CN109945803B - 横向相减激光差动共焦柱面曲率半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种横向相减差动共焦柱面曲率半径测量方法。该方法首先利用计算全息镜片将差动共焦测量系统出射的平行光束转化为柱面测量光束，其次将差动共焦探测器中焦前焦后两路探测器探测到的光斑分别采用不同大小虚拟针孔进行横向相减得到锐化后的横向相减共焦响应曲线，然后将两路横向相减共焦响应曲线差动相减后得到横向相减差动共焦响应曲线，并根据横向相减差动共焦响应曲线的过零点精确确定被测柱面的“共焦”位置和“猫眼”位置，进而实现被测柱面曲率径的精确测量。本方法由于具有测量精度高、抗表面散射能力和环境干扰能力强，在光学柱面曲率半径精密测量方面具有广泛的应用前景。

Description

横向相减激光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，涉及到一种横向相减激光差动共焦柱面曲率半径测量方法，可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，并且利用横向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

本发明横向相减差动共焦柱面曲率半径测量方法的目的是为了解决柱面曲率半径高精度测量难题而提出，该方法的核心思想：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离焦探测光路系统的共焦特性曲线，通过双光路探测焦前和焦后锐化共焦特性曲线的差动相减处理来实现被测柱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。

横向相减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，其发出的光经第一分束镜、准直透镜、计算全息镜片后形成柱面测量光束照射在被测柱面镜上，由被测柱面镜的表面反射，反射光经计算全息镜片和准直透镜后被第一分束镜反射后进入到横向相减差动共焦探测系统；所述横向相减差动共焦探测系统由第二分束镜、焦前显微物镜、焦前CCD探测器、焦后显微物镜和焦后CCD探测器组成；

b)调整被测柱面镜使其与准直透镜和计算全息镜片共光轴，计算全息镜片将准直透镜出射的平行光束汇聚成柱面测量光束照射在被测柱面镜上，由被测柱面镜反射回来的光通过计算全息镜片和准直透镜被第一分束镜反射，反射的光束聚焦为测量光斑，并被横向相减差动共焦探测系统探测；

c)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球心重合，即被测柱面镜处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描被测柱面镜，将横向相减差动共焦探测系统中焦前大虚拟针孔探测域和焦前小虚拟针孔探测域分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线I_S1(z,-u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线I₁(z,-u_M)＝I_S1(z,-u_M)-γI_B1(z,-u_M)，将横向相减差动共焦探测系统中焦后大虚拟针孔探测域和焦后小虚拟针孔探测域分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线I_S2(z,+u_M)进行相减处理得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线I₂(z,+u_M)＝I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，u_M为焦前CCD探测器偏离焦前显微物镜焦平面距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器偏离焦后显微物镜焦平面距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线I₂(z,+u_M)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线I₁(z,-u_M)进行差动相减即可得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线I_D(z)：

I_D(z)＝I₂(z,+u_M)-I₁(z,-u_M)(1)

通过离散横向相减差动共焦特性曲线I_D(z)的拟合直线零点来确定被测柱面镜的“共焦”位置，进而精确被测柱面镜的位置Z₁；

d)继续沿测量光轴向计算全息镜片的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顶点母线位置重合即“猫眼”位置，此时柱面测量光束被被测柱面镜原路反射进入横向相减差动共焦探测系统被探测。在该位置附近扫描被测柱面镜，由横向相减差动共焦探测系统测得离散横向相减差动共焦特性曲线，主控计算机通过差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点来精确确定被测柱面镜的顶点母线位置Z₂，记录此时被测柱面镜的“猫眼”位置Z₂；

e)计算被测柱面镜的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

本发明横向相减差动共焦柱面曲率半径测量方法，通过横向相减差动共焦探测系统得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线和焦后横向相减锐化共焦特性曲线的过程如下：

f)在被测柱面镜扫描过程中，通过焦前CCD探测器探测焦前测量艾里斑，以焦前测量艾里斑的重心为中心，在焦前CCD探测器每帧探测图像上选定特定大小的焦前大虚拟针孔探测域，将焦前大虚拟针孔探测域中每个像素上的强度进行积分，得出焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线；

g)同时以焦前CCD探测器探测的焦前测量艾里斑的重心为中心，选择另一个更小区域的焦前小虚拟针孔探测域，积分焦前小虚拟针孔探测域的强度得到另一条焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线，焦前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焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线的半高宽和峰值强度；

h)将焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线乘以系数γ，使得焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线光强是焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线的1/2倍；

i)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线减去乘系数γ后的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线，得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线。

j)对焦后CCD探测器探测到的焦后测量艾里斑进行上述步骤f)～i)处理同样得到焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线，焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线横向相减锐化处理后同样得到焦后横向相减锐化共焦特性曲线。

有益效果

1)提出利用大、小虚拟针孔探测横向相减锐化共焦特性曲线，利用焦前、焦后离焦探测对锐化焦前共焦特性曲线和焦后共焦特性曲线进行差动处理，进而显著提高了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装置，在未增加硬件成本的情况下提高了测量精度。

3)该测量方法通过大小虚拟光斑探测区横向相减和焦前焦后两路信号的差动探测，有效消除共模噪声，因而具有强抗环境干扰能力。

4)相比于经典的高精度干涉曲率测量方法，本方法由于采用非干涉的艾里斑中心强度“点探测”方式，克服了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，大幅提高了抗系统像差、环境干扰和表面散射的能力，显著提高了柱面曲率半径的测量精度。

附图说明

图1为本发明横向相减差动共焦柱面曲率半径测量方法的示意图；

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为本发明横向相减差动共焦定焦曲线示意图；

图4为本发明的差动共焦定焦曲线线性拟合触发定焦示意图；

图5为本发明横向相减差动共焦柱面曲率半径测量实施例的示意图。

其中：1-点光源、2-第一分束镜、3-准直透镜、4-计算全息镜片、5-被测柱面镜、6-横向相减差动共焦探测系统、7-第二分束镜、8-焦前显微物镜、9-焦前CCD探测器、10-焦后显微物镜、11-焦后CCD探测器、12-焦前测量艾里斑、13-焦前大虚拟针孔探测域、14-焦前小虚拟针孔探测域、15-焦后测量艾里斑、16-焦后大虚拟针孔探测域、17-焦后小虚拟针孔探测域、18-焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线、19-焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线、20-焦前横向相减锐化共焦特性曲线、21-焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线、22-焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线、23-焦后横向相减锐化共焦特性曲线、24-横向相减差动共焦特性曲线、25-差动共焦线性拟合直线、26-拟合直线零点、27-图像采集系统、28-主控计算机、29-多路电机驱动系统、30-轴向测量运动系统、31-五维调整系统、32-激光器、33-显微物镜、34-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。

本发明使用横向相减差动共焦柱面曲率半径测量方法来实现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，通过锐化共焦特性曲线的差动相减探测实现柱面曲率半径测量中“共焦”位置和“猫眼”位置的高精度定焦，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，横向相减差动共焦柱面曲率半径测量方法的测量步骤是：

1)启动主控计算机28的测量软件，打开激光器32，激光器32发出的光经过显微物镜33和针孔34后形成点光源1；

2)调整被测柱面镜5使其与准直透镜3和计算全息镜片4共光轴，点光源1发出的光经第一分束镜2、准直透镜3和计算全息镜片4后形成柱面测量光束照射在被测柱面镜5上，由被测柱面镜5反射回来的光通过计算全息镜片4和准直透镜3被第一分束镜2反射，进入横向相减差动共焦探测系统6被探测；

3)主控计算机28中的测量软件，通过图像采集系统27获得由焦前CCD探测器9和焦后CCD探测器11采集到的焦前测量艾里斑12和焦后测量艾里斑15；

4)如图2所示，沿光轴方向移动被测柱面镜5，使柱面测量光束的焦线与被测柱面镜5的焦线重合，即被测柱面镜5处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描被测柱面镜5，将横向相减差动共焦探测系统6中焦前大虚拟针孔探测域13探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线18I_B1(z,-u_M)和焦前小虚拟针孔探测域14探测的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19I_S1(z,-u_M)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线20I₁(z,-u_M)＝I_S1(z,-u_M)-γI_B1(z,-u_M)；将横向相减差动共焦探测系统6中焦后大虚拟针孔探测域16探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线21I_B2(z,+u_M)和焦后小虚拟针孔探测域17探测的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线22I_S2(z,+u_M)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线23I₂(z,+u_M)＝I_S2(z,+u_M)-γI_B2(z,+u_M)；

大/小虚拟针孔探测域探测共焦特性曲线的过程是：在CCD探测器探测焦前测量艾里斑12和焦后测量艾里斑15的每帧图像上选取一个同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线I_B(z,u_M)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线I_S(z,u_M)，然后将I_B(z,u_M)和I_S(z,u_M)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z,u_M)＝I_S(z,u_M)-γI_B(z,u_M)，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，u_M＝2.98。

5)如图3所示，主控计算机28的测量软件将相减处理得到的焦前横向相减锐化共焦特性曲线20和焦后横向相减锐化共焦特性曲线23依据式(1)进行差动相减处理得到离散横向相减差动共焦特性曲线24；

如图4所示，对离散横向相减差动共焦特性曲线24绝对零点附近的离散测量数据进行线性拟合，得到差动共焦线性拟合直线25，测量软件通过差动共焦线性拟合直线25的拟合直线零点26来确定被测柱面镜5的“共焦”位置，进而被测柱面镜5的位置Z₁＝0.0238mm；

6)继续沿光轴向计算全息镜片4的方向移动被测柱面镜5，使柱面测量光束的焦线与被测柱面镜5的顶点母线位置重合即“猫眼”位置，此时柱面测量光束被被测柱面镜5原路反射进入横向相减差动共焦探测系统6被探测。在该位置附近扫描被测柱面镜5，由横向相减差动共焦探测系统6测得离散横向相减差动共焦特性曲线，主控计算机28通过差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点来精确确定被测柱面镜5的顶点母线位置Z₂，记录此时被测柱面镜5的“猫眼”位置Z₂＝-25.8344mm；；

计算被测柱面镜5两位置之间的距离Z₂-Z₁＝-25.8582mm，则被测柱面镜5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.横向相减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)，其发出的光经第一分束镜(2)、准直透镜(3)、计算全息镜片(4)后形成柱面测量光束照射到被测柱面镜(5)上，由被测柱面镜(5)表面反射的光经计算全息镜片(4)和准直透镜(3)后被第一分束镜(2)反射，进入到横向相减差动共焦探测系统(6)；所述横向相减差动共焦探测系统(6)由第二分束镜(7)、焦前显微物镜(8)、焦前CCD探测器(9)、焦后显微物镜(10)和焦后CCD探测器(11)组成；

b)调整被测柱面镜(5)使其与准直透镜(3)和计算全息镜片(4)共光轴，计算全息镜片(4)将准直透镜(3)出射的平行光束汇聚成柱面测量光束照射在被测柱面镜(5)上，由被测柱面镜(5)反射回来的光通过计算全息镜片(4)和准直透镜(3)被第一分束镜(2)反射，反射的光束聚焦为测量光斑，并被横向相减差动共焦探测系统(6)探测；

c)沿光轴方向移动被测柱面镜(5)，使柱面测量光束的焦线与被测柱面镜(5)的焦线重合，即被测柱面镜(5)处于″共焦″位置；在该″共焦″位置附近扫描被测柱面镜(5)，将横向相减差动共焦探测系统(6)中焦前大虚拟针孔探测域(13)探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)I_B1(z，-u_M)，和焦前小虚拟针孔探测域(14)探测到的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)I_S1(z，-u_M)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)I₁(z，-u_M)＝I_S1(z，-u_M)-γI_B1(z，-u_M)；将横向相减差动共焦探测系统(6)中焦后大虚拟针孔探测域(16)探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(21)I_B2(z，+u_M)，和焦后小虚拟针孔探测域(17)探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)I_S2(z，+u_M)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)I₂(z，+u_M)＝I_S2(z，+u_M)-γI_B2(z，+u_M)；其中z为轴向坐标，γ为调节因子，u_M为焦前CCD探测器(9)偏离焦前显微物镜(8)焦平面距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(11)偏离焦后显微物镜(10)焦平面距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)I₂(z，+u_M)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)I₁(z，-u_M)进行差动相减，即得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线(24)I_D(z)：

I_D(z)＝I₂(z，+u_M)-I₁(z，-u_M) (1)

对离散横向相减差动共焦特性曲线(24)的绝对零点附近的离散测量数据进行线性拟合，得到差动共焦线性拟合直线(25)，通过差动共焦线性拟合直线(25)的拟合直线零点(26)来精确确定被测柱面镜(5)的位置Z₁；

所述焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)通过将焦前大虚拟针孔探测域(13)中每个像素上的强度进行积分得到；所述焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)通过积分焦前小虚拟针孔探测域(14)的强度得到；

d)继续沿测量光轴向计算全息镜片(4)的方向移动被测柱面镜(5)，使柱面测量光束的焦线与被测柱面镜(5)的顶点母线位置重合即″猫眼″位置，此时柱面测量光束由被测柱面镜(5)原路反射进入横向相减差动共焦探测系统(6)被探测；在″猫眼″位置附近扫描被测柱面镜(5)，由横向相减差动共焦探测系统(6)测得离散横向相减差动共焦特性曲线，对离散横向相减差动共焦特性曲线的绝对零点附近的离散测量数据进行线性拟合，得到差动共焦线性拟合直线，主控计算机(28)通过差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点来精确确定被测柱面镜(5)的顶点母线位置Z₂，记录此时被测柱面镜(5)的″猫眼″位置Z₂；

e)计算被测柱面镜(5)的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

2.根据权利要求 1所述的横向相减差动共焦柱面曲率半径测量方法，其特征在于：通过横向相减差动共焦探测系统(6)得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)和焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)的过程如下：

f)在被测柱面镜(5)扫描过程中，通过焦前CCD探测器(9)探测焦前测量艾里斑(12)，以焦前测量艾里斑(12)的重心为中心，在焦前CCD探测器(9)每帧探测图像上选定一定大小的焦前大虚拟针孔探测域(13)，将焦前大虚拟针孔探测域(13)中每个像素上的强度进行积分，得出焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)；

g)同时以焦前CCD探测器(9)探测的焦前测量艾里斑(12)的重心为中心，选择另一个焦前小虚拟针孔探测域(14)，所述焦前小虚拟针孔探测域(14)的尺寸小于焦前大虚拟针孔探测域(13)的尺寸，积分焦前小虚拟针孔探测域(14)的强度得到焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)，焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)的半高宽和峰值强度均低于焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)的半高宽和峰值强度；

h)将焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)乘以调节因子γ，使得焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)光强是焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)的1/2倍；

i)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)减去乘以调节因子γ后的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)，得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)；

j)重复步骤f)～i)，对焦后CCD探测器(11)探测到的焦后测量艾里斑(15)进行处理，同样得到焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(21)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)，焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(21)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)横向相减锐化处理后同样得到焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)。

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