双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法与流程

本发明涉及双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，尤其涉及用于透镜中心厚度的非接触式高精度测量方法，属于光学精密测量技术领域。

背景技术：

在光学领域中，透镜中心厚度的测量具有重要意义。透镜中心厚度是光学系统中的一个重要参数，其加工质量的好坏会对光学系统的成像质量产生较大影响。特别是对于光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统中的透镜，需要根据镜头中透镜的曲率半径、折射率和中心厚度对透镜的轴向间隙、径向偏移和光轴偏角进行精密的调整。以光刻机物镜为例，每个单透镜中心厚度的偏差都会造成光刻物镜的像差，影响物镜的成像质量。目前应用较为广泛的“数码镜头”和“ccd扫描镜头”，其透镜中心厚度的精度一般为几微米，也需要有高精度的仪器来测量和检验，因此透镜中心厚度是光学零件必检和严格控制的项目之一。

目前，透镜中心厚度测量技术可分为接触式测量和非接触式测量两种。

接触式测量，一般是用手持千分表或千分尺测量。测量时，透镜中心点位置的准确性将直接影响测量精度，因此检验员在测量时要来回移动被测透镜，寻找最高点(凸镜)或最低点(凹镜)，因而测量速度慢，误差大，而且目前使用的高透过光学材料，材质较软，测量时测头在透镜表面移动，容易划伤透镜表面。

针对接触式测量存在的问题，国内学者也进行了相关研究。在1999年《实用测试技术》中发表的《光栅数显式透镜中心厚度测量仪》一文中，作者设计了一种利用光栅传感器作为精密长度测量器件构成的透镜中心厚度测量仪，根据不同类型的光学透镜及测量精度要求，可采用不同形式的测头及测量座组合进行测量，将测量精度提高到1μm。中国专利“测量光学透镜中心厚度的装置”(专利号：200620125116.9)，采用了在测量立柱上部放置被测透镜冶具的方法，避免了寻找透镜表面顶点时测头在透镜表面来回移动对透镜所造成的损伤。

非接触式测量常用图像测量法、共面电容法、白光共焦法和干涉法。

2005年《传感器技术》上发表的《基于图像测量技术的装配间隙在线测量研究》一文中，介绍了一种基于图像测量技术的在线测量方案，将间隙通过光学系统在ccd摄像机中成的像送交图像测量软件处理和分析，由测量软件给出结果。这种方法也可以应用于透镜中心厚度的测量，但由于受摄像机成像系统、ccd分辨力、图像清晰程度和标定系数精确度等的影响，测量误差在15μm以内。

在1994年《仪器仪表学报》上发表的《光学透镜中心厚度自动检测仪》一文中，利用共面电容法测量透镜中心厚度。其采用的是相对测量的方法，即首先根据要求把电容测头与基准面调整到某一固定距离；然后将被测透镜放在基准面上，被测透镜与测头之间存在空气间隙，不同的透镜中心厚度对应不同的空气间隙和不同的测头电容；最后通过电路测量出相应于电容而变化的电压信号，就可以找出被测透镜中心厚度的相对变化，此方法的分选精度小于5μm。但这种方法测量前需要已知被测透镜材料的信号电压与空气间隙的关系曲线，在工程实际中，必须对共面电容测头进行精确测试，以取得可靠数据作为检测依据。

2005年在《glassscienceandtechnology》上发表的《noncontactmeasuremeofcentrallensthickness》一文中，采用白光共焦法测量透镜中心厚度。这种方法首先利用白光通过透镜后轴向色差形成的探针对被测透镜表面顶点进行定位，然后通过被测透镜上下表面顶点反射的光谱信息计算透镜的厚度。此方法的特点在于能够实现实时测量，但白光是非相干光，定焦灵敏度和分辨力较低，工作距离有限(30μm-25mm)。特别是很难准确已知被测透镜在不同波长处的折射率，一般都是通过测定特定波长处的折射率后插值所得，此项参数对测量结果的影响较大，所以这种方法在实际应用中很难实现高精度测量。

中国专利“光学元件厚度的光学测量仪器”(专利号：87200715)，利用双干涉系统对透镜中心厚度进行非接触测量。该仪器由两个迈克尔逊干涉系统组成，根据白光干涉条纹对被测透镜的两个表面进行定位，并将被测透镜与标准块比较以求得被测透镜的中心厚度。可对胶合透镜、可见光不透明的光学元件、未知材料的光学元件等实现非接触测量。但这种仪器的结构比较复杂，测量过程中需要更换元件，其测量精度不仅取决于多个表面的定位精度，还依赖于标准块已知厚度的精度，同时为了提高测量精度，需要选取与被测透镜中心厚度相近的标准块。

中国专利“一种微小光学间隔的测量装置”(专利号：93238743.8)，采用偏振光干涉法测量样品厚度。入射白光在样品上下表面反射形成的两波阵面经起偏镜、双折射棱镜、检偏镜后在光电检测器阵列上形成干涉条纹，由干涉条纹间距即可得样品厚度。同时在检偏镜与光电检测器阵列之间加入一柱透镜使干涉图样沿条纹间距方向得到放大，降低了对光电检测器阵列的要求，测量精度为1-5％，但这种方法目前只用于测量玻璃平板的厚度。

本发明人曾于2010年申请中国专利“差动共焦透镜中心测量方法与装置”(专利号：201010000555.8)，通过差动共焦原理精确定焦透镜的前后表面顶点位置，实现了透镜中心厚度的非接触高精度测量。但是必须使用两路探测器，并且这两路探测器的位置需保证离焦量相等，系统结构、装调过程比较复杂，装调不准所引入的误差可能较大；更换被测镜后，两探测器的离焦量可能需要重新调整。

本发明通过相减处理来锐化共焦特性曲线，利用锐化共焦特性曲线的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，对被测透镜中心厚度测量顶点位置进行高精度定焦寻位，进而实现透镜中心厚度的高精度测量。相比于现有的测量方法，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点。

技术实现要素：

为了解决透镜中心厚度测量中高精度定焦难题，本发明公开了双边错位差动共焦透镜中心厚度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，进而提高透镜中心厚度测量中透镜顶点位置的定焦精度，以期实现透镜中心厚度的高精度测量。

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透镜中心厚度测量方法，在共焦测量系统中，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，其次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，然后利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与焦点精确对应的特性对被测透镜中心厚度测量顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿精确得到透镜的中心厚度，实现透镜中心厚度的高精度测量。

本发明公开的双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法包括以下步骤：

a)打开点光源，调整被测透镜使其与测量物镜和准直透镜共光轴，点光源发出的光经分束镜、准直透镜和测量物镜后汇聚成测量光束照射在被测透镜上；被测透镜反射的测量光束再经测量物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，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透镜使测量光束的焦点与被测透镜的顶点a位置重合；在该透镜顶点位置附近相对轴向扫描测量物镜或被测透镜，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ib(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is(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)＝is(z)-γib(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(16)，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id(z)＝i(z)-i(z,-us)，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测量光束焦点与被测透镜的顶点的重合位置，进而确定被测透镜的顶点a位置z1；

d)继续沿光轴方向移动测量物镜或被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的后表面顶点b重合；在该透镜顶点b位置附近轴向扫描测量物镜或被测透镜，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，得到与测量物镜焦点附近对应的错位相减差动共焦特性曲线，主控计算机按着步骤c)通过对错位相减差动共焦特性曲线再进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点精确确定被测透镜的后表面顶点b位置，记录此时被测透镜后表面顶点b的位置z2；

e)根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜中心厚度d的计算公式如下：

代入已知参数：测量光束的数值孔径角α0、被测透镜的前表面曲率半径r1和折射率n、空气折射率n0和两次定焦位置之间的距离l＝|z2-z1|，则得到测透镜的中心厚度d。

本发明所述的双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出透镜中心厚度的计算公式。如公式(2)所示，rn为被测透镜第n个表面sn的曲率半径，nn为第n个表面sn与第n+1个表面sn+1之间的材料折射率，dn-1为第n-1个表面sn-1与第n个表面sn之间的轴向间隙，ln′为sn顶点到sn出射线与光轴交点的距离，un′为sn出射光线与光轴的夹角。

根据以上公式推导得出透镜中心厚度计算的公式(1)，进一步实现透镜中心厚度精确测量。

本发明所述的双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，通过横向相减共焦探测系统得到锐化共焦特性曲线的方法如下：

步骤一、在被测透镜扫描过程中，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。

本发明所述的双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波像差对测量光束的影响，减少测量误差。

有益效果：

1)本发明双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，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，进而显著提高差动共焦定焦曲线的定焦灵敏度和信噪比，使透镜中心厚度测量中被测透镜前后表面顶点位置的定焦精度显著提高，能够显著提升透镜中心厚度测量精度。

2)相比于差动共焦测量系统，本发明双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，在未增加硬件成本的情况下提高测量精度。

3)本发明双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，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)本发明双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，在光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减像差的对测量结果的影响。

5)相比于经典的高精度干涉透镜中心厚度测量方法，本发明双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，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，显著提高透镜中心厚度测量精度。

附图说明

图1为本发明双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法示意图

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为本发明建立的光线追迹及其补偿模型示意图；

图6为本发明实施例双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法示意图；

图7为实施例1的数据图；

其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-测量物镜、5-测量光束、6-被测透镜、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-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、31-环形光瞳。

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透镜中心厚度测量方法来实现透镜中心厚度的高精度测量，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透镜中心厚度测量中透镜顶点位置的定焦精度，进而达到提高透镜中心厚度测量精度的目的。

实施例：

如附图6所示，本实施例公开的双边错位差动共焦透镜中心厚度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)调整被测透镜6使其与测量物镜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和测量物镜4后汇聚成测量光束5聚焦在被测透镜6顶点a上，被测透镜6顶点a反射的测量光束5再经测量物镜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，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透镜6使测量光束5的焦点与被测透镜6的顶点a位置重合；在该透镜顶点a位置附近轴向扫描被测透镜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13ib(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14is(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)＝is(z)-γib(z)；

如图2所示，获取大虚拟针孔探测共焦特性曲线13和小虚拟针孔探测共焦特性曲线14的方法是：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一条大虚拟针孔探测共焦特性曲线ib(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14is(z)，然后将ib(z)和is(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线15i(z)＝is(z)-γib(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化。

本实施例中取γ＝0.5，同心圆域的大圆域直径选取11个像素，小圆域直径选取5个像素；

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17id(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点性拟合直线18，再通过反向回移差动共焦点性拟合直线(18)s/2位置的差动共焦拟合直线20的移位拟合直线零点21精确确定汇聚测量光束5焦点与被测透镜6的顶点的重合位置，进而确定被测透镜6的透镜顶点a位置z1，记录此时被测透镜6的透镜顶点位置z1＝0.0027mm。

f)对被测透镜6定焦结果如图7所示，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继续沿测量物镜4的光轴方向相向移动测量物镜4或被测透镜6，使测量光束5的焦点与被测透镜6的后表面顶点b重合；在该透镜顶点b位置附近轴向扫描测量物镜4或被测透镜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后再进行双边错位相减处理得到与测量物镜4焦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按着步骤d)通过对第二错位相减差动共焦特性曲线22再进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点精确确定被测透镜6的后表面顶点位置b，记录此时被测透镜6后表面顶点位置b的z2＝3.2797mm。

g)如图5所示，主控计算机24根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜中心厚度d的计算公式如下：

代入已知参数：测量光束的数值孔径角α0、被测透镜的前表面曲率半径r1、空气折射率n0、被测透镜折射率n和两次定焦位置之间的距离l＝|z2-z1|，则得出被测透镜6的中心厚度d＝5.0735mm。

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。