雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件參數(shù)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件參數(shù)測(cè)量方法，屬于光學(xué)元件參數(shù)精密測(cè) 量技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 在光學(xué)元件參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，由于受衍射極限的影響，測(cè)量聚焦光束的聚焦定位能 力受到制約，并成為元件曲率半徑、透鏡厚度、折射率、焦距與間隔等參數(shù)高精度測(cè)量的技 術(shù)瓶頸。
[0003] 實(shí)際上，元件曲率半徑、透鏡厚度、透鏡折射率、透鏡焦距與鏡組間隔參數(shù)均為尺 寸長(zhǎng)度參量。目前激光干設(shè)測(cè)長(zhǎng)儀、納米級(jí)光柵測(cè)長(zhǎng)儀的精度足W滿足元件參數(shù)的測(cè)長(zhǎng)需 求，就光學(xué)元件參量測(cè)量而言，其測(cè)量精度不再受限于測(cè)長(zhǎng)精度，而受限于光學(xué)元件尺寸參 量起點(diǎn)位置和終止位置的定位精度。
[0004] 因而如何提高光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的聚焦定位能力已成為改善元件參數(shù)測(cè)量精度的核 屯、問(wèn)題。
[0005] 針對(duì)該一問(wèn)題，中國(guó)專利"共焦組合超長(zhǎng)焦距測(cè)量方法與裝置"（專利號(hào)： 200810226967.6)提出了激光共焦定焦技術(shù)，其利用共焦元件參數(shù)測(cè)量裝置軸向特性曲線 最大值與其聚焦焦點(diǎn)位置精確對(duì)應(yīng)該一特性，通過(guò)尋找共焦響應(yīng)曲線的最大值位置來(lái)確定 其焦點(diǎn)位置。為進(jìn)一步提供精度，中國(guó)專利"差動(dòng)共焦組合超長(zhǎng)焦距測(cè)量方法與裝置"（專利 號(hào)；200810226966. 1)提出了激光差動(dòng)共焦定焦技術(shù)，其利用激光差動(dòng)共焦曲線過(guò)零點(diǎn)與 聚焦光斑焦點(diǎn)位置精確對(duì)應(yīng)該一特性，對(duì)測(cè)量光斑焦點(diǎn)位置進(jìn)行了精確定焦；中國(guó)專利"差 動(dòng)共焦鏡組間隙測(cè)量方法與裝置"（專利號(hào)；200810226966. 1)又提出了激光差動(dòng)共焦層 析定焦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外樣品的層析定焦；之后，中國(guó)專利"共焦元件多參數(shù)測(cè)量方法與裝 置"（專利號(hào)；201010621159. 7)基于激光差動(dòng)共焦技術(shù)進(jìn)而提出元件曲率半徑、透鏡厚度、 透鏡折射率、透鏡焦距和鏡組間隔等參數(shù)測(cè)量新方法，并顯著改善相關(guān)參數(shù)的測(cè)量精度。
[0006] 但是差動(dòng)共焦定焦技術(shù)由于采用了兩路焦前、焦后的探測(cè)方式，從而使共焦元件 參數(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，且需根據(jù)不同物鏡來(lái)調(diào)整兩點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)離焦量。
[0007] 從圖1可W看出，共焦元件參數(shù)測(cè)量裝置的聚焦定位能力可通過(guò)其軸向響應(yīng)曲線 6的半高寬FWHM來(lái)衡量，F(xiàn)WHM越小，聚焦定位能力越強(qiáng)。但由于共焦元件參數(shù)測(cè)量裝置會(huì) 聚物鏡4必須滿足測(cè)量所需的物鏡工作距和工作波長(zhǎng)，因而不能僅靠通過(guò)增大物鏡會(huì)聚物 鏡4數(shù)值孔徑NA和減小光波波長(zhǎng)A來(lái)改善其聚焦定位能力。
[000引從共焦元件參數(shù)測(cè)量裝置的軸向響應(yīng)數(shù)據(jù)組曲線6可W看出，其理論特性曲線關(guān) 于極值點(diǎn)位置左右對(duì)稱，而且半高寬FWHM附近的數(shù)據(jù)對(duì)樣品軸向位置極其靈敏，因而本發(fā) 明提出利用共焦軸向響應(yīng)數(shù)據(jù)組曲線6半高寬FWHM附近的數(shù)據(jù)段來(lái)確定其極值點(diǎn)位置，達(dá) 到改善共焦元件參數(shù)測(cè)量裝置聚焦定位能力，進(jìn)而提高曲率半徑測(cè)量的精度。
[0009] 基于此，本發(fā)明提出一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件參數(shù)測(cè)量方法，W期在不改變共 焦元件參數(shù)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)的前提下，僅通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)事后處理就能改善元件曲率半徑、透 鏡厚度、折射率、焦距與間隔等參數(shù)的測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是提出一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件參數(shù)測(cè)量方法，其對(duì)元件曲率半 徑、透鏡厚度、折射率、焦距與間隔等被測(cè)球面元件測(cè)量中所設(shè)及的與聚焦焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置 點(diǎn)的共焦軸向響應(yīng)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行雙邊錯(cuò)位相減處理，通過(guò)提高每個(gè)位置點(diǎn)的定焦精度，進(jìn) 而提高元件曲率半徑、透鏡厚度、折射率、焦距與間隔等參數(shù)的測(cè)量精度。
[0011] 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0012] 本發(fā)明的一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件參數(shù)測(cè)量方法，測(cè)量步驟為：打開(kāi)點(diǎn)光源1， 由點(diǎn)光源1出射的光經(jīng)分光鏡2、準(zhǔn)直透鏡3和會(huì)聚物鏡4后形成測(cè)量光束并照射在被測(cè) 件5上；調(diào)整被測(cè)件5的光軸，使其與測(cè)量光束共光軸；由被測(cè)件5反射回來(lái)的光通過(guò)會(huì)聚 物鏡4和準(zhǔn)直透鏡3后由分光鏡2反射進(jìn)入共焦探測(cè)系統(tǒng)9,通過(guò)共焦探測(cè)系統(tǒng)9分別采集 到對(duì)應(yīng)元件曲率半徑、透鏡厚度、透鏡折射率、透鏡頂焦距、超長(zhǎng)焦距W及鏡組間隙的尺寸 參量起點(diǎn)和終點(diǎn)的共焦軸向響應(yīng)數(shù)據(jù)組6 ;對(duì)采集到的各起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的共焦軸向 響應(yīng)數(shù)據(jù)組6的雙邊進(jìn)行錯(cuò)位差動(dòng)相減曲線擬合處理；對(duì)各起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的擬合方 程求解；通過(guò)求對(duì)應(yīng)各參量起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置擬合曲線方程解之間的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)曲率半 徑、透鏡厚度、透鏡折射率、透鏡頂焦距、超長(zhǎng)焦距W及鏡組間隙的高精度測(cè)量。
[0013] 本發(fā)明所述的一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件多參數(shù)測(cè)量方法，可將其用于測(cè)量球面 元件表面曲率半徑的步驟如下：
[0014] 步驟一、將被測(cè)件5置于會(huì)聚物鏡4后方，調(diào)整被測(cè)件使其光軸與測(cè)量光束共光 軸，光照射到被測(cè)件表面后部分被反射；
[0015] 步驟二、移動(dòng)被測(cè)件5,使其沿光軸方向掃描，共焦探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)位置 zi的球頂共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組14 ;
[0016] 步驟=、繼續(xù)沿光軸方向移動(dòng)被測(cè)件5,再次通過(guò)共焦探測(cè)系統(tǒng)9探測(cè)到對(duì)應(yīng)球屯、 位置Z2的球屯、共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組18 ;
[0017] 步驟四、對(duì)共焦探測(cè)系統(tǒng)9采集到的球頂共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組14進(jìn)行雙邊交匯相減處 理來(lái)準(zhǔn)確獲取頂點(diǎn)位置，過(guò)程包括；求球頂共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組14的最大值Ml,將球頂共焦響 應(yīng)數(shù)據(jù)組14沿橫坐標(biāo)左移S使該球頂左移共焦數(shù)據(jù)組15與球頂共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組14在值 為Mi/2的附近交匯；對(duì)球頂共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組14與球頂左移共焦數(shù)據(jù)組15進(jìn)行同橫坐標(biāo)點(diǎn) 插值處理后，再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處理得到頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組16 ;對(duì)該頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共 焦數(shù)據(jù)組16零值附近且對(duì)軸向位移敏感的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到頂點(diǎn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦 擬合曲線17和擬合曲線方程Ii(z)冰擬合曲線方程Ii(z) =0的解Zi=Si;
[001引步驟五、對(duì)共焦探測(cè)系統(tǒng)采集到的球屯、共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組18進(jìn)行雙邊交匯相減處 理來(lái)準(zhǔn)確獲取球屯、位置，過(guò)程包括；求球屯、共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組18的最大值M2,將球屯、共焦響 應(yīng)數(shù)據(jù)組18沿橫坐標(biāo)左移S使該球屯、左移共焦數(shù)據(jù)組19與球屯、共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組18在值 為M2/2的附近交匯；對(duì)球屯、共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組18與球屯、左移共焦數(shù)據(jù)組19進(jìn)行同橫坐標(biāo)點(diǎn) 插值處理后，再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處理得到頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組20 ;對(duì)該頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共 焦數(shù)據(jù)組20零值附近且對(duì)軸向位移敏感的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到頂點(diǎn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦 擬合曲線21和擬合曲線方程12 (Z)冰擬合曲線方程12 (Z) = 0的解Z2= S 2;
[0019] 步驟六、計(jì)算被測(cè)球面元件曲率半徑r = I S2-S11。
[0020] 本發(fā)明所述的雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件多參數(shù)測(cè)量方法，可將其用于測(cè)量透鏡厚 度，具體測(cè)量步驟如下；
[0021] 步驟一、將被測(cè)球透鏡22置于會(huì)聚物鏡4后方，調(diào)整被測(cè)球透鏡22,使其光軸與測(cè) 量光束共光軸，光束會(huì)聚到被測(cè)球透鏡22左頂點(diǎn)附近；
[0022] 步驟二、移動(dòng)被測(cè)球透鏡22,使其沿光軸方向掃描，共焦探測(cè)系統(tǒng)9探測(cè)到對(duì)應(yīng)左 頂點(diǎn)位置zi的左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組23 ;
[0023] 步驟=、繼續(xù)沿光軸方向平移被測(cè)球透鏡22,再次通過(guò)共焦探測(cè)系統(tǒng)9探測(cè)到對(duì) 應(yīng)右頂點(diǎn)位置Z2的右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組27 ;
[0024] 步驟四、對(duì)共焦探測(cè)系統(tǒng)9采集到的左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組23進(jìn)行雙邊交匯相減 處理來(lái)準(zhǔn)確獲取頂點(diǎn)位置，過(guò)程包括；求左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組23的最大值Ml,將左頂點(diǎn) 共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組23沿橫坐標(biāo)左移S使該左頂點(diǎn)左移共焦數(shù)據(jù)組24與左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù) 組23在值為Mi/2的附近交匯；對(duì)左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組23與左頂點(diǎn)左移共焦數(shù)據(jù)組24進(jìn) 行同橫坐標(biāo)點(diǎn)插值處理后，再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處理得到左頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組25 ;對(duì)該 左頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組25零值附近且對(duì)軸向位移敏感的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到左頂 點(diǎn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦擬合曲線26和擬合曲線方程Ii(z);求擬合曲線方程Ii(z) =0的解 Zi= S 1;
[0025] 步驟五、對(duì)共焦探測(cè)系統(tǒng)9采集到的右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組27進(jìn)行雙邊交匯相減 處理來(lái)準(zhǔn)確獲取球屯、位置，過(guò)程包括；右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組27的最大值M2,將右頂點(diǎn)共 焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組27沿橫坐標(biāo)左移S使該右頂點(diǎn)左移共焦數(shù)據(jù)組28與右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組 27在值為M2/2的附近交匯；對(duì)右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組27與右頂點(diǎn)左移共焦數(shù)據(jù)組28進(jìn)行 同橫坐標(biāo)點(diǎn)插值處理后，再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處理得到右頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組29 ;對(duì)該右 頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組29零值附近且對(duì)軸向位移敏感的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到右頂點(diǎn) 雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦擬合曲線30和擬合曲線方程I,(z);求擬合曲線方程I,(z) = 0的解Z, =Sg；
[0026] 步驟六、利用已知折射率n、透鏡曲率半徑r，光學(xué)追跡計(jì)算被測(cè)球面元件厚度d = Sg-Sj I 0
[0027] 本發(fā)明所述的雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦元件多參數(shù)測(cè)量方法，可將其用于測(cè)量透鏡折射 率的步驟如下：
[002引步驟一、將被測(cè)球透鏡22放置于會(huì)聚物鏡4后方，調(diào)整會(huì)聚物鏡4,使其與測(cè)量光 束共光軸。將平面反射鏡31放置于被測(cè)球透鏡22后方，調(diào)整平面反射鏡31，使其與測(cè)量光 束的光軸相垂直；
[0029] 步驟二、整體移動(dòng)被測(cè)球透鏡22和平面反射鏡31，使會(huì)聚物鏡4聚焦光束會(huì)聚到 被測(cè)球透鏡22左頂點(diǎn)附近，共焦探測(cè)系統(tǒng)9探測(cè)到與位置zi對(duì)應(yīng)的左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組 32 ;求左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組32的最大值Ml,將左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組32沿橫坐標(biāo)左移S 并與左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組32在值為Mi/2的附近交匯；對(duì)左頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組32及其 左移共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組進(jìn)行同橫坐標(biāo)點(diǎn)插值處理后，再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處理得到左頂點(diǎn)錯(cuò)位相 減共焦數(shù)據(jù)組33 ;對(duì)左頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組33零值附近且對(duì)軸向位移敏感的數(shù)據(jù)段 進(jìn)行擬合，得到左頂點(diǎn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦擬合曲線34和擬合曲線方程Ii(z);求擬合曲線 方程 Ii(z) = 0 的解 Zi= S 1;
[0030] 步驟=、繼續(xù)沿光軸方向整體移動(dòng)被測(cè)球透鏡22和平面反射鏡31，使會(huì)聚物鏡4 聚焦光束會(huì)聚到被測(cè)球透鏡22右頂點(diǎn)附近，共焦探測(cè)系統(tǒng)9探測(cè)到與位置Z2對(duì)應(yīng)的右頂 點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組35 ;求右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組35的最大值M,，將右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組 35沿橫坐標(biāo)左移S并與右頂點(diǎn)共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組35在值為M2/2的附近交匯；對(duì)右頂點(diǎn)共焦 響應(yīng)數(shù)據(jù)組35及其左移共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組進(jìn)行同橫坐標(biāo)點(diǎn)插值處理后，再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處 理得到右頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組36 ;對(duì)右頂點(diǎn)錯(cuò)位相減共焦數(shù)據(jù)組36零值附近且對(duì)軸 向位移敏感的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到右頂點(diǎn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦擬合曲線37和擬合曲線方 程Ii(z);求擬合曲線方程l2(z) =0的解Z2=S2;
[0031] 步驟四、繼續(xù)沿光軸方向整體移動(dòng)被測(cè)球透鏡22和平面反射鏡31，使會(huì)聚物鏡4 聚焦光束會(huì)聚到平面反射鏡31表面附近，共焦探測(cè)系統(tǒng)9探測(cè)到與位置Z3對(duì)應(yīng)的有透鏡 平面共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組38 ;有透鏡平面共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組38的最大值Ms,有透鏡平面共焦響應(yīng) 數(shù)據(jù)組38沿橫坐標(biāo)左移S并與有透鏡平面共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組38在值為Ms/2的附近交匯；對(duì) 有透鏡平面共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組38及其移位共焦響應(yīng)數(shù)據(jù)組進(jìn)行同