中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法与装置

本发明属于精密光学检测领域，涉及一种高精度镜组间隔探测方法与装置，特别涉及中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法与装置，用于光学成像镜头等精密光学镜组的镜组间隔参数高精度测量。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、后续有学者提出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。

8、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”，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。

9、由此可见，光学定位法可以通过对光学镜组进行层析定焦得到镜组的间隔，但是定位测量曲率半径要求被测镜组轴线与测量光轴重合，否则会引入离轴误差，当被测镜组较大时，离轴误差会成为测量的主要误差来源，因此如何保证被测镜组轴线与测量光轴轴线重合成为保障镜组间隔测量精度的关键。

技术实现思路

1、为了解决定焦法测量镜组间隔的阿贝误差的问题，本发明的目的是提供一种中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法与装置，实现对被测元件偏心和离轴量的高精度调整补偿，确保对被测镜组的轴线与测量光轴的重合，提高被测镜组透镜间隔的测量精度。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法，利用光路自准直原理对被测镜组进行偏心监测，结合五维调整结构对被测镜组的安装偏心和倾斜位姿误差进行补偿，保证被测镜组轴线与测量光轴严格重合，从而消除阿贝误差；利用激光差动共焦光路对被测镜组间隔上顶点和下顶点进行高分辨定焦，实现对被测镜组参数的高分辨、高精度测量。

4、本发明公开的中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法，包括如下步骤：

5、步骤一、点光源发出发散光束被分光镜一反射后透过分光镜二并被准直镜准直为平行光，平行光被测量物镜会聚后聚焦到被测样品上，当被测样品的球心位置位于测量物镜焦点附近时光束被反射会光路中，依次经过测量物镜、准直镜后被分光镜二分为两束，其中透射光束会聚到图像探测系统上形成聚焦光斑；反射光束被分光镜三分为两束，被分别位于准直镜焦点前后等量反向离焦的点探测器一和点探测器二所探测；

6、步骤二、驱动被测样品做回转运动，则图像探测系统上的聚焦光斑会运动形成轨迹圆，轨迹圆的半径值反应了被测样品的偏心量；

7、步骤三、对被测样品进行平移和旋转调节，调整被测样品的倾角量和位移量，观察轨迹圆半径的变化趋势，依次迭代调整被测样品的倾角量和位移量，直至轨迹圆半径缩小为零，即聚焦光斑不再随着被测样品的回转而发生运动，即说明被测样品的轴线与测量光路光轴重合；

8、步骤四、驱动测量光路对被测样品进行上下扫描，并实时监测点探测器一和点探测器二探测得到的光强信号，差动处理器对两探测器探测得到的光强信号进行做差相减，得到差动曲线，当被测样品的镜组间隔上顶点位于测量物镜焦点附近时，通过光路轴向扫描得到镜组间隔上顶点差动共焦曲线，镜组间隔上顶点差动共焦曲线的过零点准确对应被测样品的上顶点位置；当被测样品的镜组间隔下顶点位于测量物镜焦点附近时，通过光路轴向扫描得到镜组间隔下顶点差动共焦曲线，共焦点差动共焦曲线的过零点准确对应被测样品的镜组间隔下顶点位置，测量得到上顶点位置的位置坐标za和下顶点位置的位置坐标zb，即计算得到被测样品的厚度l2：

9、

10、其中r1和r2为被测样品的上表面曲率半径，θ为测量物镜的出射光束孔径角。

11、进一步的，被测样品包括双片镜组结构、多片镜组结构。

12、进一步的，测量物镜包括不同数值孔径参数，适应不同口径和不同间隔范围的被测样品。

13、本发明公开的中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量装置，用于实现中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法，所述中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量装置，包括入点光源、位于点光源出射方向的分光镜一，位于分光镜一反射方向的分光镜二、准直镜、测量物镜、被测样品，位于分光镜二反射方向的分光镜三和点探测器二，位于分光镜三反射方向的点探测器一，位于分光镜一反射方向反方向的图像探测系统。

14、作为优选，点光源由激光器和光源会聚镜构成。

15、作为优选，点探测器以由放大镜一和光强探测器一构成；点探测器二由放大镜二和光强探测器二构成。

16、作为优选，图像探测系统由ccd构成，或由图像放大镜和ccd构成。

17、作为优选，被测样品回转驱动由回转工作台驱动，回转工作台由轴承、调心调倾工作台、联轴结、电机和电机驱动器组成。

18、有益效果：

19、1、本发明公开的中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法与装置，对自准直光路和差动共焦定焦光路进行共路设计，利用自准直光路对被测元件偏心和离轴量进行测量，结合五维调整消除被测元件偏心和离轴量，实现被测元件轴线与测量光轴重合；利用激光差动共焦光路对被测镜组各个透镜顶点进行高精度层析定焦，提升镜组间隔测量中的层析定焦精度，进而提高球镜组透镜间隔测量的精度。

20、2、本发明公开的中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法与装置，采用自准直-旋转偏心测量法，实现对被测样品的偏心和离轴量精确测量，便于元件位姿误差调整，可以不受被测元件边缘装卡结构和磨边形状等因素影响，直接测量被测元件面形轴线，实现被测元件偏心量的高精度测量。

21、3、本发明公开的中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法与装置，通过五维调整对被测元件的偏心和离轴量进行补偿，结合自准直-旋转偏心测量技术对被测元件的位姿误差进行精确调整，消除测量阿贝误差，提高透镜厚度参数的测量精度，可以适用于两片、多片等不同镜组结构，拓宽样品适应范围。

22、4、本发明公开的中心偏差监测调整激光差动共焦镜组间隔测量方法与装置，采用激光差动共焦共路定焦探测，有效抑制被测元件表面面形、环境气流等影响，实现对被测镜组间隔的上顶点和下顶点的高精度轴向定焦，实现对被测镜组间隔参数的高精度测量。