后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术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，属于光学精密测量技术领域。本方法利用后置光瞳遮挡一半测量光束，使用分光瞳激光差动共焦探测系统对测量光束进行探测，利用差动共焦响应曲线的绝对零点分别对被测镜组的各表面位置进行定焦，通过光线追迹及其补偿模型计算镜组内各轴向间隙。本发明专利技术首次将后置分光瞳激光差动共焦技术用于镜组轴向间隙的高精度检测，仅用一路探测器即可实现差动共焦定焦，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，消除各定焦表面参数之间的影响，并通过线性拟合绝对零点附近的数据实现快速触发定焦，避免了更换被测镜可能导致的定焦精度下降，测量速度、精度及抗散射能力大大提升。

Measuring method and device for axial clearance of post-splitting pupil laser differential confocal lens group

The invention relates to a method and device for measuring the axial clearance of a post-splitting pupil laser differential confocal lens group, belonging to the technical field of optical precision measurement. In this method, half of the measured beam is occluded by the posterior pupil, and the measured beam is detected by the differential confocal laser detection system. The absolute zeros of the differential confocal response curve are used to fix the focal points of each surface position of the measured lens group, and the axial clearances of the lens group are calculated by ray tracing and compensation model. For the first time, the post-splitting pupil laser differential confocal technology is applied to the high-precision detection of the axial clearance of the lens set. Differential confocal focusing can be achieved by only one detector. The laser differential confocal technology and ray tracing technology are organically fused to eliminate the influence between the parameters of the fixed surface, and the fast trigger focusing can be realized by linearly fitting the data near the absolute zero point, thus avoiding the problem. The change of the measured mirror may result in the decrease of the focusing accuracy, and the improvement of the measuring speed, accuracy and anti-scattering ability.

【技术实现步骤摘要】
后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置
本专利技术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

技术介绍
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。本专利技术人曾于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。本专利技术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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术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′。本专利技术所述的后置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、点光源(1)发出的测量光束经分束镜(2)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后形成测量光束照射在被测透镜组(6)上；步骤二、调整被测透镜组(6)，使被测透镜组(6)与测量光束共光轴，由被测透镜组(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)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(11)；步骤三、沿光轴方向移动被测透镜组(6)，使测量光束的焦点与被测透镜组(6)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，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线(17)的过零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜组(6)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(6)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(6)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′。

【技术特征摘要】
1.后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、点光源(1)发出的测量光束经分束镜(2)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后形成测量光束照射在被测透镜组(6)上；步骤二、调整被测透镜组(6)，使被测透镜组(6)与测量光束共光轴，由被测透镜组(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)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(11)；步骤三、沿光轴方向移动被测透镜组(6)，使测量光束的焦点与被测透镜组(6)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，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线(17)的过零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜组(6)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(6)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(6)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′。2.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，其特征在于：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，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-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′。3.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦镜组轴向间隙测量方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，杨帅，王允，卜乙禄，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11