CN109990981A - 反射式双边错位差动共焦焦距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，属于光学精密测量技术领域。该方法通过大、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，进而提高焦距测量中透镜表面顶点和焦点位置的定焦精度，以期实现焦距的高精度测量。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，显著提高了测量系统定焦精度。本方法相对已有方法，具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。

Description

反射式双边错位差动共焦焦距测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及到一种反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，可用于透镜焦距的高精度检测。

背景技术

焦距是透镜的基本参数之一，其测量精度直接决定了光学系统的光学性能和装调难度。光学元件的焦距是大型光学系统控制的核心技术指标之一，相关光学元件广泛应用在于紫外光刻机、天文望远镜、激光核聚变等大型光学系统中。随着这些系统工程的推进，对光学元件焦距的测量提出了更高的要求。

针对透镜顶焦距及焦距测量的方法，传统的有目视调焦放大率法。该方法将被测透镜放置于平行光管物镜前，并将平行光管物镜焦面上的分划板的一对刻线成像在被测透镜焦面上，通过测量放大后刻线的间距进而求得被测透镜的焦距。该方法由于需要通过测量人员在光具座上逐项进行目视定焦、观测、记录、分析处理数据，所以存在效率低、测值不稳定等缺点，其测量准确度通常为0.3％左右。近些年随着光电技术及计算机处理技术的发展，该方法已逐步被一种采用光电探测器和数字图像处理测量透镜顶焦距及焦距的方法所替代。由于该方法避免了测量过程中由人为因素产生的误差，系统的测量精确度得到了很大程度的提高。

此外，测量透镜顶焦距及焦距的方法还有自准直望远镜法和自准直显微镜法两种，这两种方法均是通过将被测透镜放置在自准直仪上来实现。用自准直显微镜测量正透镜顶焦距和焦距的准确度较常用的放大率法高出5～30倍，而且设备简单。自准直望远镜较多用于测量负透镜的焦距和顶焦距，还用于测量甚长焦距的正透镜的焦距，但其测量准确度较低。

当然，除上述三种经典的透镜顶焦距及焦距测量方法之外，国内外学者还提出了很多新的测量方法，发表的文献包括：发表在《中国测试技术》中的《泰伯-莫尔法测量长焦距系统的焦距》、发表在《光子学报》中的《Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的准确度极限研究》、发表在《The Optical Society ofAmerica》中的《Focal length measurementsforthe National Ignition Facility large lenses》、发表在《Applied Optics》中的《Talbot interferometry formeasuring the focal length of a lens》等，本发明人也曾在《OpticsExpress》期刊中发表“Laser differential confocal ultra-long focallength measurement”的论文。但以上文献提出的透镜顶焦距及焦距测量方法均仅适用于测量超长焦距，若用于一般焦距及较短焦距的测量，则误差较大或无法实现。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术迅速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度。由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，所以该方法的灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且该方法采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如本发明人申请的中国发明专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗扰动能力。

本发明人于2012年申请中国专利“反射式差动共焦透镜焦距测量方法”(专利号：201210011999.0)，该方法利用差动共焦测量技术并借助平面反射镜，对被测透镜的焦点及表面顶点进行精确定位，进而得到被测透镜的顶焦距及焦距，提升了焦距和顶焦距的测量精度。

为了进一步提高焦距特别是超长焦距测量的精度，本发明进一步提出了一种反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，该方法首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域(图像区)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定焦这一特性对被测样品各特征位置进行高精度定焦寻位，以期显著提升焦距测量中的定焦精度，进而提高焦距测量的精度。相比于现有的反射式差动共焦透镜焦距测量方法，本发明方法在未增加额外成本的情况下，提高了测量精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光学测量领域超长、超大元件测试中层析定焦精度不高的问题，提供一种反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，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，进而提高焦距测量中透镜表面顶点和焦点位置的定焦精度，以期实现焦距的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，包括以下步骤：

a)打开点光源，其发出的光经分束镜、准直透镜和被测透镜后形成聚焦测量光束；

b)调整被测透镜和调整平面反射镜使其与准直透镜共光轴，被测透镜将准直透镜出射的平行光束汇聚成聚焦测量光束照射在平面反射镜上；被平面反射镜反射的聚焦测量光束再经被测透镜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；

c)沿光轴方向移动平面反射镜，使聚焦测量光束的焦点与平面反射镜表面位置重合；在该位置附近扫描平面反射镜，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；

d)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,-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，通过差动共焦线性拟合直线反向回移S/2的差动共焦拟合直线的移位拟合直线零点来确定聚焦测量光束精确定焦在平面反射镜的表面，进而精确确定聚焦测量光束的焦点位置Z₁；

e)继续沿被测透镜的光轴方向相向移动平面反射镜，使聚焦测量光束被平面反射镜反射后聚焦到被测透镜后表面顶点；在该位置附近扫描平面反射镜，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，主控计算机重复步骤d),进而精确确定被测透镜的后表面顶点位置，记录此时平面反射镜的位置Z₂；

e)记两定焦点Z₁和Z₂之前的距离为d，则被测透镜的顶焦距为l_f＝2d。

本发明所述的反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，还可用于测量被测透镜焦距，其根据被测透镜的前表面曲率半径r₁、后表面曲率半径r₂、折射率n和中心厚度b，可以间接测得被测透镜的焦距f：

本发明反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，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：

a)在平面反射镜扫描过程中，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一定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；

b)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；

c)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；

d)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)提出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来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，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，使焦距测量系统具有更高的焦距测量精度。

2)相比于差动共焦测量装置，本发明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处理探测，有效消除共模噪声，提升了测量系统的抗环境干扰能力。

4)相比于经典的高精度干涉焦距测量方法，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，可显著提高焦距测量精度。

附图说明

图1为本发明双边错位差动共焦反射式焦距测量方法示意图；

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反射式焦距测量方法示意图。

其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-被测透镜、5-聚焦测量光束、6-平面反射镜、7-横向相减共焦探测系统、8-探测显微物镜、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-第二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。

本发明使用反射式双边错位差动共焦焦距测量方法来实现透镜焦距的高精度测量，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焦距测量中透镜表面顶点和焦点位置的高精度定焦，进而达到提高焦距测量精度的目的。

实施例1：

如附图5所示，反射式双边错位差动共焦焦距测量方法的测量步骤是：

1)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。点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜3和被测透镜4后照射在平面反射镜6上。

2)调整被测透镜4使其与准直透镜3共光轴，调整平面反射镜6使其与准直透镜3共光轴，被测透镜4将准直透镜3出射的平行光束汇聚成测量光束5照射在平面反射镜6上；

3)调整平面反射镜6使其与测量光束共光轴，由平面反射镜6反射回来的光通过被测透镜4和准直透镜3被分束镜2反射，反射的聚焦光束被横向相减共焦探测系统7探测。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；

4)沿光轴方向移动平面反射镜6，使聚焦测量光束5的焦点与平面反射镜6表面位置重合；在该位置附近扫描平面反射镜6，在CCD探测器探测的测量艾里斑10的每帧图像上选取一个同心圆域，大圆域直径为11个像素，小圆域直径为5个像素，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)，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)，然后将I_B(z)和I_S(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的锐化，其中z为轴向坐标；

5)如图2所示，取γ＝0.5，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)；

6)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)。

7)如图3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S/2的差动共焦线性拟合直线18的差动共焦拟合直线20的移位拟合直线零点21来确定聚焦测量光束5聚焦在平面反射镜6的表面位置，进而精确定焦被测透镜4的焦点位置，记录此时平面反射镜6的位置Z₁＝-0.0753mm。

8)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继续沿被测透镜4的光轴方向相向移动平面反射镜6，使测量光束5被平面反射镜6反射后聚焦到被测透镜4表面顶点；在该位置附近主控计算机24控制平面反射镜6扫描，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透镜4表面顶点对应的第二错位相减差动共焦特性曲线22，主控计算机24按上述步骤7)对第二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操作来精确确定被测透镜4的表面顶点位置，记录此时平面反射镜6的位置Z₂＝52.8294mm。

9)计算两位置之间的距离Z₂-Z₁＝52.9047mm，则被测透镜4的顶焦距值l_f＝105.8094mm。

10)根据被测透镜4的前表面曲率半径值为r₁＝100.5mm、后表面曲率半径值为r₂＝-87.6mm、折射率为n＝1.5136、透镜中心厚度b＝3mm，以及测得的透镜顶焦距l_f＝105.8094mm，可以计算得到被测透镜4的焦距值：

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 (3)

1.反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)打开点光源(1)，其发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)和被测透镜(4)后形成聚焦测量光束(5)；

b)调整被测透镜(4)和平面反射镜(6)使其与准直透镜(3)共光轴，被测透镜(4)将准直透镜(3)出射的平行光束汇聚成聚焦测量光束(5)照射在平面反射镜(6)上；被平面反射镜(6)反射的聚焦测量光束(5)再经被测透镜(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)；

c)沿光轴方向移动平面反射镜(6)，使聚焦测量光束(5)的焦点与平面反射镜(6)表面位置重合；在该位置附近扫描平面反射镜(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，通过差动共焦线性拟合直线(18)反向回移S/2的差动共焦拟合直线(20)的移位拟合直线零点(21)来确定聚焦测量光束(5)精确定焦在平面反射镜(6)的表面，进而精确确定聚焦测量光束(5)的焦点位置Z₁；

e)继续沿被测透镜(4)的光轴方向相向移动平面反射镜(6)，使聚焦测量光束(5)被平面反射镜(6)反射后汇聚到被测透镜(4)后表面顶点；在该位置附近扫描平面反射镜(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)后，重复步骤d)，得到与被测透镜(4)后表面顶点对应的第二错位相减差动共焦特性曲线(22)，进而精确确定被测透镜(4)的后表面顶点位置，记录此时平面反射镜(6)的位置Z₂；

f)记两定焦点Z₁和Z₂之前的距离为d，则被测透镜(4)的顶焦距为l_f＝2d。

2.根据权利要求1所述的反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，其特征在于：根据被测透镜(4)的前表面曲率半径r₁、后表面曲率半径r₂、折射率n和中心厚度b，能够间接测得被测透镜(4)的焦距f：

3.根据权利要求1所述的反射式双边错位差动共焦焦距测量方法，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)的过程如下：

a)在平面反射镜(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一定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，得出大虚拟针孔共焦特性曲线(13)；

b)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共焦特性曲线(14)，小虚拟针孔共焦特性曲线(14)的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔共焦特性曲线(13)；

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

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