制直线导轨26轴向平移，进而带动被测透镜6沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测透镜6的前表面顶点位置时，测量软件通过分光瞳差动共焦探测系统11探测得到差动共焦响应曲线17，对差动共焦响应曲线线性段18进行直线拟合，通过拟合直线的绝对零点位置19来确定测量光束焦点与被测透镜6的前表面顶点位置相重合，记录此时被测透镜6的位置Z₁＝0.0018mm；

(5)继续移动被测透镜6沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测透镜6的后表面顶点位置时，测量软件通过分光瞳差动共焦探测系统11探测得到差动共焦响应曲线17，对差动共焦响应曲线线性段18进行直线拟合，通过拟合直线的绝对零点位置19来确定测量光束焦点与被测透镜6的后表面顶点位置相重合，记录此时被测透镜6的位置Z₂＝-2.6745mm；

(6)主控计算机24根据所有已知参数和以下公式：

计算出被测透镜6的中心厚度d＝4.0068mm。

实施例2

本实施例中的测量步骤与实施例一相同，如图5所示为本实施例后置分光瞳激光差动共焦透镜中心测量装置图，图4中的D形后置光瞳7替换为此处的圆形后置光瞳30。

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 (9)

1.后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后形成测量光束照射在被测透镜(6)上；

步骤二、调整被测透镜(6)，使被测透镜(6)与测量光束共光轴，由被测透镜(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(11)；

步骤三、沿光轴方向移动被测透镜(2)，使测量光束的焦点与被测透镜(2)的前表面顶点位置重合；在该位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的前表面顶点的位置，并将此时前表面顶点位置记为Z₁；

步骤四、继续沿光轴方向移动被测透镜(6)，使测量光束的焦点与被测透镜(6)的后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的后表面顶点位置，并将此时后表面顶点位置记为Z₂；

步骤五、根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜中心厚度d的计算公式如下：

代入已知参数：测量光束的数值孔径角α₀、被测透镜的前表面曲率半径r₁、空气折射率n₀、被测透镜折射率n和两次定焦位置之间的距离l＝|Z₂-Z₁|，则可计算被测透镜的中心厚度d。

2.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，进而消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出透镜中心厚度的计算公式。如图2和公式(2)所示，r_N为第N个表面S_N的曲率半径，n_N为第N个表面S_N与第N+1个表面S_N+1之间的材料折射率，d_N-1为第N-1个表面S_N-1与第N个表面S_N之间的轴向间隙，l_N′为S_N顶点到S_N出射线与光轴交点的距离，u_N′为S_N出射光线与光轴的夹角。

根据以上公式可推导得出透镜中心厚度计算的公式(1)，进一步实现透镜中心厚度精确测量。

3.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：所述后置光瞳为D形后置光瞳(7)或圆形后置光瞳(30)，实现后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量。

4.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：采用环形光瞳(3)对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波像差对测量光束的影响，减少测量误差。

5.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：采用差动共焦响应曲线(17)零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升定焦精度、定焦速度和抗散射能力。

6.后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，包括点光源(1)，其特征在于：包括依次放置在点光源(1)光束出射方向的分束镜(2)、环形光瞳(3)、准直透镜(4)、会聚透镜(5)，位于分束镜(2)反射方向的后置光瞳、分光瞳差动共焦探测系统(11)，以及主控计算机(24)、电机驱动系统(25)、直线导轨(26)和五维调整架(27)；点光源(2)发出的测量光束依次经过分束镜(2)、环形光瞳(3)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后照射在被测透镜(6)；由被测透镜(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)、准直透镜(4)和环形光瞳(3)后经后置光瞳进入分光瞳差动共焦探测系统(11)；主控计算机(24)控制电机驱动系统(25)进而控制五维调整架(27)的移动，分光瞳激光差动共焦探测系统(11)将探测结果传输给主控计算机(24)。

7.根据权利要求6所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，其特征在于：所述后置分光瞳(7)为D形分光瞳或圆形分光瞳。

8.根据权利要求6所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，其特征在于：所述分光瞳差动共焦探测系统(11)由第一针孔(8)、第二针孔(9)和二象限探测器(10)组成；其中第一针孔(8)和第二针孔(9)关于光轴对称；二象限探测器(10)上的第一探测象限(13)和第二探测象限(14)关于光轴对称。

9.根据权利要求6所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜中心厚度测量装置，其特征在于：所述分光瞳差动共焦探测系统(11)还由显微物镜(20)和CCD(21)组成；在CCD(21)的探测器靶面上设置第一虚拟针孔(28)和第二虚拟针孔(29)，第一虚拟针孔(28)和第二虚拟针孔(29)关于光轴对称。