[發明專利]白光干涉透鏡中心厚度測量系統及方法

在審

• 申請號: 201410390204.0
• 申請日: 2014-08-08
• 公開（公告）號: CN104154869A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 彭石軍;苗二龍;王汝冬;高松濤;隋永新;楊懷江
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 王丹陽

技術領域

本發明涉及一種白光干涉透鏡中心厚度測量系統及方法，屬于光學精密測量技術領域。

背景技術

在光學領域，透鏡的三項基本參數是中心厚度、折射率和曲率半徑，其中透鏡中心厚度的加工精度將直接影響透鏡的焦距、像差等綜合性能，進而影響整個光學系統的性能。在光學系統的裝調中，透鏡的光軸偏角、徑向偏移和軸向間隙需要根據透鏡的中心厚度來進行精密的調整，因此透鏡中心厚度的測量精度越高，裝調難度及成本就越低。隨著光刻機物鏡、核聚變光學系統等超精密工程的出現，對包括透鏡中心厚度在內的所有光學參數提出了更為嚴格的要求。無論是為了保證光學透鏡加工滿足設計公差要求，還是為了降低裝調難度及成本，都需要有高精度的光學檢測儀器對其參數進行逐項檢測，進而消除其加工偏差。

目前，測量透鏡厚度技術可以分為接觸式和非接觸式兩種。

接觸式測量，一般是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需要來回移動被測量透鏡，尋找最高點(凸透鏡)或最低點(凹透鏡)，因而測量速度慢，誤差大，且測頭的頻繁移動容易劃傷鏡片表面。

非接觸測量法有圖像法、共面容法、白光共焦法和干涉法等。圖像法透鏡中心厚度測量受攝像機成像系統、CCD分辨力、圖像清晰度和標定系數精確度的影響，測量誤差在15μm以內。共面電容法是相對測量，為了取得可靠數據作為檢測的依據，則需要共面電容測頭對被測透鏡的材料進行精確測試，測量過程復雜，不利于用在透鏡中心厚度測量上，測量誤差約5μm。白光共焦法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。但該方法定焦靈敏度和分辨力較低，且工作距離有限(30μm-25mm)。

干涉法透鏡中心厚度測量裝置主要有以下兩種：第一種為一種光學元件厚度的光學測量儀器(CN87200715)，該儀器包含兩個邁克爾遜干涉系統，根據白光干涉條紋對被測透鏡的兩個表面進行定位，然后將被測透鏡與標準塊進行比較以求得被測透鏡的中心厚度。但是，該測量裝置結構復雜，測量過程需更換元件，測量精度不僅取決于多個表面的定位精度，還依賴于標準塊已知厚度的精度。第二種是法國Fogale?Nanotech公司推出的LenScan系列產品，采用短相干光源搭建邁克爾遜干涉儀，利用掃描參考鏡的精確移動，找尋不同白光干涉條紋，實現不同鏡面位置的精確定位。LenScan系列產品的最大測量動態范圍是600mm(光學厚度)，寬帶光源的中心波長約為1310nm，帶寬為30nm，相干長度為25μm，空氣間隔測量精度達到0.3μm(3σ)，而且在實際測量中，受測量環境、掃描鏡的穩定性、光強的抖動等影響，透鏡中心厚度測量精度約2μm(3σ)。

在光刻機物鏡系統的光學復算和系統裝調中，對透鏡中心厚度和間隔測量的精度要求達0.5μm(3σ)，測量動態范圍期望在1.0m以上。現有技術中的透鏡中心厚度測量裝置無法滿足該要求。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有透鏡中心厚度測量裝置測量精度低、測量動態范圍小的技術問題，提供一種白光干涉透鏡中心厚度測量系統及方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案如下：

白光干涉透鏡中心厚度測量系統，包括超連續譜光源、光電探測器、1:1光纖耦合器、測量臂、參考臂、第一光纖、第二光纖和數據處理單元；

所述測量臂包括第三光纖和調焦鏡；

所述參考臂包括第四光纖、自聚焦透鏡、掃描角反射鏡、平面反射鏡、位移機構和測長干涉儀系統；

所述調焦鏡和被測透鏡同光軸；

所述位移機構包括位移導軌和可以在位移導軌上作掃描運動的移動支架，所述掃描角反射鏡固定在移動支架的一側，所述測長干涉儀系統的測量角反射鏡固定移動支架的另一側，掃描角反射鏡的光軸與測長干涉儀系統的光軸平行，移動支架沿掃描角反射鏡的光軸方向運動，測長干涉儀系統測量移動支架的位移量，并將位移量傳輸至數據處理單元；