CN109883358A - 双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，属于光学精密测量技术领域。本发明在共焦测量光路系统中应用计算全息透镜片形成柱面测量光路，通过大、小虚拟针孔共焦特性曲线的横向相减处理来锐化共焦响应特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，进而提高柱面曲率半径测量中的定焦精度，实现柱面曲率半径的高精度测量。本发明中横向相减双边错位差动共焦的光强响应曲线过零点附近的斜率大于传统的差动共焦光强响应曲线，显著提高测量系统定焦精度。本发明具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势。

Description

双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，用于柱面元件曲率半径的高精度检测。

背景技术

柱面镜是作为常见的非球面透镜，具有一维放大特性，其应用在光学系统中可以有效地减小球差和色差、简化光学系统结构、提高光学性能，因此高精度柱面镜得到了广泛的应用。而曲率半径是柱面镜的基本参数之一，其直接决定了柱面镜在光学系统中的光学性能。随着光刻机、高能激光器的发展，对柱面镜的曲率半径测量提出了更为严格的要求。所以高精度柱面曲率半径测量具有重要的意义。

目前，柱面曲率半径测量技术可以分为接触式测量和非接触式测量两种。

接触式测量方法主要包括柱面样板法、球径仪法。柱面样板法受到样板数量限制，且样板需要定期送检，养护困难。而球径仪只适用于小曲率半径的测量，在测量大曲率半径时测量精度下降明显。柱面样板法、球径仪法等传统的接触式测量方法不仅要求被测表面抛光处理，而且可能会划伤被测光学表面。

非接触式方法主要包括刀口法、干涉法等。刀口法基于几何光学原理，其测量精度受到在焦面上衍射极限的限制，弥散的光斑限制了其定位精度，此类测量方法的测量精度在0.1％～0.5％左右。

基于干涉原理的柱面曲率半径测量方法通过干涉定焦，测量精度较高，但是干涉光路复杂，并且干涉条纹容易受到气流、振动等环境因素的影响，限制了其发展及应用。

本发明利用计算全息片应用到差动共焦测量系统中，从而将差动共焦测量技术扩展到柱面曲率半径测量领域，并且利用双边错位差动相减处理提高曲线过零点斜率；相比于现有的柱面曲率半径测量方法，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点。

发明内容

为了解决柱面曲率半径测量中高精度定焦难题，本发明公开了双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，该方法的核心思想是：在共焦测量光路系统中，通过大、小虚拟针孔共焦特性曲线的横向相减处理来锐化共焦响应特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，进而提高柱面曲率半径测量中“猫眼”和“共焦”位置的定焦精度，以期实现柱面曲率半径的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾里斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，然后将锐化共焦特性曲线进行双边错位差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，最后再利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与焦点精确对应这一特性对被测柱面“猫眼”和“共焦”位置进行高精度定焦寻位，以期提升柱面曲率半径测量中的定焦精度，进而提高柱面曲率半径测量的精度。

本发明公开的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，包括以下步骤：

a)打开点光源，调整被测柱面镜使其与计算全息镜片和准直透镜共光轴，点光源发出的光经分束镜、准直透镜和计算全息镜片后形成柱面测量光束照射在被测柱面镜上；点光源发出的光经分束镜、准直透镜后形成平行光束，该平行光束经计算全息镜片后形成柱面测量光束照射到被测柱面镜上；被测柱面镜表面反射的柱面测量光束再经计算全息镜片和准直透镜后被分束镜反射进入到横向相减共焦探测系统，形成的测量艾里斑被CCD探测器探测；

b)沿光轴方向移动被测柱面镜使柱面测量光束的焦线与被测柱面镜的焦线位置重合；在该“共焦”位置附近扫描被测柱面镜，将横向相减共焦探测系统中大虚拟针孔探测域探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线I_B(z)和小虚拟针孔探测域探测的小虚拟针孔探测共焦特性曲线I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

c)将锐化共焦特性曲线沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线，并使锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线I_D(z)＝I(z)-I(z,-u_S)，利用差动共焦线性拟合直线对错位相减差动共焦特性曲线的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线S/2位置的回移差动共焦拟合直线的移位拟合直线零点精确确定柱面测量光束焦线与被测柱面镜的焦线重合，进而确定被测柱面镜的“共焦”位置Z₁；

d)继续沿计算全息镜片的光轴方向相向移动被测柱面镜，使柱面测量光束的焦线与被测柱面镜的表面母线重合；在该“猫眼”位置附近扫描被测柱面镜，由横向相减共焦探测系统通过处理测得的测量艾里斑得到锐化共焦特性曲线后再进行双边错位相减处理得到与计算全息镜片焦线对应的错位相减差动共焦特性曲线，主控计算机按着步骤d)通过对错位相减差动共焦特性曲线进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点来精确确定被测柱面镜的表面母线位置(即“猫眼”位置)，记录此时被测柱面镜的“猫眼”位置Z₂；

f)根据步骤d)、e)计算得到被测柱面镜曲率半径r＝Z₁-Z₂。

本发明双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，通过横向相减共焦探测系统得到锐化共焦特性曲线的过程如下：

步骤一、在被测柱面镜扫描过程中，通过CCD探测器探测测量艾里斑，以测量艾里斑的重心为中心，在CCD探测器每帧探测图像上选定预设大小的大虚拟针孔探测域，将大虚拟针孔探测域中每个像素上的强度进行积分，得出大虚拟针孔探测共焦特性曲线；

步骤二、同时以CCD探测器探测的测量艾里斑重心为中心，选择另一个小虚拟针孔探测域，所述小虚拟针孔探测域的尺寸小于所述大虚拟针孔探测域，积分小虚拟针孔探测域的强度得到小虚拟针孔探测共焦特性曲线，小虚拟针孔探测共焦特性曲线的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔探测共焦特性曲线；

步骤三、将大虚拟针孔探测共焦特性曲线乘以调节因子γ，使得大虚拟针孔探测共焦特性曲线光强是小虚拟针孔探测共焦特性曲线的1/2倍；

步骤四、将小虚拟针孔探测共焦特性曲线减去乘以调节因子γ后的大虚拟针孔探测共焦特性曲线，得到锐化共焦特性曲线。

有益效果：

1)本发明公开的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，在共焦测量系统中利用大、小虚拟针孔探测横向相减锐化共焦特性曲线，利用锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，进而显著提高差动共焦定焦曲线的定焦灵敏度和信噪比，使柱面曲率半径测量系统具有更高的测量精度。

2)相比于差动共焦测量系统，本发明公开的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，在未增加硬件成本的情况下提高测量精度。

3)本发明公开的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，通过大小虚拟光斑探测区横向相减处理探测，有效消除共模噪声，提升测量系统的抗环境干扰能力。

4)相比于经典的高精度干涉柱面曲率半径测量方法，本发明公开的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，由于采用非干涉的艾里斑中心强度“点探测”方式，能够克服现有干涉定焦法对系统像差、环境振动、气流干扰和样品表面粗糙度极度灵敏的不足，大幅提高抗系统像差、环境干扰和表面散射的能力，能够显著提高柱面曲率半径测量精度。

附图说明

图1为本发明双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法示意图；

图2为本发明大小虚拟针孔共焦特性曲线横向相减锐化示意图；

图3为本发明锐化共焦特性曲线双边错位差动相减示意图；

图4为本发明双边错位差动共焦曲线线性拟合触发定焦示意图；

图5为本发明实施例双边错位差动共焦柱面曲率半径测量示意图。

其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-计算全息镜片、5-柱面测量光束、6-被测柱面镜、7-横向相减共焦探测系统、8-显微物镜、9-CCD探测器、10-测量艾里斑、11-大虚拟针孔探测域、12-小虚拟针孔探测域、13-大虚拟针孔共焦特性曲线、14-小虚拟针孔共焦特性曲线、15-锐化共焦特性曲线、16-平移锐化共焦特性曲线、17-错位相减差动共焦特性曲线、18-差动共焦线性拟合直线、19-拟合直线零点、20-回移差动共焦拟合直线、21-移位拟合直线零点、22-错位相减差动共焦特性曲线、23-图像采集系统、24-主控计算机、25-多路电机驱动系统、26-轴向测量运动系统、27-五维调整系统、28-激光器、29-显微物镜、30-针孔。

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。

本发明使用双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法来实现透镜柱面曲率半径的高精度测量，核心思想：在差动共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化共焦特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理探测来实现柱面曲率半径测量中“猫眼”和“共焦”位置的定焦精度，进而达到提高柱面曲率半径测量精度的目的。

实施例1：

如附图5所示，双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法的测量步骤是：

a)启动主控计算机24的测量软件，打开激光器28，激光器28发出的光经过显微物镜29和针孔30后形成点光源1；

b)调整被测柱面镜6使其与计算全息镜片4和准直透镜3共光轴，点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜3和计算全息镜片4后生成柱面测量光束5照射到被测柱面镜6上，由被测柱面镜6表面反射的柱面测量光束5再经计算全息镜片4和准直透镜3后被分束镜2反射进入到横向相减共焦探测系统7，主控计算机24中的测量软件，通过图像采集系统23获得由CCD探测器9采集到的测量艾里斑10；

c)沿光轴方向移动被测柱面镜6，使柱面测量光束5的焦线与被测柱面镜6的焦线位置重合；如图2所示，在该“共焦”位置附近扫描被测柱面镜6，将横向相减共焦探测系统7中大虚拟针孔探测域11探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线13I_B(z)和小虚拟针孔探测域12探测的小虚拟针孔探测共焦特性曲线14I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线15I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

大虚拟针孔探测共焦特性曲线和小虚拟针孔探测共焦特性曲线获取方法为：在CCD探测器9探测焦前测量艾里斑10的每帧图像上选取一个预设大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到大虚拟针孔探测共焦特性曲线13I_B(z)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条小虚拟针孔探测共焦特性曲线14I_S(z)，然后将I_B(z)和I_S(z)进行相减处理得到锐化共焦特性曲线15I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化；

本实施例中同心圆域大圆域直径选取11个像素，小圆域直径选取5个像素，取γ＝0.5。

d)如图3所示，主控计算机24的测量软件将相减处理得到的锐化共焦特性曲线15沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线16，并使锐化共焦特性曲线15和平移锐化共焦特性曲线16的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线15和平移锐化共焦特性曲线16分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线17I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)；

e)如图4所示，主控计算机24的测量软件对错位相减差动共焦特性曲线17的线性段数据进行直线拟合得到差动共焦线性拟合直线18，再利用反向回移差动共焦线性拟合直线18S/2位移的回移差动共焦拟合直线20的移位拟合直线零点21来确定柱面测量光束5聚焦在被测柱面镜6的焦线位置，进而精确确定被测柱面镜6的“共焦”位置，记录此时被测柱面镜6的“共焦”位置Z₁＝0.0238mm；

f)主控计算机24通过多路电机驱动系统25和轴向测量运动系统26控制五维调整系统27继续沿计算全息镜片4的光轴方向相向移动被测柱面镜6，当柱面测量光束5的焦线与被测柱面镜6的表面中心母线重合时，即被测柱面镜6的“猫眼”位置；主控计算机24控制被测柱面镜6在该位置“猫眼”附近扫描，同样由横向相减共焦探测系统7通过处理测得的测量艾里斑10得到锐化共焦特性曲线15后再进行双边错位相减处理得到与被测柱面镜6表面中心母线对应的错位相减差动共焦特性曲线22；按上述步骤e)，主控计算机24通过对错位相减差动共焦特性曲线22进行线性拟合、拟合直线回移及回移拟合直线零点确定来精确确定被测柱面镜6的表面中心母线“猫眼”位置，记录此时被测柱面镜6的“猫眼”位置Z₂＝-25.8344mm。

g)根据步骤e)、f)得到被测柱面镜6“共焦”和“猫眼”两位置之间的距离Z₂-Z₁＝-25.8582mm，则被测柱面镜6的曲率半径r＝-25.8582mm。

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 (2)

1.双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

a)打开点光源(1)，调整被测柱面镜(6)使其计算全息镜片(4)和准直透镜(3)共光轴；

b)点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)后形成平行光束，该平行光束经计算全息镜片(4)后形成柱面测量光束(5)照射到被测柱面镜(6)上；被测柱面镜(6)表面反射的柱面测量光束(5)再经计算全息镜片(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减共焦探测系统(7)，形成的测量艾里斑(10)被CCD探测器(9)探测；

c)沿光轴方向移动被测柱面镜(6)使柱面测量光束(5)的焦线与被测柱面镜(6)的焦线位置重合，形成“共焦”位置；在所述“共焦”位置附近扫描被测柱面镜(6)，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)I_B(z)，和小虚拟针孔探测域(12)探测的小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(15)I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

d)将锐化共焦特性曲线(15)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(16)，并使锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)，利用差动共焦线性拟合直线(18)对错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线(18)S/2位置的回移差动共焦拟合直线(20)的移位拟合直线零点(21)精确确定柱面测量光束(5)焦线与被测柱面镜(6)的焦线重合，进而确定被测柱面镜(6)的“共焦”位置Z₁；

e)继续沿计算全息镜片(4)的光轴方向相向移动被测柱面镜(6)，使柱面测量光束(5)的焦线与被测柱面镜(6)的表面中心母线重合，形成“猫眼”位置；在所述“猫眼”位置附近扫描被测柱面镜(6)，由横向相减共焦探测系统(7)通过处理测得的测量艾里斑(10)得到锐化共焦特性曲线(15)，然后再进行双边错位相减处理得到与计算全息镜片(4)焦线对应的错位相减差动共焦特性曲线(22)，重复上述步骤d)，主控计算机(24)通过对错位相减差动共焦特性曲线(22)进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点精确确定被测柱面镜(6)的中心母线位置(即“猫眼”位置)，记录此时被测柱面镜(6)的“猫眼”位置Z₂；

f)根据步骤d)、e)，计算得到被测柱面镜(6)曲率半径r＝Z₁-Z₂。

2.根据权利要求1所述的双边错位差动共焦柱面曲率半径测量方法，其特征在于：通过横向相减共焦探测系统(7)得到锐化共焦特性曲线(15)的方法如下，

步骤一、在被测柱面镜(6)扫描过程中，通过CCD探测器(9)探测测量艾里斑(10)，以测量艾里斑(10)的重心为中心，在CCD探测器(9)每帧探测图像上选定预设大小的大虚拟针孔探测域(11)，将大虚拟针孔探测域(11)中每个像素上的强度进行积分，得出大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)；

步骤二、同时以CCD探测器(9)探测的测量艾里斑(10)重心为中心，选择另一个小虚拟针孔探测域(12)，所述小虚拟针孔探测域(12)的尺寸小于所述大虚拟针孔探测域(11)，积分小虚拟针孔探测域(12)的强度得到小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)，小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)；

步骤三、将大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)乘以调节因子γ，使得大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)光强是小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)的1/2倍；

步骤四、将小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)减去乘以调节因子γ后的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)，得到锐化共焦特性曲线(15)。