技术领域
[0001] 本
发明涉及一种球面透镜的测量装置与测量方法，尤其涉及一种同时测量球面透镜折射率和中心厚度的装置及方法。
背景技术
[0002] 球面透镜是光学系统中最常用的光学元件，球面透镜的折射率和中心厚度是光学材料的重要物理参数之一，也是决定光学成像
质量好坏的重要因素。特别是对于
光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统中的球面透镜，球面透镜折射率和中心厚度的一点点偏差都可能会导致成像不清晰，所以对于它们的测量是必须严格控制
精度的，尽可能地减小误差。
[0003] 目前测量透镜折射率的主要方法包括浸液法和
干涉法；测量透镜中心厚度的主要方法分为
接触式和非接触式两种，非接触测量方法主要有图像测量法、白光共焦法、干涉测量法和差动共焦法。然而，传统的测量装置不仅结构比较复杂，且测量方法中需要已知球面透镜中心厚度的参数才能测量球面透镜的折射率，或者已知球面透镜折射率的参数才能测量球面透镜的中心厚度，并不能够同时测量出球面透镜的折射率和中心厚度。
发明内容
[0004] 综上所述，确有必要提供一种能够同时测量球面透镜折射率和中心厚度的测量装置及方法。
[0005] 一种球面透镜的测量装置，其包括：一激光模组，用于连续输出激光；一分光镜，设置于所述激光模组输出激光的光路上，将所述激光模组输出的激光分为反射光和
透射光两束；一声光移频模组，设置于所述分光镜输出的透射光的光路上形成测量光；一光阑和一扩束镜依次间隔设置于所述声光移频模组产生的测量光的光路上形成扩束光；一测量模组，包括第一测量镜和第二测量镜，所述第一测量镜和第二测量镜轮流设置于所述扩束光的光路上，用于会聚所述扩束光形成会聚光束；一待测透镜，设置于所述会聚光束的光路上；一光电探测器，设置于所述分光镜输出的反射光的光路上；一参考
信号模组，与所述声光移频模组相连；一
信号处理模组，分别与所述光电探测器和所述参考信号模相连；一计算机，与所述信号处理模组和所述测量模组相连。
[0006] 一种球面透镜的测量方法，具体包括以下步骤：
[0007] 提供一球面透镜的测量装置,包括：一激光模组，用于连续输出激光；一分光镜，设置于所述激光模组输出激光的光路上，将所述激光模组输出的激光分为反射光和透射光两束；一声光移频模组，设置于所述分光镜输出的透射光的光路上形成测量光；一光阑和一扩束镜依次间隔设置于所述声光移频模组产生的测量光的光路上形成扩束光；一测量模组，包括第一测量镜和第二测量镜，所述第一测量镜和第二测量镜轮流设置于所述扩束光的光路上，用于会聚所述扩束光形成会聚光束；一待测透镜，设置于所述会聚光束的光路上；一光电探测器，设置于所述分光镜输出的反射光的光路上；一参考信号模组，与所述声光移频模组相连；一信号处理模组，分别与所述光电探测器和所述参考信号模相连；一计算机，与所述信号处理模组和所述测量模组相连；
[0008] 启动所述激光模组连续输出激光，模式为单纵模和基横模；
[0009] 当仅将所述第一测量镜设置于所述扩束镜与所述待测透镜之间时，控制所述第一测量镜移动，使通过其形成的会聚光束的聚焦点扫描所述待测透镜；
[0010] 控制所述计算机同步记录所述第一测量镜的
位置和采集所述信号处理模组解调出的测量光的光强，得到所述会聚光束分别聚焦到所述待测透镜的前后表面时所述第一测量镜的位置坐标z1、z2；
[0011] 将所述第一测量镜更换为第二测量镜，采用上述同样的方法分别得到所述会聚光束分别聚焦到所述待测透镜的前后表面时所述第二测量镜的位置坐标z3、z4；
[0012] 根据所述待测透镜前后表面的
曲率半径、所述第一测量镜和第二测量镜的焦距及其光瞳半径，结合所述第一测量镜的位置坐标z1、z2和所述第二测量镜的位置坐标z3、z4，使用光线追迹的方法计算出所述待测透镜的折射率和中心厚度。
[0013] 本发明球面透镜的测量装置及方法，通过更换两个不同的测量镜，并根据光线追迹方法得到两组不同的方程式，从而同时计算出球面透镜的折射率和中心厚度，实现了球面透镜折射率和中心厚度的同时测量；另外，该测量系统及方法实现了非接触、高精度、无损测量，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0014] 图1是本发明
实施例所述球面透镜的测量装置。
[0015] 图2是图1所述测量装置中激光经过功率调制后光强的仿真示意图。
[0016] 图3是图1所述测量装置中关于测量光光强与第一测量镜位移的离焦曲线。
[0017] 主要元件符号说明
[0018]测量装置 100
激光模组 1
针孔滤波模组 2
分光镜 3
第三透镜 4
声光移频模组 5
第一声光移频器 51
第二声光移频器 52
光阑 6
扩束镜 7
测量模组 8
第一测量镜 15
第二测量镜 16
移动装置 10
待测透镜 9
光电探测器 11
参考信号模组 12
信号处理模组 13
计算机 14
[0019] 如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
[0020] 下面结合
说明书附图对本发明做进一步的描述，为了方便描述，本发明首先描述所述球面透镜的测量装置。
[0021] 请参阅图1，球面透镜的测量装置100包括：一激光模组1，用于连续输出激光；一分光镜3，设置于所述激光模组1输出激光的光路上，将所述激光模组1输出的激光分为反射光和透射光两束；一声光移频模组5，设置于所述分光镜3输出的透射光的光路上形成测量光；一光阑6和一扩束镜7依次间隔设置于所述声光移频模组5产生的测量光的光路上形成扩束光；一测量模组8，包括第一测量镜和第二测量镜，所述第一测量镜和第二测量镜轮流设置于所述扩束光的光路上，用于会聚所述扩束光形成会聚光束；一待测透镜9，设置于所述会聚光束的光路上；一光电探测器11，设置于所述分光镜输出的反射光的光路上；一参考信号模组12与所述声光移频模组5相连；一信号处理模组13分别与所述光电探测器11和所述参考信号模相12连接；及一计算机14，与所述信号处理模组13和所述测量模组8相连。
[0022] 所述激光模组1为固体微片
激光器，工作模式为单纵模和基横模，用于连续输出激光形成激光光路，调节其光路平行于光学平台，此时，利用输出的激光本身的束腰半径作为点
光源和点探测器。本实施例中，所述激光模组1为固体Nd:YVO4激光器。
[0023] 所述分光镜3设置于所述激光模组1输出的激光光路上，将所述激光模组1输出的激光分为反射光和透射光两束，所述反射光用于进行光强信号的探测，所述透射光用于后续形成一移频回馈光路。本实施例中，所述分光镜3的透光率为90％，反射率为10％。
[0024] 所述声光移频模组5设置于所述分光镜3输出的透射光的光路上，所述透射光经过所述声光移频模组5发生差频衍射形成测量光。所述声光移频模组5包括第一声光移频器51和第二声光移频器52，所述第一声光移频器51和第二声光移频器52沿所述透射光的传播方向间隔设置。所述声光移频模组5的移频量为所述激光模组1输出激光的弛豫振荡
频率的所述移频量是指所述透射光单次经过所述声光移频模组5后的频率变化。本实施例中，所述第一声光移频器51的驱动频率为Ω1＝70MHz，所述第二声光移频器52的驱动频率为Ω2＝70.5MHz，所述透射光经过所述第一声光移频器51发生-1级衍射，再经过所述第二声光移频器52发生+1级衍射，移频量Ω＝Ω2-Ω1＝500KHz，之后所述测量光沿原光路返回到所述激光模组1的空腔内，总共产生2Ω的移频衍射光，从而引起所述激光模组1输出激光的功率调制。
[0025] 所述光阑6和扩束镜7依次间隔设置于所述声光移频模组5产生的测量光的光路上，所述光阑6靠近所述声光移频模组5设置，用于阻隔未经移频的透射光，所述扩束镜7靠近是所述测量模组8设置，
准直所述经过移频的测量光并扩大其光斑，形成扩束光。本实施例中，所述扩束镜7为四倍的红外扩束镜，针对
波长为1064nm的激光设计。
[0026] 所述测量模组8包括一第一测量镜15及一第二测量镜16(图中未示)，所述第一测量镜15及第二测量镜16轮流设置于所述扩束光的光路上，用于会聚所述扩束光形成会聚光束，移动所述测量模组8，使通过所述第一测量镜15的扩束光会聚在所述待测透镜9的前后表面，此时，再将第一测量镜15更换为第二测量镜16使通过所述第二测量镜15的扩束光会聚在所述待测透镜9的前后表面上，所述移动测量模组8可以是人为移动，也可以是通过任意辅助装置移动。所述第一测量镜15及第二测量镜16的中心分别需与所述扩束光的光轴重合，所述第一测量镜15或第二测量镜16可以为长工作距物镜、双凸透镜，所述第一测量镜15与所述第二测量镜16的参数可以均不相同，如焦距、光瞳半径，优选的，所述第一测量镜15与所述第二测量镜16仅一个参数不同，方便并简化后续计算过程。
[0027] 进一步，所述测量模组8包括一移动装置10，该移动装置10用于承载并带动所述第一测量镜15及第二测量镜16移动，所述移动装置10的移动轴平行于所述扩束光的光轴，所述第一测量镜15及第二测量镜16轮流垂直设置于所述移动装置10。本实施例中，所述移动装置10为PI公司的PLS-85精密位移台，
定位精度为50nm。
[0028] 所述待测透镜9设置于所述会聚光束的光路上，所述待测透镜9垂直所述测量光的光轴，并且通过控制所述第一测量镜15或第二测量镜16移动，使通过所述第一测量镜15或第二测量镜16形成的会聚光束可以会聚到所述待测透镜9的前后表面
顶点。所述待测透镜9与所述激光模组1、声光移频模组5、测量模组8形成移频回馈系统，会聚到所述待测透镜9的光发生反射形成回馈光，再次经过声光移频模组5进入所述激光模组1内。所述待测透镜9为球面透镜，如双凸透镜、平凸透镜等。
[0029] 所述光电探测器11设置于所述分光镜3输出的反射光的光路上，所述光电探测器11探测所述激光模组1输出的经过激光功率调制后的光强信号并将其转换成
电信号。根据共焦回馈效应，所述光电探测器11探测到的光强为：
[0030]
[0031] 其中，所述ΔI是两次探测到的光强的调制信号，Is是稳态输出光强，μ表示的是离轴量的轴坐标，Ω是指单次通过声光移频模组5后激光移动的频率，φ是指所述激光模组1外腔长的回馈
相位，φs是指固定的附加相位。本实施例中，所述光电探测器11为PIN探测器。
[0032] 所述参考信号模组12用于产生参考信号，所述参考信号模组12与所述声光移频模组5相连，产生的参考信号为所述透射光和回馈光两次经过所述声光移频模组5产生的差频信号，该差频信号为正弦或方波信号。
[0033] 所述信号处理模组13分别与所述光电探测器11和所述参考信号模12相连，所述参考信号模组12将产生的差频信号输入到所述信号处理模组13，所述光电探测器11将探测到的光强信号输入到所述信号处理模组13，该信号处理模组13在所述光电探测器11探测到的光强信号中同步解调出所述测量光的光强大小。本实施例中，所述信号处理模组13中采用HF2LI
锁相
放大器同步解调。
[0034] 所述计算机14与所述信号处理模组13和所述测量模组8相连，用于控制所述测量模组8的移动，同时采集所述信号处理模组13解调出的测量光的光强大小。具体的，所述计算机14包括系统控
制模块和
数据采集模块(图中未示)，该数据采集模块从所述信号处理模组13中采集测量光的光强大小，并同步记录所述第一测量镜15或第二测量镜16的位置，从而得到关于光强与位置的离焦曲线，当所述会聚光束恰好聚焦到所述待测透镜9的前后表面时，离焦曲线中光强达到其峰值点，峰值点时刻对应的位置为所述第一测量镜15或所述第二测量镜16的位置坐标。
[0035] 所述球面透镜的测量装置100进一步包括一针孔滤波模组2，设置于所述激光模组1与所述分光镜3之间，也可以设置于所述分光镜3与所述声光移频模组5之间，，此时，所述针孔滤波模组2与所述测量模组8形成共焦系统。所述针孔滤波模组2包括一第一透镜21、针孔22、第二透镜23，所述第一透镜21、所述针孔22及所述第二透镜23依次间隔设置，所述激光模组1输出的激光通过所述第一透镜21会聚，该会聚的激光通过所述针孔22的中心，并经所述第二透镜23准直。所述针孔22作为共焦系统中点光源的同时，又起到点探测器的作用。
本实施例中，所述第一透镜21为40倍显微物镜，所述针孔22的孔径为10μm，所述第二透镜23为焦距为10mm的短焦透镜，使准直后的激光光斑能透过后续的声光移频模组5。
[0036] 所述球面透镜的测量装置100进一步包括一第三透镜4，设置于所述分光镜3和所述光电探测器11之间，用于会聚所述分光镜3输出的反射光，使反射光的光斑小于所述光电探测器11的尺寸，从而保证所述光电探测器11能够探测到所述反射光的光强信息。
[0037] 所述球面透镜的测量装置100进一步包括一环形光瞳(图中未示)，垂直设置于所述扩束镜7和所述测量模组8之间，对所述扩束镜7输出的扩束光进行调制形成环形光束，减小光
线轴向定位的误差，从而减小测量误差。
[0038] 本发明进一步提供一种球面透镜的测量方法，具体包括以下步骤：
[0039] 步骤S11，提供一球面透镜的测量装置100；
[0040] 步骤S12，启动所述激光模组1连续输出激光，模式为单纵模和基横模；
[0041] 步骤S13，当仅将第一测量镜15设置于所述扩束镜7与所述待测透镜9之间时，控制所述第一测量镜15移动，使通过其形成的会聚光束的聚焦点扫描所述待测透镜9；
[0042] 步骤S14，控制所述计算机14同步记录所述第一测量镜15的位置和采集所述信号处理模组13解调出的测量光的光强，得到所述会聚光束分别聚焦到所述待测透镜9的前后表面时所述第一测量镜15的位置坐标z1、z2；
[0043] 步骤S15，将所述第一测量镜15更换为第二测量镜16，采用上述同样的方法分别得到所述会聚光束分别聚焦到所述待测透镜9的前后表面时所述第二测量镜16的位置坐标z3、z4；
[0044] 步骤S16，根据所述待测透镜9前后表面的
曲率半径、所述第一测量镜15和第二测量镜16的焦距及其光瞳半径，结合所述第一测量镜15的位置坐标z1、z2和所述第二测量镜16的位置坐标z3、z4，使用光线追迹的方法计算出所述待测透镜9的折射率和中心厚度。
[0045] 在所述步骤S13中，移动所述第一测量镜15，使通过所述第一测量镜15形成的会聚光束扫描所述待测透镜9，从而使会聚光束的聚焦点刚好落在所述待测透镜9的前后表面顶点，在扫描过程中，经过所述待测透镜9前后表面反射的光线会沿原光路返回到所述激光模组1，引起激光功率调制，根据所述公式1得到经过激光功率调制后的光强，从而得到经过激光功率调制后光强的仿真示意图，如图2所示，其中差频信号2Ω为1MHz，位置装置10移动的速度为0.02mm/s。
[0046] 在所述步骤S14中，根据所述信号处理模组13解调出的测量光的光强和所述第一测量镜15的位置得到一离焦曲线，如图3所示，该图3中峰值点对应的是所述会聚光束会聚到所述待测透镜9的前表面和后表面时所述第一测量镜15的位置坐标z1、z2。
[0047] 在所述步骤S15中，将第一测量镜15更换为第二测量镜16时，根据所述步骤S14同样的方法得到所述会聚光束会聚到所述待测透镜9的前表面和后表面时所述第二测量镜16的位置坐标z3、z4。
[0048] 在所述步骤S16中，计算所述待测透镜9的折射率n和中心厚度d的具体过程为：
[0049] 根据折反射定律得到：
[0050]
[0051] 其中，θ1和θ1′分别是待测透镜9前表面入射光线和出射光线与光轴的夹
角；l1为待测透镜9前表面入射光线与光轴的交点到待测透镜9前表面与光轴交点的距离；l1′为待测透镜9前表面出射光线与光轴的交点到待测透镜9前表面与光轴交点的距离；r1为待测透镜9前表面的曲率半径；n0为空气折射率，n1为待测透镜9的折射率。
[0052] 所述待测透镜9前表面入射光线与光轴的夹角θ1为：
[0053]
[0054] 其中，f1为所述第一测量镜15的焦距，ρ1为所述第一测量镜15的光瞳半径，ρ1∈(0，R1)，R1为所述第一测量镜15的光瞳外径尺寸。
[0055] 当会聚光束恰好聚焦到所述待测透镜9的后表面时，所述待测透镜9前表面的入射光线与光轴的交点到所述待测透镜前表面与光轴交点的距离l1为：
[0056] l1＝|z2-z1| (4)，
[0057] 当会聚光束恰好聚焦到所述待测透镜9的后表面时，所述待测透镜9前表面的出射光线与光轴的交点到所述待测透镜前表面与光轴交点的距离l1′为：
[0058] l′1＝d (5)，
[0059] 将公式(3)、公式(4)及公式(5)代入公式(2)，得到
[0060]
[0061] 其中，L1(ρ1,n)为光线追迹函数，K(ρ1)为光瞳面内的光强径向归一化分布函数；
[0062] 更换第一测量镜15为第二测量镜16，由光线追迹方法同样得到公式(2)，此时，所述待测透镜9前表面入射光线与光轴的夹角θ1为：
[0063]
[0064] 其中，f2为第二测量镜16的焦距，ρ2为第二测量镜16的光瞳半径，ρ2∈(0，R2)，R2为所述第二测量镜16的光瞳外径尺寸。
[0065] 当会聚光束恰好聚焦到所述待测透镜9的后表面时，所述待测透镜9前表面的入射光线与光轴的交点到所述待测透镜前表面与光轴交点的距离l1为：
[0066] l1＝|z4-z3| (8)，
[0067] 将公式(7)、公式(8)及公式(5)代入公式(2)，得到：
[0068]
[0069] 其中，L2(ρ2,n)为光线追迹函数，K(ρ2)为光瞳面内的光强径向归一化分布函数；
[0070] 根据公式(6)和(9)即可计算得到所述待测透镜9的折射率n和中心厚度d。
[0071] 本发明实施例提供的基于固体微片激光共焦回馈技术的同时测量球面透镜折射率和中心厚度的装置和方法，通过更换两个不同的测量镜，精确确定待测透镜前后表面与光轴交点的位置，然后根据待测透镜的曲率半径、不同测量镜的焦距与光瞳大小，通过光线追迹实现同时测量待测透镜的折射率和中心厚度。本发明的优点在于利用激光共焦回馈的轴向定位作用对待测透镜的前后表面定位，抗环境干扰能
力强；另，基于微片激光移频回馈效应，本发明测量装置和方法探测灵敏度高，可以显著提高探测深度。
[0072] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
