后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置与流程

本发明涉及后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置，可用于镜组内轴向间隙的非接触式高精度测量，属于光学精密测量技术领域。

背景技术：

在光学领域中，镜组内轴向间隙的测量具有重要意义。光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统的装配过程中，需要根据镜头中透镜的曲率半径和折射率对透镜轴向间隙、径向偏移和光轴偏角进行精密的调整。以光刻机物镜为例，每个单透镜的轴向间隙偏差都会造成光刻物镜的球差、像散、慧差、畸变等像差，影响物镜的成像质量。为了把轴向偏差控制到最小，需要对透镜轴向间隙的测量精度达到微米量级。

目前，镜组内各透镜之间的间隙主要依靠机械加工与装配的精度来保证，装配过程中可以通过接触式测高的方法，结合单透镜的厚度计算透镜间的间隙。mirau干涉仪可以通过代替接触式方法对安装过程中的单片透镜外表面进行高精度定位，实现准确的透镜装配，但却无法深入镜组内部对多个透镜表面进行高精度定位。

国内外现有的轴向间隙测量的方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类。

接触式测量通常有两种：一是测量前一透镜的上顶点与后一透镜的上顶点的距离，然后减去透镜厚度。二是测量球面顶点到镜座端面的距离。接触式测量的主要缺点是容易划伤透镜表面。为避免划伤，通常在测量头与被测表面之间加一层保护纸，因此测量精度较低。有些镀有特殊膜层的表面，严禁接触式测量。对于已经装配完成的镜组，则需要拆卸后进行测量，拆卸和重新装配过程都会引入误差，所以接触式测量不适用于间隙的高精度测量。

非接触式间隙测量主要有图像测量法、白光共焦法和干涉法。

2005年《传感器技术》中发表的《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。在镜组装配过程中，可以实时测量多个透镜之间的轴向间隙。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，难以达到较高的测量精度，测量误差在0.015mm以内。同时对于已经装配完成的镜组，需要拆卸后进行测量，所以图像测量法也不适用于镜组间隙的高精度测量。

2005年在《glassscienceandtechnology》中发表的《noncontactmeasurementofcentrallensthickness》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组表面顶点进行定位，然后通过被测透镜组上下表面顶点反射的光谱信息计算透镜的厚度。此方法也可以应用于测量镜组之间的轴向间隙，其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组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，由于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达到较高的测量精度。

中国专利“非接触式光学系统空气间隔测量工作方法及设备”(专利号：01133730.3)，采用干涉定位的原理，实现了空气间隔的非接触测量。在镜组安装过程中，此方法可代替接触式测高法来保证镜组内透镜之间的空气间隔，通过移动标准镜头，可对顺序安装的两透镜上表面顶点实现精确定位，用标准镜头两次定位的移动量减去后安装上的透镜的厚度即可得到两透镜之间的空气间隔。这种方法由标准镜头的焦点定位，其定位精度可达λ/20以上，具有较高的测量精度。同时此方法属于非接触式测量，具有对被测透镜组无损伤、使用方便等优点。但对于已经装配完成的镜组则无法深入其内部进行间隙测量。

应用较多的还有偏振干涉法，例如：美国专利“opticalgapmeasuringapparatusandmethod”(专利号：5953125)，提出了一种高速测量两表面间距的光学方法和装置，其中第一表面是基本透明部件的部分，第二表面是测试物体表面，先用透镜将光束通过偏振部件以一个倾斜角度射到第一表面，并将测量光束定位在受测表面上，再利用从第一表面和受测物体表面上反射光束的合光效应使偏振光束通过透明部件后反射，然后，用偏振灵敏强度探测器和相位探测器测量由入射平面限定的偏振分量的强度和相对相位，分析这些测量参数，即可得到两表面间隙。与此类似的还有美国专利“gapmeasuringapparatususinginterferencefringesofreflectedlight”(专利号：4932781)。偏振干涉法的特点在于测量速度快、测量精度高。但这种方法目前主要应用于测量受测试物体表面相对于透明部件的平行表面之间的微小间隙，无法实现镜组内多个透镜间轴向间隙的高精度测量。

本发明人曾于2010年申请国家专利“差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号：201010000553.9)，该方法通过差动共焦定焦原理对镜组内各透镜表面实现高精度定位，并获得各定位点处差动共焦测头的位置坐标，然后利用光线追迹递推公式依次计算镜组内各轴向间隙。该方法具有测量精度高，测量速度快等优点，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；更换被测透镜组后，两探测器的离焦量可能需要重新调整。

本发明提出了一种后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置，使用后置光瞳遮挡一半的测量光束，收集另一半测量光束并利用分光瞳差动共焦探测系统获得差动共焦响应曲线，通过对差动共焦响应曲线线性段进行直线拟合来实现快速触发定焦，并利用光线追迹及其补偿模型计算镜组轴向间隙，完成镜组轴向间隔的高精度测量。本发明仅用一路探测器实现了激光差动共焦定焦及测量，既避免了离焦量调整不准确所引入的测量误差，又避免了测量不同被测镜可能导致的定焦灵敏度下降，同时系统结构和装调大大简化。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决镜组轴向间隙高精度测试不理想的难题，提出通过后置光瞳收集测量光束，并使用分光瞳差动共焦探测系统进行探测的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的后置分光瞳差动共焦镜组轴向间隙测量方法，包括以下步骤：

步骤一、光源发出的测量光束经分束镜、准直透镜和会聚透镜后形成测量光束照射在被测透镜组组上；

步骤二、调整被测透镜组组，使被测透镜组组与测量光束共光轴，由被测透镜组组反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后被分束镜反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统；

步骤三、沿光轴方向移动被测透镜组组，使测量光束的焦点与被测透镜组组内各透镜的表面顶点位置，即每个透镜的前表面顶点和后表面顶点重合；在各表面顶点位置扫描被测透镜组，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的过零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜组组内各透镜的表面顶点位置，并将顶点位置依次记为z1，z1，z2，…，zm，m为被测透镜组组内透镜的总透光面数；

步骤四、根据建立的光线追迹及其补偿模型，依次计算得到被测透镜组组内第n个表面sn与第n+1个表面sn+1之间的轴向间隙dn＝ln′。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，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，进而计算得到被测轴向间隙。如图3和公式2所示，设ρb为环形光瞳的最大半径，ηρb为环形光瞳的最小半径，ρ为参考测量光线的半径，sn代表被测透镜组内第n个表面，on为第n个表面sn的顶点，rn为第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为第n个表面sn与第n+1个表面sn+1之间的轴向间隙，in和in′分别为光线在第n个表面sn的入射角和出射角，lf'为当前状态下标准会聚镜的像方顶焦距。其中，ln为sn顶点到sn入射光线与光轴交点的距离，ln′为sn顶点到sn出射线与光轴交点的距离，un为sn入射光线与光轴的夹角，un′为sn出射光线与光轴的夹角，z为测量光束会聚点的位置坐标。

根据以上公式可消除各表面间参数对测量结果的影响，从而精确计算出第sn与sn+1之间的轴向间隙dn＝ln′。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升定焦精度、定焦速度和抗散射能力。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，所述后置光瞳为d形后置光瞳或圆形后置光瞳，实现后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量。

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，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。

本发明还提供了一种后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量装置，包括点光源、分束镜、准直透镜、会聚透镜、分光瞳、分光瞳差动共焦探测系统，主控计算机、电机驱动系统、直线导轨和五维调整架；点光源发出的测量光束依次经过分束镜、环形光瞳、准直透镜和会聚透镜后照射在被测透镜组组；由被测透镜组组反射回来的光通过会聚透镜、准直透镜和环形光瞳后经分光瞳进入分光瞳差动共焦探测系统；主控计算机控制电机驱动系统进而控制五维调整架的移动，分光瞳激光差动共焦探测系统将探测结果传输给主控计算机。

本发明的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量装置，所述分光瞳为d形分光瞳或圆形分光瞳。

本发明的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统由第一针孔、第二针孔和二象限探测器组成；其中第一针孔和第二针孔关于光轴对称；二象限探测器上的第一探测象限和第二探测象限关于光轴对称；

本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统还可由显微物镜和ccd组成；在ccd的探测器靶面上设置第一虚拟针孔和第二虚拟针孔，第一虚拟针孔和第二虚拟针孔关于光轴对称。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1首次提出利用后置分光瞳差动共焦技术对被测透镜组内各表面进行精确定焦并测量镜组轴向间隙，定焦精度更高，系统更加简化；

2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，削减了像差的对测量结果的影响；

3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，消除了被测透镜组各表面参数对于测量结果的影响；

4采用差动共焦响应曲线零点附近的数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了测量速度、精度和抗散射能力。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1相比于共焦镜组轴向间隙测量方法，本方法由于采用差动共焦定焦技术，其测量精度显著提高；

2相比于传统差动共焦镜组轴向间隙测量方法，本方法仅使用一路探测器即可得到差动共焦响应曲线，系统结构和装调过程简化，由装调不准引入的测量误差降低；

3相比于传统的差动共焦镜组轴线间隙测量方法，本方法采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了测量精度、速度和抗散射能力。

附图说明

图1为本发明后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法示意图；

图2为本发明光线追迹及其补偿模型示意图；

图3为本发明线性拟合触发定焦示意图；

图4为本发明的实施例1的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置示意图；

图5为本发明的实施例2的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置示意图；

其中：1-点光源、2-分束镜、3-环形光瞳、4-准直透镜、5-会聚透镜、6-被测透镜组、7-d形后置光瞳、8-分光瞳差动共焦探测系统、9-第一针孔、10-第二针孔、11-二象限探测器、12-艾里斑、13-第一探测象限、14-第二探测象限、15-第一共焦响应曲线、16-第二共焦响应曲线、17-差动共焦响应曲线、18-差动共焦响应曲线线性段、19-绝对零点位置、20-显微物镜、21-ccd、22-激光器、23-光纤、24-主控计算机、25-电机驱动系统、26-直线导轨、27-五维调整架、28-第一虚拟针孔、29-第二虚拟针孔、30-圆形后置光瞳。

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。

本发明利用后置分光瞳激光差动共焦响应曲线的过零点分别精确定位被测透镜组的各表面顶点位置进行精确定焦，进而得出待测镜组轴向间隙。同时在测量光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差对测量结果的影响。

实施例1

如图4所示，后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量装置，包括激光器22、光纤23和点光源1，依次放在点光源1出射光方向的分束镜2、准直透镜3和会聚透镜4，还包括放置在分束镜2反射方向的d形后置光瞳7以及由显微物镜20和ccd21构成的分光瞳差动共焦探测系统8；主控计算机24与电机驱动系统25相连接，使其驱动直线导轨26带动被测透镜组6沿光轴方向进行扫描。

当使用该装置测量镜组轴向间隙时，使用该系统中的分光瞳差动共焦测量系统8来对被测透镜组6的各表面顶点进行高精度定位，进而测得其轴向间隙。

通常分光瞳差动共焦测量系统8有两种形式，一种为附图1所示的运用针孔探测的分光瞳差动共焦测量系统，另一种为附图1所示的运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦测量系统。由于运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦测量系统较运用针孔探测的分光瞳差动共焦测量系统具有装调方便、易于调整被测透镜组的优点，所以此处采用了运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦测量系统。此时，进入分光瞳差动共焦测量系统8的光在显微物镜20的物面上会聚为艾里斑，被显微物镜20成像到ccd21的靶面上。在ccd21上设置两个关于光轴对称的探测区域，即第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29。由第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29分别记录的光强信号被传入主控计算机24，分别得到第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16，将第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16差动相减，即可得出如图4所示的差动共焦响应曲线17，并利用其绝对零点来精确定焦，进一步测得待测镜组轴向间隙。

装置的测量步骤是：

(1)启动主控计算机24中的测量软件，打开激光器22，激光器22发出的光线经光纤23传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜4和会聚透镜5后形成测量光束；

(2)在测量软件中输入被测透镜组6的参数，曲率半径从左往右依次为：r1＝195.426mm、r2＝-140.270mm、r3＝-140.258mm、r4＝400.906mm，折射率从左往右依次为：n0＝1，n1＝1.5143，n2＝1，n3＝1.668615；

(3)将被测透镜组6固定在五维调整架27上，测量光束照射在被测透镜组6上，由被测透镜组6光学表面反射回来的测量光通过会聚透镜5、准直透镜4，由分束镜2反射，被d形后置光瞳7遮挡一半，透过的一半则进入分光瞳差动共焦探测系统8；

(4)通过调整五维调整架27，使被测透镜组6与测量光束共光轴，避免因光轴偏移而引起的测量误差；

(5)主控计算机24的测量软件通过电机驱动系统25控制直线导轨26轴向平移，进而带动被测透镜组6沿光轴方向扫描，分光瞳差动共焦测量系统8通过第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29分别得到第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16，将第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16差动相减得到差动共焦响应曲线17，对差动共焦响应曲线线性段18进行线性拟合，通过绝对零点位置19确定测量光束焦点与被测透镜组6内透镜的各表面顶点相重合，并依次记录各重合点处被测透镜组6的位置坐标z1～z4，测得z1＝0.16215mm，z2＝-7.8946mm，z3＝-8.2271mm，z4＝-14.5258mm；

(6)主控计算机24中的测量软件结合被测透镜组6的参数由以下的光线追迹递推公式

可递推计算得到两透镜之间轴向间隙d＝0.3178mm。

实施例2

如图5所示，后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量装置，其测量步骤是：

(1)启动主控计算机24中的测量软件，打开激光器22，激光器22发出的光线经光纤23传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜4和会聚透镜5后形成测量光束；

(2)在测量软件中输入被测透镜组6的参数，曲率半径从左往右依次为：r1＝195.426mm、r2＝-140.270mm、r3＝-140.258mm、r4＝400.906mm，折射率从左往右依次为：n0＝1，n1＝1.5143，n2＝1，n3＝1.668615；

(3)将被测透镜组6固定在五维调整架27上，测量光束照射在被测透镜组6上，由被测透镜组6光学表面反射回来的测量光通过会聚透镜5、准直透镜4，由分束镜2反射，被圆形后置分光瞳30遮挡一半，透过的一半则进入分光瞳差动共焦探测系统8；

(4)通过调整五维调整架27，使被测透镜组6与测量光束共光轴，避免因光轴偏移而引起的测量误差；

(5)主控计算机24的测量软件通过电机驱动系统25控制直线导轨26轴向平移，进而带动被测透镜组6沿光轴方向扫描，分光瞳差动共焦测量系统8通过第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29分别得到第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16，将第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16差动相减得到差动共焦响应曲线17，对差动共焦响应曲线线性段18进行线性拟合，通过绝对零点位置19确定测量光束焦点与被测透镜组6内透镜的各表面顶点相重合，并依次记录各重合点处被测透镜组6的位置坐标z1～z4，测得z1＝0.16215mm，z2＝-7.8946mm，z3＝-8.2271mm，z4＝-14.5258mm；

(6)主控计算机24中的测量软件结合被测透镜组6的参数由以下的光线追迹递推公式

可递推计算得到两透镜之间轴向间隙d＝0.3178mm。

如图5所示，后置分光瞳差动共焦轴向间隙测量装置，其与图4实施例中的后置分光瞳差动共焦轴向间隙测量装置的区别在于将d形后置光瞳7替换为圆形后置光瞳30。

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。