CN109990982B - 反射式横向相减差动共焦焦距测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种反射式横向相减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，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，根据横向相减差动共焦响应曲线的过零点精确确定被测镜的表面顶点和焦点位置，得到被测镜的精确焦距值。本发明中横向相减激光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

反射式横向相减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，涉及到一种反射式横向相减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 of America》中的《Focal length measurementsfor the National Ignition Facility large lenses》、发表在《Applied Optics》中的《Talbot interferometry for measuring the focal length of a lens》等，本发明人也曾在《Optics Express》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测量精度，本发明进一步提出了一种反射式横向相减差动共焦焦距测量方法，该方法在差动共焦测量系统中，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(图像区)域并将其探测的两条共焦特性曲线进行相减处理来锐化共焦特性曲线，然后将放在探测光路焦前和焦后的横向相减探测系统分别得到的两条锐化共焦特性曲线再进行差动相减处理进而得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，最后利用该差动共焦特性曲线零点与焦点精确定焦这一特性来对被测界面进行层析定焦，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，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，提供一种反射式横向相减差动共焦焦距测量方法；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。
反射式横向相减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照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射光经被测透镜和准直透镜后被分束镜反射后进入到横向相减差动共焦探测系统；
b)调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴；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测量光束照射在平面反射镜上；
c)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的焦点与平面反射镜顶点位置重合；在该位置附近扫描平面反射镜，将横向相减差动共焦探测系统中焦前大虚拟针孔探测域探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB1(z,-uM)和焦前小虚拟针孔探测域探测的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS1(z,-uM)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,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统中焦后大虚拟针孔探测域探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB2(z,+uM)和焦后小虚拟针孔探测域探测的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS2(z,+uM)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,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，uM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,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线I1(z,-uM)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ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM) 公式一
通过离散横向相减差动共焦特性曲线ID(z)的拟合直线零点来确定测量光束精确定焦在平面反射镜的第一定焦表面顶点位置，进而精确确定测量光束的焦点位置Z1；
d)继续沿光轴向被测透镜的方向移动平面反射镜，使测量光束被平面反射镜反射后聚焦到被测透镜表面；在该位置附近扫描平面反射镜，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透镜的表面顶点位置，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lf＝2d。
本发明所述的反射式横向相减差动共焦焦距测量方法，还可用于测量被测透镜4焦距：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：
Figure GDA0002458680540000041
本发明反射式横向相减差动共焦焦距测量方法，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：
a)在平面反射镜扫描过程中，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；
b)同时以焦前CCD探测器探测的焦前测量艾里斑重心为中心，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；
c)将焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线乘以调节因子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；
d)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线减去乘调节因子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。
e)重复上述步骤a)～d)，对焦后CCD探测器探测到的焦后测量艾里斑进行处理，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
本发明对比已有技术具有以下创新点：
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，使焦距和曲率半径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，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为本发明反射式横向相减差动共焦焦距测量方法的示意图；
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；其中(a)为焦前横向相减锐化共焦特性曲线，其中(b)焦后横向相减锐化共焦特性曲线
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为本发明反射式横向相减差动共焦焦距测量实施例的示意图。
其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-被测透镜、5-平面反射镜6-横向相减差动共焦探测系统、7-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。
本发明使用反射式横向相减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，通过锐化共焦特性曲线的差动相减探测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，反射式横向相减差动共焦焦距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。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5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5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照射在平面反射镜5上；
3)调整平面反射镜5使其与测量光束共光轴，由平面反射镜5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差动共焦探测系统6探测。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采集到的焦前测量艾里斑12，和由焦后CCD探测器11采集到的焦后测量艾里斑15；
4)沿光轴方向移动平面反射镜5，使测量光束的焦点与平面反射镜5顶点位置重合；在该位置附近扫描平面反射镜5，在CCD探测器探测的焦前测量艾里斑12和焦后测量艾里斑15的每帧图像上选取一个同心圆域，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IB(z,uM)，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IS(z,uM)，然后将IB(z,uM)和IS(z,uM)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z,uM)＝IS(z,uM)-γIB(z,uM)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的锐化；
5)如图2所示，取γ＝0.5，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18IB1(z,-uM)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19IS1(z,-uM)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,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；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和焦后小虚拟针孔探测域17分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线21IB2(z,+uM)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线22IS2(z,+uM)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,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)；
6)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；
7)如图4所示，将离散横向相减差动共焦特性曲线24进行拟合处理，通过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来精确定焦被测透镜4的焦点位置，记录此时平面反射镜5的位置Z1＝-0.0753mm；
8)继续沿光轴向被测透镜4方向移动平面反射镜5，当测量光束被平面反射镜5反射后聚焦到被测透镜4的表面顶点位置时再次得到横向相减差动共焦响应曲线24，测量软件同样通过直线拟合横向相减差动共焦响应曲线24的过零点来精确定焦被测透镜4的表面顶点位置，记录此时平面反射镜5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的顶焦距值为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值lf＝105.8094mm，可以计算得到被测透镜4的焦距值：
Figure GDA0002458680540000081
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.反射式横向相减差动共焦焦距测量方法，其特征在于：具体步骤如下：
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)后照射在平面反射镜(5)上，由平面反射镜(5)的表面反射，反射光经被测透镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射后进入到横向相减差动共焦探测系统(6)；
b)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(5)，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照射在平面反射镜(5)上；
c)沿光轴方向移动平面反射镜(5)，使测量光束的焦点与平面反射镜(5)顶点位置重合；在该位置附近扫描平面反射镜(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)IB1(z,-uM)，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)IS1(z,-uM)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,-uM)＝IB1(z,-uM)-γIS1(z,-uM)；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)IB2(z,+uM)，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)IS2(z,+uM)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,+uM)＝IB2(z,+uM)-γIS2(z,+uM)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，uM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,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)I1(z,-uM)进行差动相减，即能够得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线(24)ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM) 公式一
通过离散横向相减差动共焦特性曲线(24)ID(z)的拟合直线零点(26)来确定测量光束精确定焦在平面反射镜(5)的第一定焦表面顶点位置，进而精确确定测量光束的焦点位置Z1；
d)继续沿光轴向被测透镜(4)的方向移动平面反射镜(5)，使测量光束被平面反射镜(5)反射后聚焦到被测透镜(4)表面；在该位置附近扫描平面反射镜(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(24)，主控计算机(28)通过差动共焦线性拟合直线(25)的拟合直线零点(26)来精确确定被测透镜(4)的表面顶点位置，记录此时平面反射镜(5)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(4)的顶焦距为lf＝2d。
2.根据权利要求1所述的反射式横向相减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：
Figure FDA0002466196550000021
3.根据权利要求1所述的反射式横向相减差动共焦焦距测量方法，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：
a)在平面反射镜(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)；
b)同时以焦前CCD探测器(9)探测的焦前测量艾里斑(12)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)的尺寸小于所述焦前大虚拟针孔探测域(13)，积分焦前小虚拟针孔探测域(14)的强度得到另一条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)；
c)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；
d)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)减去乘系数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)；
e)重复步骤a)～d)，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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