[发明专利]白光干涉透镜中心厚度测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种白光干涉透镜中心厚度测量系统及方法，属于光学精密测量技术领域。

背景技术

在光学领域，透镜的三项基本参数是中心厚度、折射率和曲率半径，其中透镜中心厚度的加工精度将直接影响透镜的焦距、像差等综合性能，进而影响整个光学系统的性能。在光学系统的装调中，透镜的光轴偏角、径向偏移和轴向间隙需要根据透镜的中心厚度来进行精密的调整，因此透镜中心厚度的测量精度越高，装调难度及成本就越低。随着光刻机物镜、核聚变光学系统等超精密工程的出现，对包括透镜中心厚度在内的所有光学参数提出了更为严格的要求。无论是为了保证光学透镜加工满足设计公差要求，还是为了降低装调难度及成本，都需要有高精度的光学检测仪器对其参数进行逐项检测，进而消除其加工偏差。

目前，测量透镜厚度技术可以分为接触式和非接触式两种。

接触式测量，一般是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需要来回移动被测量透镜，寻找最高点(凸透镜)或最低点(凹透镜)，因而测量速度慢，误差大，且测头的频繁移动容易划伤镜片表面。

非接触测量法有图像法、共面容法、白光共焦法和干涉法等。图像法透镜中心厚度测量受摄像机成像系统、CCD分辨力、图像清晰度和标定系数精确度的影响，测量误差在15μm以内。共面电容法是相对测量，为了取得可靠数据作为检测的依据，则需要共面电容测头对被测透镜的材料进行精确测试，测量过程复杂，不利于用在透镜中心厚度测量上，测量误差约5μm。白光共焦法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。但该方法定焦灵敏度和分辨力较低，且工作距离有限(30μm-25mm)。

干涉法透镜中心厚度测量装置主要有以下两种：第一种为一种光学元件厚度的光学测量仪器(CN87200715)，该仪器包含两个迈克尔逊干涉系统，根据白光干涉条纹对被测透镜的两个表面进行定位，然后将被测透镜与标准块进行比较以求得被测透镜的中心厚度。但是，该测量装置结构复杂，测量过程需更换元件，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。第二种是法国Fogale Nanotech公司推出的LenScan系列产品，采用短相干光源搭建迈克尔逊干涉仪，利用扫描参考镜的精确移动，找寻不同白光干涉条纹，实现不同镜面位置的精确定位。LenScan系列产品的最大测量动态范围是600mm(光学厚度)，宽带光源的中心波长约为1310nm，带宽为30nm，相干长度为25μm，空气间隔测量精度达到0.3μm(3σ)，而且在实际测量中，受测量环境、扫描镜的稳定性、光强的抖动等影响，透镜中心厚度测量精度约2μm(3σ)。

在光刻机物镜系统的光学复算和系统装调中，对透镜中心厚度和间隔测量的精度要求达0.5μm(3σ)，测量动态范围期望在1.0m以上。现有技术中的透镜中心厚度测量装置无法满足该要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有透镜中心厚度测量装置测量精度低、测量动态范围小的技术问题，提供一种白光干涉透镜中心厚度测量系统及方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

白光干涉透镜中心厚度测量系统，包括超连续谱光源、光电探测器、1:1光纤耦合器、测量臂、参考臂、第一光纤、第二光纤和数据处理单元；

所述测量臂包括第三光纤和调焦镜；

所述参考臂包括第四光纤、自聚焦透镜、扫描角反射镜、平面反射镜、位移机构和测长干涉仪系统；

所述调焦镜和被测透镜同光轴；

所述位移机构包括位移导轨和可以在位移导轨上作扫描运动的移动支架，所述扫描角反射镜固定在移动支架的一侧，所述测长干涉仪系统的测量角反射镜固定移动支架的另一侧，扫描角反射镜的光轴与测长干涉仪系统的光轴平行，移动支架沿扫描角反射镜的光轴方向运动，测长干涉仪系统测量移动支架的位移量，并将位移量传输至数据处理单元；