横向相减差动共焦镜组间隙测量方法与流程

本发明涉及横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，尤其涉及用于镜组间隙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，镜组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镜组组表面顶点进行定位，然后通过被测镜组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镜组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，具有对被测镜组组无损伤、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。

为了提高镜组间隙的测量精度，本发明提出了一种横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，该方法在差动共焦测量系统中，首先在ccd探测的艾里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，然后利用该差动共焦特性曲线零点与测量系统焦点精确对应这一特性对被测镜组间隙测量各顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算来精确得到透镜的折射率，进而实现镜组间隙的高精度测量。

技术实现要素：

是为了解决镜组间隙高精度测量难题，本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法的目的：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球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，进而提高镜组间隙测量中透镜顶点位置的定焦精度，以期实现镜组间隙的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，在差动共焦测量系统中，首先在ccd探测的艾里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，然后利用该差动共焦特性曲线零点与测量系统焦点精确对应的特性对被测镜组间隙测量各顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算精确得到透镜的折射率，进而实现镜组间隙的高精度测量。

本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，包括以下步骤：

a)打开点光源，点光源发出的光经分束镜、准直透镜和测量物镜后形成测量光束照射在被测镜组上；

b)调整被测镜组使其与测量物镜和准直透镜共光轴，使准直透镜出射的平行光束经测量物镜汇聚成聚焦测量光束聚焦在被测镜组顶点a上，被测镜组顶点反射的聚焦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差动共焦探测系统，测量光束形成焦前测量艾里斑后被焦前ccd探测器探测；

c)沿光轴方向测量物镜使聚焦测量光束的焦点与被测镜组的顶点a位置重合；在被测镜组顶点a位置附近轴向扫描测量物镜，将横向相减差动共焦探测系统中焦前大虚拟针孔探测域和焦前小虚拟针孔探测域分别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和焦后小虚拟针孔探测域分别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的距离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的距离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)进行差动相减即得到轴向高灵敏的横向相减差动共焦特性曲线id(z)：

id(z)＝i2(z,+um)-i1(z,-um)(1)

通过横向相减差动共焦特性曲线id(z)的拟合直线零点确定被测镜组的前表面顶点a，进而精确确定被测镜组的前表面顶点a的位置z1；

d)继续沿光轴方向移动测量物镜，使聚焦测量光束的焦点与被测镜组的后表面顶点b重合；在该透镜顶点b位置附近轴向扫描测量物镜，此时聚焦测量光束被被测镜组后表面顶点位置b原路反射进入横向相减差动共焦探测系统被探测。在该位置附近扫描测量物镜，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镜组的内表面顶点位置b，记录此时聚焦测量光束的焦点位置z2；

f)沿光轴方向移动测量物镜，使聚焦测量光束的焦点与被测镜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；在各表面顶点位置测量物镜，由横向相减差动共焦探测系统得到离散横向相减差动共焦特性曲线、离散横向相减差动共焦特性曲线、离散横向相减差动共焦特性曲线和离散横向相减差动共焦特性曲线，依次通过差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点确定测量光束精确定焦在被测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、…和zm，m为被测镜组组内透镜的总透光面数；

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

本发明所述的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，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。如公式(2)所示，定义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为聚焦测量光束会聚点的位置坐标。

根据以上公式(2)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′。

本发明所述的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，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相差对测量光束的影响，减少测量误差。

有益效果：

1)本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，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，使镜组间隙测量中被测镜组前后表面顶点位置的定焦精度显著提高，能够显著提升镜组间隙测量精度。

2)本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，在未增加硬件成本的情况下，能够提高差动共焦测量系统的测量精度。

3)本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，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)本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，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镜组间隙测量方法，本发明公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，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，能够显著提高镜组间隙测量精度。

附图说明

图1为本发明横向相减差动共焦镜组间隙测量方法示意图

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，其中：图2(a)为焦前横向相减锐化共焦特性曲线，图2(b)为焦后横向相减锐化共焦特性曲线

图3为本发明锐化共焦特性曲线横向相减差动相减示意图

图4为本发明横向相减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为本发明实施例横向相减差动共焦镜组间隙测量方法示意图；

图7为本发明实施例横向相减差动共焦镜组间隙测量结果图。

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-被测镜组、7-横向相减差动共焦探测系统、8-分光镜、9-焦前显微物镜、10-焦前ccd探测器、11-焦后显微物镜、12-焦后ccd探测器、13-焦前测量艾里斑、14-焦前大虚拟针孔探测域、15-焦前小虚拟针孔探测域、16-焦后测量艾里斑、17-焦后大虚拟针孔探测域、18-焦后小虚拟针孔探测域、19-焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线、20-焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线、21-焦前横向相减锐化共焦特性曲线、22-焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线、23-焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线、24-焦后横向相减锐化共焦特性曲线、25-横向相减差动共焦特性曲线、26-横向相减差动共焦特性曲线、27-差动共焦线性拟合直线、28-拟合直线零点、29-图像采集系统、30-主控计算机、31-多路电机驱动系统、32-轴向测量运动系统、33-五维调整系统、34-激光器、35-显微物镜、36-针孔、37-环形光瞳、38-横向相减差动共焦特性曲线、39-横向相减差动共焦特性曲线。

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。

本发明使用横向相减差动共焦镜组间隙测量方法来实现镜组间隙的高精度测量，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差动相减处理探测来实现镜组间隙测量中透镜顶点位置的定焦精度，进而达到提高镜组间隙测量精度的目的。

实施例：

如附图1～图6所示，本实施例公开的横向相减差动共焦镜组间隙测量方法，具体测量步骤是：

a)启动主控计算机30的测量软件，打开激光器28，激光器28发出的光经过图像采集系统29和针孔36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和测量物镜4后形成测量光束5照射在被测镜组6上。

b)调整被测镜组6使其与测量物镜4和准直透镜3共光轴，使准直透镜3出射的平行光束经测量物镜4汇聚成测量光束5聚焦在被测镜组6顶点a上，被测镜组6顶点反射的聚焦测量光束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差动共焦探测系统7，主控计算机30中的测量软件，通过图像采集系统29获得由焦前ccd探测器9采集到的焦前测量艾里斑10。

c)沿光轴方向测量物镜4使测量光束5的焦点与被测镜组6的顶点a位置重合；在该透镜顶点a位置附近相对轴向扫描测量物镜4，将横向相减差动共焦探测系统7中焦前大虚拟针孔探测域14和焦前小虚拟针孔探测域15分别探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线19ib1(z,-um)和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线20is1(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21i1(z,-um)＝is1(z,-um)-γib1(z,-um)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

大/小虚拟针孔探测域探测共焦特性曲线获取和优化方法为：在焦前ccd探测器10探测焦前测量艾里斑13的每帧图像上选取一个特定大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线ib(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is(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优化。

本实施例中大圆域直径选取11个像素，小圆域直径选取5个像素，取γ＝0.5，um＝2.98。

d)主控计算机30的测量软件将横向相减差动共焦探测系统7中焦后大虚拟针孔探测域17和焦后小虚拟针孔探测域18分别探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线22ib2(z,+um)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线23is2(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24i2(z,+um)＝is2(z,+um)-γib2(z,+um)；

e)将焦后横向相减锐化共焦特性曲线21i2(z,+um)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线24i1(z,-um)利用公式(1)进行差动相减即得到轴向高灵敏的横向相减差动共焦特性曲线25id(z)id(z)＝i2(z,+um)-i1(z,-um)；

f)主控计算机30的测量软件对通过离散横向相减差动共焦特性曲线25id(z)的拟合直线零点28确定被测镜组6的前表面顶点a，进而精确确定被测镜组6的前表面顶点a的位置z1，记录此时被测镜组6的透镜顶点位置z1＝0.1622mm；

g)主控计算机30通过多路电机驱动系统31和轴向测量运动系统32控制五维调整系统33继续沿测量物镜4的光轴方向相向移动测量物镜4，，使测量光束5的焦点依次与被测镜组6的后表面顶点b、c和d重合；在该镜组透镜各顶点b、c和d位置附近轴向扫描被测镜组6，由横向相减差动共焦探测系统7依次通过处理测得的焦前测量艾里斑13和焦后测量艾里斑16分别得到焦前锐化共焦特性曲线21和焦后锐化共焦特性曲线24后再进行差动相减处理得到与被测镜组6的透镜表面顶点b、c和d对应的横向相减差动共焦特性曲线26、横向相减差动共焦特性曲线38和横向相减差动共焦特性曲线39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镜组6的后表面顶点位置b、c和d，记录此时被测镜组6后表面顶点位置z2＝-7.8946mm、z3＝-8.2271mm和z4＝-14.5258mm；

h)主控计算机30在测量软件中输入被测镜组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，测量结果如图7所示；

i)主控计算机30根据被测镜组6的参数由以下光线追迹递推公式

递推计算得到两透镜之间轴向间隙d＝0.3178mm。

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。