[发明专利]共焦透镜中心厚度测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于透镜中心厚度的非接触高精度测量。

技术背景

在光学领域中，透镜中心厚度的测量具有重要意义。透镜中心厚度是光学系统中的一个重要参数，其加工质量的好坏会对光学系统的成像质量产生较大影响。特别是对于光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统中的透镜，需要根据镜头中透镜的曲率半径、折射率和中心厚度对透镜的轴向间隙、径向偏移和光轴偏角进行精密的调整。以光刻机物镜为例，每个单透镜中心厚度的偏差都会造成光刻物镜的像差，影响物镜的成像质量。目前应用较为广泛的“数码镜头”和“CCD扫描镜头”，其透镜中心厚度的精度一般为几微米，也需要有高精度的仪器来测量和检验，因此透镜中心厚度是光学零件必检和严格控制的项目之一。

目前，透镜中心厚度测量技术可分为接触式测量和非接触式测量两种。

接触式测量，一般使用手持千分表或千分尺测量。测量时，透镜中心点位置的准确性将直接影响测量精度，因此检验员在测量时要来回移动被测透镜，寻找最高点(凸镜)或最低点(凹镜)，因而测量速度慢，误差大，而且目前使用的高透过光学材料，材质较软，测量时测头在透镜表面移动，容易划伤透镜表面。

针对接触式测量存在的问题，国内学者也进行了相关研究。在1999年《实用测试技术》中发表的《光栅数显式透镜厚度测量仪》一文中，作者设计了一种用光栅传感器作为精密长度测量器件所构成的透镜中心厚度测量仪，根据不同类型的光学透镜及测量精度要求，可采用不同形式的测头及测量座组合进行测量，将测量精度提高到1μm。中国专利“测量光学透镜中心厚度的装置”(专利号：200620125116.9)，采用了在测量立柱上部放置被测透镜冶具的方法，避免了寻找透镜表面顶点时测头在透镜表面来回移动对透镜所造成的损伤。

非接触式测量常有图像测量法、共面电容法、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。这种方法也可以应用于透镜中心厚度的测量，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，测量误差在15μm以内。

在1994年《仪器仪表学报》中发表的《光学透镜中心厚度自动检测仪》一文中，利用共面电容法测量透镜中心厚度。其采用的是相对测量的方法，即首先根据要求把电容测头与基准面调整到某一固定距离；然后将被测透镜放在基准面上，被测透镜与测头之间存在空气间隙，不同的透镜厚度对应不同的空气间隙和不同的测头电容；最后通过电路测量出相应于电容而变化的电压信号，就可以找出被测透镜厚度的相对变化，此方法的分选精度小于5μm。但这种方法测量前需要已知被测透镜材料的信号电压与空气间隙的关系曲线，在工程实际中，必须对共面电容测头进行精确测试，以取得可靠数据作为检测依据。

2005年在《GLASS SCIENCE AND TECHNOLOGY》中发表的《Noncontact measurement of central lens thickness》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表面顶点进行定位，然后通过被测透镜上下表面顶点反射的光谱信息计算透镜的厚度。此方法的特点在于能够实现实时测量，但白光是非相干光，定焦灵敏度和分辨率较低，工作距离有限(30μm-25mm)。特别是很难准确已知被测透镜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，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实现高精度测量。

中国专利“光学元件厚度的光学测量仪器”(专利号：87200715)，利用双干涉系统对透镜中心厚度进行非接触测量。该仪器由两个迈克尔逊干涉系统组成，根据白光干涉条纹对被测透镜的两个表面进行定位，并将被测透镜与标准块比较以求得被测透镜的中心厚度。可对胶合透镜，可见光不透明的光学元件，未知材料的光学元件等实现非接触测量。但这种仪器的结构比较复杂，测量过程中需要更换元件，其测量精度不仅取决于多个表面的定位精度，还依赖于标准块已知厚度的精度，同时为了提高测量精度，需要选取与被测透镜厚度相近的标准块。