白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)及方法，屬于光學(xué)精密測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有透鏡中心厚度測(cè)量裝置測(cè)量精度低、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，包括超連續(xù)譜光源、光電探測(cè)器、1:1光纖耦合器、測(cè)量臂、參考臂、第一光纖、第二光纖和數(shù)據(jù)處理單元；其中，測(cè)量臂包括第三光纖和調(diào)焦鏡，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(jī)構(gòu)和測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度可以達(dá)到0.2μm(3σ)，動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到1.5m。
【專利說(shuō)明】白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)及方法，屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù) 領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)領(lǐng)域，透鏡的三項(xiàng)基本參數(shù)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(jìn)而影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能。 在光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)中，透鏡的光軸偏角、徑向偏移和軸向間隙需要根據(jù)透鏡的中心厚度來(lái) 進(jìn)行精密的調(diào)整，因此透鏡中心厚度的測(cè)量精度越高，裝調(diào)難度及成本就越低。隨著光刻機(jī) 物鏡、核聚變光學(xué)系統(tǒng)等超精密工程的出現(xiàn)，對(duì)包括透鏡中心厚度在內(nèi)的所有光學(xué)參數(shù)提 出了更為嚴(yán)格的要求。無(wú)論是為了保證光學(xué)透鏡加工滿足設(shè)計(jì)公差要求，還是為了降低裝 調(diào)難度及成本，都需要有高精度的光學(xué)檢測(cè)儀器對(duì)其參數(shù)進(jìn)行逐項(xiàng)檢測(cè)，進(jìn)而消除其加工 偏差。
[0003] 目前，測(cè)量透鏡厚度技術(shù)可以分為接觸式和非接觸式兩種。
[0004] 接觸式測(cè)量，一般是用手持千分表或千分尺測(cè)量。測(cè)量時(shí)，透鏡中心點(diǎn)位置的準(zhǔn)確 性將直接影響測(cè)量精度，因此檢驗(yàn)員在測(cè)量時(shí)需要來(lái)回移動(dòng)被測(cè)量透鏡，尋找最高點(diǎn)（凸 透鏡）或最低點(diǎn)（凹透鏡），因而測(cè)量速度慢，誤差大，且測(cè)頭的頻繁移動(dòng)容易劃傷鏡片表 面。
[0005] 非接觸測(cè)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(cè)量受攝像機(jī)成像系統(tǒng)、CCD分辨力、圖像清晰度和標(biāo)定系數(shù)精確度的影響，測(cè)量誤差在 15μπι以內(nèi)。共面電容法是相對(duì)測(cè)量，為了取得可靠數(shù)據(jù)作為檢測(cè)的依據(jù)，則需要共面電容 測(cè)頭對(duì)被測(cè)透鏡的材料進(jìn)行精確測(cè)試，測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，不利于用在透鏡中心厚度測(cè)量上，測(cè) 量誤差約5 μ m。白光共焦法利用白光通過(guò)透鏡后軸向色差形成的探針對(duì)被測(cè)透鏡表面頂點(diǎn) 進(jìn)行定位，然后通過(guò)被測(cè)透鏡上下表面頂點(diǎn)反射的光譜信息計(jì)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（30 μ m-25mm)。
[0006] 干涉法透鏡中心厚度測(cè)量裝置主要有以下兩種：第一種為一種光學(xué)元件厚度的 光學(xué)測(cè)量?jī)x器（CN87200715)，該儀器包含兩個(gè)邁克爾遜干涉系統(tǒng)，根據(jù)白光干涉條紋對(duì)被 測(cè)透鏡的兩個(gè)表面進(jìn)行定位，然后將被測(cè)透鏡與標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行比較以求得被測(cè)透鏡的中心厚 度。但是，該測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量過(guò)程需更換元件，測(cè)量精度不僅取決于多個(gè)表面的 定位精度，還依賴于標(biāo)準(zhǔn)塊已知厚度的精度。第二種是法國(guó)Fogale Nanotech公司推出 的LenScan系列產(chǎn)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(dòng)， 找尋不同白光干涉條紋，實(shí)現(xiàn)不同鏡面位置的精確定位。LenScan系列產(chǎn)品的最大測(cè)量動(dòng) 態(tài)范圍是600mm(光學(xué)厚度），寬帶光源的中心波長(zhǎng)約為1310nm，帶寬為30nm，相干長(zhǎng)度為 25 μ m，空氣間隔測(cè)量精度達(dá)到0. 3 μ m(3 〇 )，而且在實(shí)際測(cè)量中，受測(cè)量環(huán)境、掃描鏡的穩(wěn) 定性、光強(qiáng)的抖動(dòng)等影響，透鏡中心厚度測(cè)量精度約2 μ m(3 〇 )。
[0007] 在光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)的光學(xué)復(fù)算和系統(tǒng)裝調(diào)中，對(duì)透鏡中心厚度和間隔測(cè)量的精度 要求達(dá)0. 5 μ m(3 σ )，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍期望在1. Om以上?，F(xiàn)有技術(shù)中的透鏡中心厚度測(cè)量裝 置無(wú)法滿足該要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有透鏡中心厚度測(cè)量裝置測(cè)量精度低、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍 小的技術(shù)問(wèn)題，提供一種白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)及方法。
[0009] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：
[0010] 白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，包括超連續(xù)譜光源、光電探測(cè)器、1:1光纖耦合 器、測(cè)量臂、參考臂、第一光纖、第二光纖和數(shù)據(jù)處理單元；
[0011] 所述測(cè)量臂包括第三光纖和調(diào)焦鏡；
[0012] 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(jī)構(gòu)和 測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)；
[0013] 所述調(diào)焦鏡和被測(cè)透鏡同光軸；
[0014] 所述位移機(jī)構(gòu)包括位移導(dǎo)軌和可以在位移導(dǎo)軌上作掃描運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)支架，所述掃 描角反射鏡固定在移動(dòng)支架的一側(cè)，所述測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)的測(cè)量角反射鏡固定移動(dòng)支架 的另一側(cè)，掃描角反射鏡的光軸與測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)的光軸平行，移動(dòng)支架沿掃描角反射鏡 的光軸方向運(yùn)動(dòng)，測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)測(cè)量移動(dòng)支架的位移量，并將位移量傳輸至數(shù)據(jù)處理單 元；
[0015] 所述超連續(xù)譜光源發(fā)射的白光經(jīng)第一光纖傳輸至1:1光纖耦合器，分成兩束，一 束經(jīng)第三光纖入射調(diào)焦鏡，然后經(jīng)調(diào)焦鏡入射被測(cè)透鏡，再經(jīng)被測(cè)透鏡的前后表面依次反 射后，沿原路返回1:1光纖耦合器；另一束經(jīng)第四光纖入射自聚焦透鏡，然后經(jīng)自聚焦透 鏡入射掃描角反射鏡，再經(jīng)掃描角反射鏡反射至平面反射鏡，又經(jīng)平面反射鏡反射后沿原 路返回1:1光纖耦合器，測(cè)量臂的出射光和參考臂的出射光經(jīng)1:1光纖耦合器耦合進(jìn)入第 二光纖并產(chǎn)生干涉光信號(hào)，光電探測(cè)器接收來(lái)自第二光纖的干涉光信號(hào)，并將干涉光信號(hào) 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)干涉光信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)合測(cè)長(zhǎng)干 涉儀系統(tǒng)測(cè)量的移動(dòng)支架的位移量，得到極大干涉光信號(hào)中心位置對(duì)應(yīng)的移動(dòng)支架的位移 量，并根據(jù)該位移量計(jì)算被測(cè)透鏡的中心厚度；
[0016] 所述自聚焦透鏡入射掃描角反射鏡的光路和掃描角反射鏡入射平面反射鏡的光 路平行。
[0017] 進(jìn)一步的，所述超連續(xù)譜光源的波長(zhǎng)范圍是470-1700nm。
[0018] 進(jìn)一步的，所述第三光纖長(zhǎng)度與第四光纖長(zhǎng)度相等。
[0019] 進(jìn)一步的，所述調(diào)焦鏡為連續(xù)調(diào)焦系統(tǒng)。
[0020] 進(jìn)一步的，所述測(cè)量系統(tǒng)還包括，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理單元的主控計(jì)算機(jī)，所述主控計(jì)算 機(jī)分別與光電探測(cè)器和測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)連接。
[0021] 進(jìn)一步的，所述測(cè)量系統(tǒng)還包括，控制移動(dòng)支架運(yùn)動(dòng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。
[0022] 進(jìn)一步的，所述測(cè)量系統(tǒng)還包括，固定被測(cè)透鏡并調(diào)整被測(cè)透鏡光軸的調(diào)整架。
[0023] 進(jìn)一步的，所述測(cè)量系統(tǒng)還包括對(duì)測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度和氣壓進(jìn)行控制的環(huán)境 控制系統(tǒng)。
[0024] 進(jìn)一步的，所述極大白光干涉信號(hào)的中心位置通過(guò)重心算法判斷。
[0025] 上述白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)透鏡中心厚度方法，包括以下步驟：
[0026] 步驟一、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)輸入的相關(guān)參數(shù)計(jì)算在溫度?\、壓強(qiáng)Pi和測(cè)長(zhǎng)干涉以 系統(tǒng)的激光頭波長(zhǎng)λ i下的空氣折射率化，在溫度!\、壓強(qiáng)Pi和超連續(xù)譜光源波長(zhǎng)λ 2下的 空氣群折射率η2，及在溫度Τ2、壓強(qiáng)Ρ2和超連續(xù)譜光源波長(zhǎng)λ 2下被測(cè)透鏡的群折射率η3 ;
[0027] 步驟二、調(diào)節(jié)被測(cè)透鏡和調(diào)焦鏡同光軸，使被測(cè)透鏡前后表面的反射光均能通過(guò) 調(diào)焦鏡返回1:1光纖耦合器；
[0028] 步驟三、控制移動(dòng)支架沿掃描角反射鏡光軸方向做掃描運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)光 電探測(cè)器獲取的干涉光信號(hào)進(jìn)行處理，得到極大干涉光信號(hào)中心位置對(duì)應(yīng)的移動(dòng)支架的位 移量Zi和Ζ 2 ;
[0029] 步驟四、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)以下公式：
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括超連續(xù)譜光源（1)、光電探測(cè)器 (2)、1:1光纖耦合器（3)、測(cè)量臂（4)、參考臂（5)、第一光纖（6)、第二光纖（7)和數(shù)據(jù)處理 單元； 所述測(cè)量臂（4)包括第三光纖（8)和調(diào)焦鏡（10); 所述參考臂（5)包括第四光纖（9)、自聚焦透鏡（12)、掃描角反射鏡（13)、平面反射鏡 (14)、位移機(jī)構(gòu)（15)和測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)（16); 所述調(diào)焦鏡（10)和被測(cè)透鏡（11)同光軸； 所述位移機(jī)構(gòu)（15)包括位移導(dǎo)軌（152)和可以在位移導(dǎo)軌（152)上作掃描運(yùn)動(dòng)的移 動(dòng)支架（151)，所述掃描角反射鏡（13)固定在移動(dòng)支架（151)的一側(cè)，所述測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng) (16)的掃描角反射鏡（161)固定在移動(dòng)支架（151)的另一側(cè)，掃描角反射鏡（13)的光軸與 測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)（16)的光軸平行，移動(dòng)支架（151)沿掃描角反射鏡（13)的光軸方向運(yùn)動(dòng)， 測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)（16)測(cè)量移動(dòng)支架（151)的位移量，并將位移量傳輸至數(shù)據(jù)處理單元； 所述超連續(xù)譜光源（1)發(fā)射的光經(jīng)第一光纖（6)傳輸至1:1光纖耦合器（3)，分成兩 束，一束經(jīng)第三光纖（8)入射調(diào)焦鏡（10)，然后經(jīng)調(diào)焦鏡（10)入射被測(cè)透鏡（11)，再經(jīng)被 測(cè)透鏡（11)的前后表面依次反射后，沿原路返回1:1光纖耦合器（3)，另一束經(jīng)第四光纖 (9) 入射自聚焦透鏡（12)，然后經(jīng)自聚焦透鏡（12)入射掃描角反射鏡（13)，再經(jīng)掃描角反 射鏡（13)反射至平面反射鏡（14)，又經(jīng)平面反射鏡（14)反射后沿原路返回1:1光纖耦合 器（3)，測(cè)量臂（4)的出射光和參考臂（5)的出射光經(jīng)1:1光纖耦合器（3)耦合進(jìn)入第二光 纖（7)并產(chǎn)生干涉光信號(hào)，光電探測(cè)器（2)接收來(lái)自第二光纖（7)的干涉光信號(hào)，并將干涉 光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)干涉光信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)合 接收的測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng)（16)測(cè)量的移動(dòng)支架（151)的位移量，得到極大干涉光信號(hào)中心位 置對(duì)應(yīng)的移動(dòng)支架（151)的位移量，并根據(jù)該位移量計(jì)算被測(cè)透鏡（11)的中心厚度； 所述自聚焦透鏡（12)入射掃描角反射鏡（13)的光路和掃描角反射鏡（13)入射平面 反射鏡（14)的光路平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述超連續(xù) 譜光源（1)的波長(zhǎng)范圍是470-1700nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述第三光 纖（6)和第四光纖（7)的長(zhǎng)度相等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)焦鏡 (10) 為連續(xù)調(diào)焦系統(tǒng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包括運(yùn)行 數(shù)據(jù)處理單元的主控計(jì)算機(jī)（17)，所述主控計(jì)算機(jī)（17)分別與光電探測(cè)器（2)和測(cè)長(zhǎng)干涉 儀系統(tǒng)（16)連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包括，控制 移動(dòng)支架（151)運(yùn)動(dòng)的機(jī)電控制系統(tǒng)（18)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包括，固定 被測(cè)透鏡（11)并調(diào)整被測(cè)透鏡（11)光軸的調(diào)整架（19)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包括對(duì)測(cè) 量環(huán)境的溫度、濕度和氣壓進(jìn)行控制的環(huán)境控制系統(tǒng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述極大白 光干涉信號(hào)的中心位置通過(guò)重心算法判斷。
10. 權(quán)利要求1-9所述的白光干涉透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)透鏡中心厚度方法，其 特征在于，包括以下步驟： 步驟一、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)輸入的相關(guān)參數(shù)計(jì)算在溫度?\、壓強(qiáng)Pi和測(cè)長(zhǎng)干涉儀系統(tǒng) (16)的激光頭（162)波長(zhǎng)λ i下的空氣折射率^，在溫度!\、壓強(qiáng)Pi和超連續(xù)譜光源⑴波 長(zhǎng)λ2下的空氣群折射率n2，及在溫度T 2、壓強(qiáng)P2和超連續(xù)譜光源波長(zhǎng)λ2下被測(cè)透鏡（11) 的群折射率η 3 ; 步驟二、調(diào)節(jié)被測(cè)透鏡（11)和調(diào)焦鏡（10)同光軸，使被測(cè)透鏡（11)前后表面的反射 光均能通過(guò)調(diào)焦鏡（10)返回1:1光纖耦合器（3); 步驟三、控制移動(dòng)支架（151)沿掃描角反射鏡（13)光軸方向做掃描運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)處理單 元對(duì)光電探測(cè)器（2)獲取的干涉光信號(hào)進(jìn)行處理，得到極大干涉光信號(hào)中心位置對(duì)應(yīng)的移 動(dòng)支架（151)的位移量21和& ; 步驟四、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)以下公式：
計(jì)算得到被測(cè)透鏡（11)的中心厚度D。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK104154869SQ201410390204
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】彭石軍, 苗二龍, 王汝冬, 高松濤, 隋永新, 楊懷江 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所