[發明專利]差動共焦內調焦法透鏡光軸及厚度測量方法與裝置

有效

• 申請號: 201010121848.1
• 申請日: 2010-03-11
• 公開（公告）號: CN103123251A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發明（設計）人: 趙維謙;邱麗榮;楊佳苗;潘瑩瑩;孫若端;沙定國;蘇大圖
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01M11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光學精密測量技術領域，涉及一種差動共焦內調焦法透鏡光軸及厚度測量方法與裝置，可用于透鏡光軸及厚度的非接觸高精度測量。

技術背景

在光學領域中，透鏡光軸及厚度的測量具有重要意義。透鏡光軸及厚度是光學系統中的兩個重要參數，其加工質量的好壞會對光學系統的成像質量產生較大影響。特別是對于光刻機物鏡、航天相機等高性能光學系統中的透鏡，需要根據鏡頭中透鏡的光軸、曲率半徑、折射率和厚度對透鏡的間隙、徑向偏移和光軸偏角進行精密的調整。以光刻機物鏡為例，每個單透鏡光軸及厚度的偏差都會造成光刻機物鏡的像差，影響物鏡的成像質量。目前應用較為廣泛的“數碼鏡頭”和“CCD掃描鏡頭”，其透鏡光軸及厚度的精度一般為數十微米，需要有高精度的儀器來測量和檢驗，因此透鏡光軸及厚度是光學零件必檢和嚴格控制的項目之一。

目前，透鏡厚度測量技術可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。

接觸式測量，一般使用手持千分表或千分尺測量。測量時，透鏡中心點位置的準確性將直接影響測量精度，因此檢驗員在測量時要來回移動被測透鏡，尋找最高點(凸鏡)或最低點(凹鏡)，因而測量速度慢，誤差大，而且目前使用的高透過光學材料，材質較軟，測量時測頭在透鏡表面移動，容易劃傷透鏡表面。

針對接觸式測量存在的問題，國內學者也進行了相關研究。在1999年《實用測試技術》中發表的《光柵數顯式透鏡厚度測量儀》一文中，作者設計了一種用光柵傳感器作為精密長度測量器件所構成的透鏡厚度測量儀，根據不同類型的光學透鏡及測量精度要求，可采用不同形式的測頭及測量座組合進行測量，將測量精度提高到1μm。中國專利“測量光學透鏡中心厚度的裝置”(專利號：200620125116.9)，采用了在測量立柱上部放置被測透鏡冶具的方法，避免了尋找透鏡表面頂點時測頭在透鏡表面來回移動對透鏡所造成的損傷。

非接觸式測量常有圖像測量法、共面電容法、白光共焦法和干涉法。

2005年《傳感器技術》中發表的《基于圖像測量技術的裝配間隙在線測量研究》一文中，介紹了一種基于圖像測量技術的在線測量方案，將間隙通過光學系統在CCD攝像機中成的像經由圖像采集卡采集后送交圖像測量軟件處理和分析，由測量軟件給出結果。這種方法也可以應用于透鏡厚度的測量，但由于受攝像機成像系統、CCD分辨力、圖像清晰程度和標定系數精確度等的影響，測量誤差在15μm以內。

在1994年《儀器儀表學報》中發表的《光學透鏡中心厚度自動檢測儀》一文中，利用共面電容法測量透鏡厚度。首先根據要求把電容測頭與基準面調整到一個固定位置；然后把被測透鏡放在基準面上，測頭的電容量將隨著透鏡與測頭之間的間隙變化；最后通過電路測量出相應于電容而變化的電壓信號，就可以找出被測透鏡厚度的相對變化，此方法的分選精度小于5μm。但這種方法測量前需要已知被測透鏡材料的信號電壓與空氣間隙的關系曲線，在工程實際中，必須對共面電容測頭進行精確測試，以取得可靠數據作為檢測依據。

2005年在《GLASS?SCIENCE?AND?TECHNOLOGY》中發表的《Noncontact?measurement?of?central?lens?thickness》一文中，采用白光共焦法測量透鏡厚度。這種方法首先利用白光通過透鏡后軸向色差形成的探針對被測透鏡表面頂點進行定位，然后通過被測透鏡上下表面頂點反射的光譜信息計算透鏡的厚度。此方法的特點在于能夠實現實時測量，但白光是非相干光，定焦靈敏度和分辨率較低，工作距離有限(30μm-25mm)。特別是很難準確已知被測透鏡在不同波長處的折射率，一般都是通過測定特定波長處的折射率后插值所得，此項參數對測量結果的影響較大，所以這種方法在實際應用中很難實現高精度測量。

中國專利“光學元件厚度的光學測量儀器”(專利號：87200715)，利用雙干涉系統對透鏡厚度進行非接觸測量。該儀器由兩個邁克爾遜干涉系統組成，根據白光干涉條紋對被測透鏡的兩個表面進行定位，并將被測透鏡與標準塊比較以求得被測透鏡的厚度，對當前尚未解決的膠合透鏡。可見光不透明的光學元件，未知材料的光學元件等實現非接觸測量。