[發(fā)明專利]雙邊錯位差動共焦鏡組軸向間隙測量方法

有效

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• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN109883343B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙維謙;邱麗榮
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/14
• 分類號: G01B11/14
• 代理公司: 11639 北京理工正陽知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明公開的雙邊錯位差動共焦鏡組軸向間隙測量方法，屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在共焦測量系統(tǒng)中，首先在CCD探測的艾里斑圖像上設(shè)置大、小虛擬針孔探測區(qū)域，并將其探測的兩條共焦特性曲線通過相減處理來銳化共焦特性曲線，其次將銳化共焦特性曲線進行雙邊錯位差動相減處理得到軸向高靈敏的差動共焦特性曲線，然后利用該雙邊錯位差動共焦特性曲線零點與共焦測量系統(tǒng)焦點精確對應(yīng)的特性對被測鏡組內(nèi)外頂點位置進行高精度定焦尋位，最后通過光線追跡補償計算精確得到被測鏡組軸向間隙。與已有的鏡組間隙測量方法相比，本發(fā)明具有測量精度高、抗環(huán)境干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，在光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及雙邊錯位差動共焦鏡組軸向間隙測量方法，可用于鏡組間隙的非接觸式高精度測量，屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在光學(xué)領(lǐng)域中，鏡組間隙的測量具有重要意義。光刻機物鏡、航天相機等高性能光學(xué)系統(tǒng)的裝配過程中，需要根據(jù)鏡頭中透鏡的曲率半徑和折射率對透鏡軸向間隙、徑向偏移和光軸偏角進行精密的調(diào)整。以光刻機物鏡為例，每個單透鏡的軸向間隙偏差都會造成光刻物鏡的球差、像散、慧差、畸變等像差，影響物鏡的成像質(zhì)量。為了把軸向偏差控制到最小，需要對透鏡軸向間隙的測量精度達到微米量級。

目前，鏡組內(nèi)各透鏡之間的間隙主要依靠機械加工與裝配的精度來保證，裝配過程中可以通過接觸式測高的方法，結(jié)合單透鏡的厚度計算透鏡間的間隙。Mirau干涉儀可以通過代替接觸式方法對安裝過程中的單片透鏡外表面進行高精度定位，實現(xiàn)準(zhǔn)確的透鏡裝配，但卻無法深入鏡組內(nèi)部對多個透鏡表面進行高精度定位。

國內(nèi)外現(xiàn)有的軸向間隙測量的方法可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。

接觸式測量通常有兩種：一是測量前一透鏡的上頂點與后一透鏡的上頂點的距離，然后減去透鏡厚度。二是測量球面頂點到鏡座端面的距離。接觸式測量的主要缺點是容易劃傷透鏡表面。為避免劃傷，通常在測量頭與被測表面之間加一層保護紙，因此測量精度較低。有些鍍有特殊膜層的表面，嚴禁接觸式測量。對于已經(jīng)裝配完成的鏡組，則需要拆卸后進行測量，拆卸和重新裝配過程都會引入誤差，所以接觸式測量不適用于間隙的高精度測量。

非接觸式間隙測量主要有圖像測量法、白光共焦法和干涉法。

2005年《傳感器技術(shù)》中發(fā)表的《基于圖像測量技術(shù)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(shù)的在線測量方案，將間隙通過光學(xué)系統(tǒng)在CCD攝像機中成的像送交圖像測量軟件處理和分析，由測量軟件給出結(jié)果。在鏡組裝配過程中，可以實時測量多個透鏡之間的軸向間隙。但由于受攝像機成像系統(tǒng)、CCD分辨力、圖像清晰程度和標(biāo)定系數(shù)精確度等的影響，難以達到較高的測量精度，測量誤差在0.015mm以內(nèi)。同時對于已經(jīng)裝配完成的鏡組，需要拆卸后進行測量，所以圖像測量法也不適用于鏡組間隙的高精度測量。

2005年在《GLASS SCIENCEAND TECHNOLOGY》中發(fā)表的《Noncontact measurementofcentral lens thickness》一文中，采用白光共焦法測量透鏡中心厚度。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鏡組組表面頂點進行定位，然后通過被測鏡組組上下表面頂點反射的光譜信息計算透鏡的厚度。此方法也可以應(yīng)用于測量鏡組之間的軸向間隙，其特點在于能夠?qū)崿F(xiàn)實時測量，但白光是非相干光，定焦靈敏度和分辨力較低，工作距離有限(30μm-25mm)。特別是很難準(zhǔn)確已知被測鏡組組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，由于此項參數(shù)對測量結(jié)果的影響較大，所以這種方法在實際應(yīng)用中很難達到較高的測量精度。