共焦透鏡中心厚度測量方法與裝置的製作方法

2023-10-20 16:44:22 3

專利名稱：共焦透鏡中心厚度測量方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學精密測量技術領域，可用於透鏡中心厚度的非接觸高精度測量。
背景技術：
在光學領域中，透鏡中心厚度的測量具有重要意義。透鏡中心厚度是光學系統中的一個重要參數，其加工質量的好壞會對光學系統的成像質量產生較大影響。特別是對於光刻機物鏡、航天相機等高性能光學系統中的透鏡，需要根據鏡頭中透鏡的曲率半徑、折射率和中心厚度對透鏡的軸向間隙、徑向偏移和光軸偏角進行精密的調整。以光刻機物鏡為例，每個單透鏡中心厚度的偏差都會造成光刻物鏡的像差，影響物鏡的成像質量。目前應用較為廣泛的"數碼鏡頭"和"CCD掃描鏡頭"，其透鏡中心厚度的精度一般為幾微米，也需要有高精度的儀器來測量和檢驗，因此透鏡中心厚度是光學零件必檢和嚴格控制的項目之一。
目前，透鏡中心厚度測量技術可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。
接觸式測量，一般使用手持千分表或千分尺測量。測量時，透鏡中心點位置的準確性將直接影響測量精度，因此檢驗員在測量時要來回移動被測透鏡，尋找最高點(凸鏡)或最低點(凹鏡)，因而測量速度慢，誤差大，而且目前使用的高透過光學材料，材質較軟，測量時測頭在透鏡表面移動，容易劃傷透鏡表面。 針對接觸式測量存在的問題，國內學者也進行了相關研究。在1999年《實用測試技術》中發表的《光柵數顯式透鏡厚度測量儀》 一文中，作者設計了一種用光柵傳感器作為精密長度測量器件所構成的透鏡中心厚度測量儀，根據不同類型的光學透鏡及測量精度要求，可採用不同形式的測頭及測量座組合進行測量，將測量精度提高到lPm。中國專利"測量光學透鏡中心厚度的裝置"(專利號200620125116. 9)，採用了在測量立柱上部放置被測透鏡冶具的方法，避免了尋找透鏡表面頂點時測頭在透鏡表面來回移動對透鏡所造成的損傷。 非接觸式測量常有圖像測量法、共面電容法、白光共焦法和幹涉法。
2005年《傳感器技術》中發表的《基於圖像測量技術的裝配間隙在線測量研究》一文中，介紹了一種基於圖像測量技術的在線測量方案，將間隙通過光學系統在CCD攝像機中成的像送交圖像測量軟體處理和分析，由測量軟體給出結果。這種方法也可以應用於透鏡中心厚度的測量，但由於受攝像機成像系統、CCD分辨力、圖像清晰程度和標定係數精確度等的影響，測量誤差在15 ii m以內。 在1994年《儀器儀表學報》中發表的《光學透鏡中心厚度自動檢測儀》一文中，利用共面電容法測量透鏡中心厚度。其採用的是相對測量的方法，即首先根據要求把電容測頭與基準面調整到某一固定距離；然後將被測透鏡放在基準面上，被測透鏡與測頭之間存在空氣間隙，不同的透鏡厚度對應不同的空氣間隙和不同的測頭電容；最後通過電路測量出相應於電容而變化的電壓信號，就可以找出被測透鏡厚度的相對變化，此方法的分選精度小於5ym。但這種方法測量前需要已知被測透鏡材料的信號電壓與空氣間隙的關係曲線，在工程實際中，必須對共面電容測頭進行精確測試，以取得可靠數據作為檢測依據。
2005年在《GLASS SCIENCE AND TECHNOLOGY》中發表的《Noncontact measurement of central lens thickness》 一文中，採用白光共焦法測量透鏡中心厚度。這種方法首先 利用白光通過透鏡後軸向色差形成的探針對被測透鏡表面頂點進行定位，然後通過被測透 鏡上下表面頂點反射的光譜信息計算透鏡的厚度。此方法的特點在於能夠實現實時測量， 但白光是非相干光，定焦靈敏度和解析度較低，工作距離有限(30 m-25mm)。特別是很難準 確已知被測透鏡在不同波長處的折射率，一般都是通過測定特定波長處的折射率後插值所 得，此項參數對測量結果的影響較大，所以這種方法在實際應用中很難實現高精度測量。
中國專利"光學元件厚度的光學測量儀器"(專利號87200715)，利用雙幹涉系統 對透鏡中心厚度進行非接觸測量。該儀器由兩個麥可遜幹涉系統組成，根據白光幹涉條 紋對被測透鏡的兩個表面進行定位，並將被測透鏡與標準塊比較以求得被測透鏡的中心厚 度。可對膠合透鏡，可見光不透明的光學元件，未知材料的光學元件等實現非接觸測量。但 這種儀器的結構比較複雜，測量過程中需要更換元件，其測量精度不僅取決於多個表面的 定位精度，還依賴於標準塊已知厚度的精度，同時為了提高測量精度，需要選取與被測透鏡 厚度相近的標準塊。 中國專利"一種微小光學間隔的測量裝置"(專利號93238743. 8)，採用偏振光幹 涉法測量樣品厚度。入射白光在樣品上下表面反射形成的兩波陣面經起偏鏡、雙折射稜鏡、 檢偏鏡後在光電檢測器陣列上形成幹涉條紋，由幹涉條紋間距即可得樣品厚度。同時在檢 偏鏡與光電檢測器陣列之間加入一柱透鏡使幹涉圖樣沿條紋間距方向得到放大，降低了對 光電檢測器陣列的要求，測量精度為1_5%，但這種方法目前只用於測量玻璃平板的厚度。
近年來，國內外顯微成像領域的共焦技術快速發展，與傳統的測量方法相比具有 良好的層析能力，較高的軸向定位瞄準精度，較強的環境抗幹擾能力。本發明利用共焦定焦 原理對透鏡表面精確定位，實現了透鏡中心厚度的測量，其具有測量精度高、工作距離長、 使用方便等優點。

發明內容
本發明的目的是為了解決透鏡中心厚度的非接觸高精度測量問題，提出一種利用
共焦技術精確測量透鏡中心厚度的方法與裝置。 本發明的目的是通過下述技術方案實現的。 本發明的共焦透鏡中心厚度測量方法，包括以下步驟 (a)首先，調整被測透鏡，使其與共焦測頭共光軸； (b)然後，出射共焦光錐的共焦測頭沿光軸方向掃描移動，共焦系統通過探測響應 信號的極大值來確定共焦光錐頂點與被測透鏡前表面頂點相重合，此時共焦測頭的位置坐 標為z工； (c)將共焦測頭繼續沿光軸方向掃描移動，再次利用共焦響應信號的極大值來確 定共焦光錐頂點與被測透鏡後表面頂點相重合，此時共焦測頭的位置為z2 ;
(d)根據已知參數共焦光錐的數值孔徑角a 。、被測透鏡前表面的曲率半徑巧、空 氣折射率n。、被測透鏡折射率n和共焦測頭兩次定位的移動量l = Iz廠z」，可由以下公式^"+，__^__1 " r ,. 、 . 卜。
、■! 1 sin[a0 + arcsin(-1 sin a0) _ arcsm(J--1 ■ sin o;0)]w 。 計算得到被測透鏡的中心厚度d。 本發明所述的測量方法，利用曲線擬合的方法求取共焦響應信號的極大值。
本發明所述的測量方法，利用環形光瞳遮擋近軸光線，形成空心的測量光錐，削減 像差對測量結果的影響。 本發明提供了共焦透鏡中心厚度測量裝置，包括準直光源，其特徵在於包括分光
系統、物鏡、共焦系統、測長系統和移動導軌；其中分光系統、物鏡和被測透鏡依次放在準直
光源出射光線方向，共焦系統放置在分光系統反射方向，被測透鏡表面與分光系統將光束
反射至共焦系統，並配合共焦系統實現被測透鏡前表面頂點和後表面頂點的精確定位；準
直光源、分光系統、物鏡和共焦系統共同構成共焦測頭，並與測長系統安裝於移動導軌上。 本發明所述的測量裝置中共焦系統可以由透鏡、針孔和CCD探測器構成；光線進
入共焦系統後經透鏡會聚於針孔處，並由針孔後的CCD探測器探測共焦響應信號。 本發明所述的測量裝置中共焦系統可以由透鏡和CCD探測器構成；光線進入共焦
系統後經透鏡會聚，在透鏡焦點處由CCD探測器直接探測共焦響應信號。 本發明所述的測量裝置中共焦系統可以由透鏡、顯微物鏡和CCD探測器構成；光
線進入共焦系統後經透鏡和顯微物鏡在CCD探測器表面成像，並由CCD探測器探測共焦響
應信號。 本發明所述的測量裝置還可以包括環形光瞳，將其置於準直光源與分光系統之 間，形成空心的測量光錐。 本發明所述的測量裝置還可以包括主控計算機和機電控制裝置；主控計算機獲取 共焦響應信號；主控計算機控制機電控制裝置，使其驅動共焦測頭沿光軸方向掃描移動。
本發明所述的測量裝置還可以包括調整架，用以固定被測透鏡及調整被測透鏡的 光軸。 有益效果 本發明對比已有技術具有以下創新點 1.本透鏡中心厚度測量方法利用共焦光錐對透鏡表面實現非接觸高精度定位，對 被測透鏡無損傷，測量速度快，工作距離長。 2.在光路中引入環形光瞳，遮擋近軸光線，形成空心的測量光錐，削減了像差的對 測量結果的影響。 本發明對比已有技術具有以下顯著優點 1.利用共焦系統良好的層析能力實現了透鏡表面的精確定位。 2.利用曲線擬合的方法求取共焦響應信號的極大值，提高了測量精度。 3.本測量方法中，共焦原理以光強響應曲線作為定焦判據，相比以圖像、幹涉條紋
作為定位判據的測量方法具有更高的穩定性。


圖1為本發明共焦透鏡中心厚度測量方法的示意5
圖2為本發明共焦系統的示意圖；
圖3為本發明共焦系統的示意圖；
圖4為本發明共焦系統的示意圖；
圖5為本發明共焦測頭的示意圖； 圖6為本發明共焦透鏡中心厚度測量裝置的示意圖； 圖7為本發明共焦透鏡中心厚度測量實施例的示意圖； 圖8為本發明共焦透鏡中心厚度測量實施例的共焦響應曲線圖。 其中1-環形光瞳、2_分光系統、3_物鏡、4_被測透鏡前表面頂點、5_被測透鏡後
表面頂點、6_共焦光錐頂點、7-被測透鏡、8-共焦系統、9-CCD探測器UO-針孔、11_透鏡、
12-CCD探測器、13-透鏡、14-顯微物鏡、15-CCD探測器、16-透鏡、17-準直光源、18-共焦測
頭、19-調整架、20-移動導軌、21-測長系統、22-連杆、23-機電控制裝置、24-主控計算機。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 本發明的基本思想是利用共焦光錐對透鏡表面頂點高精度定位，實現透鏡中心厚 度的非接觸高精度測量。同時在測量光路中引入環形光瞳，遮擋近軸光線，形成空心的測量 光錐，削減了像差對測量結果的影響。
實施例一 如圖2、圖5和圖7所示，共焦透鏡中心厚度測量方法，其測量步驟是 首先，啟動主控計算機(24)中的測量軟體，輸入相關參數，包括被測透鏡(7)前表
面的曲率半徑巧=90. 7908mm、空氣折射率n。 = 1和被測透鏡(7)折射率n = 1. 5143。然後，打開準直光源(17)，其射出的平行光通過透光直徑為6. 8mm-9. 6mm的環形
光瞳(l)，透過分光系統(2)，經頂焦距為35mm物鏡(3)會聚在焦點位置，同時形成空心光
錐，光線再由被測透鏡(7)表面反射後，再次通過物鏡(3)和分光系統(2)反射進入共焦系
統(8)，經共焦系統(8)內透鏡(11)會聚於針孔(10)後照明CCD探測器(9)。 通過調整調整架(19)，使被測透鏡(7)與共焦測頭(18)共光軸，避免因光軸偏移
而引起的測量誤差。 測量過程中，機電控制裝置(23)驅動共焦測頭(18)沿移動導軌(20)在光軸方向 掃描移動，共焦系統(8)通過探測CCD探測器(9)共焦響應信號的極大值來確定共焦光錐 頂點(6)與被測透鏡(7)表面頂點重合，並依次記錄兩個重合點處共焦測頭(18)的位置坐 標21，22。響應信號如圖8所示，IJz)、IJz)分別為^、&點處的共焦響應信號，其中響應 信號的極大值是通過高階多項式擬合的方法求得的。 然後，將共焦測頭(18)的位置坐標Zl、 z2，傳送給主控計算機(24)，主控計算機 (24)中的測量軟體根據已知參數共焦光錐的數值孔徑角a。、被測透鏡(7)前表面的曲 率半徑巧、空氣折射率n。、被測透鏡(7)折射率n和共焦測頭(18)兩次定位的移動量1 =
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計算得到被測透鏡(7)的中心厚度d。 如圖2、圖5和圖7所示，共焦透鏡中心厚度測量裝置，包括準直光源(17)，依次放 在準直光源(17)出射平行光方向的環形光瞳(1)、分光系統(2)和物鏡(3)，還包括放置在 分光系統(2)反射方向的共焦系統(8)，其中被測透鏡(7)表面和分光系統(2)將光束反射 至共焦系統(8)，經共焦系統(8)內透鏡(11)會聚於針孔(10)後照明CCD探測器(9)。
準直光源(17)、環形光瞳(1)、分光系統(2)、物鏡(3)和共焦系統(8)共同構成 共焦測頭(18)，通過連杆(22)安裝於移動導軌(20)上。被測透鏡(7)固定在調整架(19) 上。主控計算機(24)獲取共焦響應信號；主控計算機(24)與機電控制裝置(23)連接，使 其驅動共焦測頭(18)在光軸方向掃描移動，配合共焦系統(8)和測長系統(21)即可得到 透鏡兩表面的位置信息。 本實施例所得共焦測頭(18)沿光軸方向掃描所得位置坐標依次為A =-2. 6985mm， z2 = -0. 0205mm。代入計算公式，可得透鏡中心厚度d = 4. 0088mm。
實施例二 如圖3、圖5和圖7所示，將實施例一圖2中的共焦系統(8)替換為圖3中的共焦系 統(8)，即可構成實施例二。與實施例一所不同的是，光線進入共焦系統(8)後經透鏡(13) 會聚，在透鏡焦點處由CCD探測器(12)直接探測共焦響應信號。其餘測量方法與裝置與實 施例一相同。
實施例三 如圖4、圖5和圖7所示，將實施例一圖2中的共焦系統(8)替換為圖4中的共焦系 統(8)，即可構成實施例三。與實施例一所不同的是，光線進入共焦系統(8)後經透鏡(16) 和顯微物鏡(14)在CCD探測器(15)表面成像，並由CCD探測器(15)探測共焦響應信號。 其餘測量方法與裝置與實施例一相同。 此實施例通過一系列的措施實現了透鏡中心厚度的非接觸高精度測量，實現了共 焦透鏡中心厚度測量的方法與裝置，具有對被測透鏡無損傷、測量精度高、工作距離長、使 用方便等優點。 以上結合附圖對本發明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制 了本發明的範圍，本發明的保護範圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基 礎上的改動都是本發明的保護範圍。
權利要求
共焦透鏡中心厚度測量方法，其特徵在於(a)首先，調整被測透鏡，使其與共焦測頭共光軸；(b)然後，出射共焦光錐的共焦測頭沿光軸方向掃描移動，共焦系統通過探測共焦響應信號的極大值來確定共焦光錐頂點與被測透鏡前表面頂點相重合，此時共焦測頭的位置坐標為z1；(c)將共焦測頭繼續沿光軸方向掃描移動，再次利用共焦系統通過探測共焦響應信號的極大值來確定共焦光錐頂點與被測透鏡後表面頂點相重合，此時共焦測頭的位置為z2；(d)根據已知參數共焦光錐的數值孔徑角α0、被測透鏡前表面的曲率半徑r1、空氣折射率n0、被測透鏡折射率n和共焦測頭兩次定位的移動量l＝|z2-z1|，可由以下公式 d= r 1+ n0 n sin 0 sin[ 0+arcsin ( l - r1 r 1 sin 0 )-arcsin ( n 0n l - r1 r 1 sin 0 )] ( l - r1 ) 計算得到被測透鏡的中心厚度d。
2. 根據權利要求1所述的共焦透鏡中心厚度測量方法，其特徵在於利用曲線擬合的方法求取共焦響應信號的極大值。
3. 根據權利要求1或2所述的共焦透鏡中心厚度測量方法，其特徵在於利用環形光瞳遮擋近軸光線，形成空心的測量光錐，削減像差對測量結果的影響。
4. 共焦透鏡中心厚度測量裝置，包括準直光源，其特徵在於包括分光系統、物鏡、共焦系統、測長系統和移動導軌；其中分光系統、物鏡和被測透鏡依次放在準直光源出射光線方向，共焦系統放置在分光系統反射方向，被測透鏡表面與分光系統將光束反射至共焦系統，並配合共焦系統實現被測透鏡前表面頂點和後表面頂點的精確定位；準直光源、分光系統、物鏡和共焦系統共同構成共焦測頭，並與測長系統安裝於移動導軌上。
5. 根據權利要求4所述的共焦透鏡中心厚度測量裝置，其特徵在於共焦系統由透鏡、針孔和CCD探測器構成；光線進入共焦系統後經透鏡會聚於針孔處，並由針孔後的CCD探測器探測共焦響應信號。
6. 根據權利要求4所述的共焦透鏡中心厚度測量裝置，其特徵在於共焦系統由透鏡和CCD探測器構成；光線進入共焦系統後經透鏡會聚，在透鏡焦點處由CCD探測器直接探測共焦響應信號。
7. 根據權利要求4所述的共焦透鏡中心厚度測量裝置，其特徵在於共焦系統由透鏡、顯微物鏡和CCD探測器構成；光線進入共焦系統後經透鏡和顯微物鏡在CCD探測器表面成像，並由CCD探測器探測共焦響應信號。
8. 根據權利要求4或5或6或7所述的共焦透鏡中心厚度測量裝置，其特徵在於包括環形光瞳，將其置於準直光源與分光系統之間，形成空心的測量光錐。
9. 根據權利要求4或5或6或7或8所述的共焦透鏡中心厚度測量裝置，其特徵在於包括主控計算機和機電控制裝置；主控計算機獲取共焦響應信號；主控計算機控制機電控制裝置，使其驅動共焦測頭沿光軸方向掃描移動。
10. 根據權利要求4或5或6或7或8或9所述的共焦透鏡中心厚度測量裝置，其特徵在於包括調整架，用以固定被測透鏡及調整被測透鏡的光軸。
全文摘要
本發明屬於光學精密測量技術領域，涉及一種共焦透鏡中心厚度測量方法與裝置，該方法首先通過共焦定焦原理分別確定透鏡前表面頂點和後表面頂點的位置，並獲取共焦測頭兩次定位的位置坐標，然後利用光線追跡公式計算透鏡中心厚度。同時在測量光路中引入環形光瞳，遮擋近軸光線，形成空心的測量光錐，削減了像差對測量結果的影響；該裝置包括分光系統、物鏡、共焦系統、測長系統和移動導軌；其中分光系統、物鏡和被測透鏡依次放在準直光源出射光線方向，共焦系統放置在分光系統反射方向，被測透鏡表面與分光系統將光束反射至共焦系統，並配合共焦系統實現被測透鏡前表面頂點和後表面頂點的精確定位，實現了透鏡中心厚度的非接觸高精度測量。
文檔編號G01B11/06GK101788271SQ201010128449
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者劉文麗, 史立波, 孫若端, 定翔, 李飛, 楊佳苗, 趙維謙, 邱麗榮 申請人:北京理工大學;中國計量科學研究院