激光差动共焦透镜中心厚度测量系统的研制

　　1 引 言

　　在光学领域中，曲率半径、折射率和中心厚度是透镜的 3 个基本参数，其中透镜中心厚度加工的误差会对光学系统的成像质量产生较大的影响。例如，在光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统中，对透镜有着严格的公差限制，需要根据镜头中每个透镜的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地调整。而其加工是否满足公差要求，需要有高精度的仪器进行测量和检验。

　　目前，透镜中心厚度测量技术可分为接触式和非接触式 2 类。接触式测量[1-2]有 2 个致命的缺点: 一是容易划伤透镜，破坏表面光洁度; 一是测头与透镜频繁接触，会因磨损而影响测量精度。非接触式测量有共面电容法、图像法、干涉法和共焦法等。共面电容法[3]测量前需要根据被测透镜的材料对共面电容测头进行精确测试，以取得可靠的数据作为检测依据，测量过程复杂。图像法[4-5]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，测量误差较大。干涉法[6-9]理论上具有更高的测量精度，但实际测量时干涉条纹容易受外界振动、气流等环境因素的影响，难以提高其测量精度。共焦法[10-12]主要是利用被测透镜上下表面反射回来的光谱信息计算透镜的厚度，实际中很难准确获　　得被测透镜在不同波长处的折射率，一般在测定被测透镜某几个特定波长折射率的基础上通过插值获得测量所用光谱的折射率，测量误差较大。

　　为此，本文基于差动共焦探测技术[13-18]，研制了一种全新的非接触透镜中心厚度测量系统，该系统借助差动共焦定焦技术灵敏度高、轴向分辨能力高和抗干扰能力强的特点提高了定位瞄准精度，克服了传统测量方法的缺点，提高了非接触式测量的精度。

         2 测量系统原理

　　2. 1 系统工作原理

　　测量系统工作原理如图 1 所示，该系统利用差动共焦轴向光强响应绝对零点精确对应标准透镜焦点这一特性[14-15]，对被测透镜的前表面顶点 A 和后表面顶点 B 分别进行精密瞄准定位，并由 2 次定位得到的差动共焦轴向强度响应特性曲线 IA( z) 和 IB( z) 分别求取过零点坐标 zA和 zB，然后通过光线追迹算法计算透镜中心厚度.

　　测量时，准直镜出射的平行光经标准透镜后形成测量光束，并会聚于标准透镜的焦点处;被测透镜沿光轴方向移动，当测量光束会聚点与被测透镜IJU表面顶点A或者后表面顶点B重合时，测量光束由被测透镜表面反射沿原路返回，偏振分光镜将光束反射至分束镜，经分束镜分束的2束测量光分别被位于其后的数字显微镜1和2接收，其中，数字显微镜1和2的物方平面与准直镜焦平面的偏移量分别为十M与一M;然后利用虚拟针孔算法计算艾利斑中心的强度值，得到归一化信号I ( u，uM、)和I2(u，一uM)，此时两路信号的差动响应I(u, uM)满足: