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CN114008405B - 用于测量光学元件的界面的设备和方法 - Google Patents

用于测量光学元件的界面的设备和方法 Download PDF

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CN114008405B CN201980097215.0A CN201980097215A CN114008405B CN 114008405 B CN114008405 B CN 114008405B CN 201980097215 A CN201980097215 A CN 201980097215A CN 114008405 B CN114008405 B CN 114008405B
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Abstract

本发明涉及一种用于测量包括多个界面的光学元件(1000)的界面(103)的形状的方法和设备(1)，该设备(1)包括：测量装置(4000、6000、7000)，其具有由低相干源(402、612、712)照射的至少一个干涉测量传感器，其配置为将测量光束(106、606)导向光学元件(1000)以穿过所述多个界面，并且选择性地检测由被所述待测界面(103)反射的测量光束(106、606)与参考光束(616、716)之间的干涉产生的干涉信号；定位装置(608、611、708、711)，其配置用于将干涉测量传感器的相干区域相对定位在待测界面的层面处；数字处理装置，其配置以基于干涉信号、根据视场(108)产生所述待测界面(103)的形状信息。

Description

用于测量光学元件的界面的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量包括多个界面的光学元件中的界面形状的设备。本发明还涉及一种用于测量这种光学元件中界面形状的方法。
本发明的领域非限制性地属于特别是用于光学元件的制造的光学控制和测量系统的领域。
背景技术
在光学元件(例如透镜或包含几个透镜的物镜)的制造过程中可能需要控制或测量光学元件的界面或表面的形状。
光学元件(例如光学组件或成像物镜)通常由一个或更多个透镜以及可选的用于使光束成型的其他部件构成。这些部件或这些透镜能够以堆叠的形式组装在诸如镜筒的支撑物中。
这种光学元件(例如成像物镜)的光学性能主要取决于组成它的光学元件(例如透镜)的制造精度，以及它们在组件中定位的精度。
因此，有必要控制部件及它们的组件。特别地，在组件中，可能需要控制光学部件或透镜的界面的形状，以便确定例如不合规或位置不正确、变形或倾斜的元件。
在文献US 9658129 B2中描述了一种用于控制诸如透镜的光学元件的形状的设备和方法。通过使用干涉测量技术来测量表面的形状，特别是确定其顶点或顶点。然而，该设备需要翻转透镜来测量两个面。因此，仅允许单个部件在组装之前被测量。
发明内容
本发明的目的是克服这些缺点。
特别地，本发明的目的是提出一种用于测量包括多个界面的光学元件的界面或表面的形状的测量设备和方法，该设备和方法允许测量光学组件中的界面。
本发明的另一个目的是提出一种适用于通过光学元件的其它界面测量或控制该光学元件中界面的形状和位置的测量设备和方法。
本发明的又一个目的是提出一种用于测量连续界面的形状的测量设备和方法。
这些目的中的至少之一是利用用于测量包括多个界面的光学元件的待测界面的形状的测量设备实现的，该设备包括：
-测量装置，其具有由低相干源照射的至少一个干涉测量传感器，其配置为将测量光束导向光学元件以穿过所述多个界面，并选择性地检测由被所述待测界面反射的测量光束与参考光束之间的干涉产生的干涉信号；
-定位装置，其配置用于将干涉测量传感器的相干区域相对定位在待测界面的层面处；
-数字处理装置，其配置以基于干涉信号、根据视场产生所述待测界面的形状信息。
在本发明的范围内，“光学元件”可以表示任何类型的光学物体，例如，用于插入光束、使光束成形和/或产生图像的光学物体。例如，它能够表示：
-单个光学部件，例如透镜或分束器；
-透镜和/或其他光学部件的组件，例如成像或照相机物镜，或用于使光束成形的设备。
光学元件能够特别地由诸如透镜的折射元件构成或包括诸如透镜的折射元件。
根据本发明的设备使得能够执行光学元件的界面的测量，特别是堆叠界面的测量，以便从中推导出这些界面的拓扑。这些界面能够例如包括透镜的表面。这些测量使得能够确定例如界面的形状和位置，或者光学元件中透镜的倾斜或偏心。还可以推断出光学元件的部件透镜的厚度测量值和材料的折射率。
这些测量能够利用由低相干光源照射的干涉测量传感器的测量光束来产生。为此，根据本发明的设备具有定位装置，该定位装置用于将干涉测量传感器的相干区域相对定位在待测界面的层面处。待测界面能够是“掩埋”界面，即光学元件内部的界面之一。为了到达这种掩埋界面，测量光束因此必须穿过光学元件的其他界面。
“相干区域”是指测量光束与参考光束之间的干涉能够在传感器上形成的区域。相干区域能够通过改变两个光束之间的光程长度差来移动，例如通过改变一个或两个光束的光学长度。当相干区域位于界面的层面处时，能够获得由该界面反射的测量光束与参考光束之间的干涉信号。
根据本发明的设备使得可以选择性地检测相干区域所处层面处的每个界面的干涉信号，即位于相干区域中的每个表面的干涉信号。事实上，光源的相干长度被调整以短于光学元件的两个相邻界面之间的最小光学距离。因此，对于每个测量，单个界面位于相干区域中，并且因此获取的干涉信号仅包括来自单个界面的贡献，或者仅源自单个界面。
干涉测量是根据由设备的测量装置确定的视场进行的。因此，测量既能够在全场进行，也能够通过视场扫描进行。
根据本发明的设备的数字处理装置配置成基于干涉信号产生根据视场测量的界面的形状信息。
该形状信息能够包括待测界面的光学形状和/或几何形状。
该形状信息还能够包括光学或几何距离，代表界面的形状和/或位置。
被称为“光学”的形状或距离是例如由测量光束“看到”的形状或距离。几何表面的距离或形状是通过考虑由测量光束穿过的介质的折射率推导出来的。
此外，当测量光束穿过被测界面之前的界面时，干涉信号代表“表观”形状或距离，只要它包括穿过的一个或更多个界面的贡献，特别是当这些界面位于具有不同折射率的两种介质之间时，并且因此根据它们的形状通过折射和/或衍射来偏转或修改测量光束。因此，如下文所述，有必要考虑通过的这些界面的形状，以便获得被测界面的“真实”光学和/或几何形状。
特别地，根据本发明的设备能够用于在其生产过程中测量光学元件或光学组件，例如由透镜或微透镜形成的物镜，例如智能手机的物镜或用于汽车工业。
根据有利的实施例，定位装置还能够配置用于将与干涉测量传感器的图像平面共轭的物体平面相对定位在待测界面的层面处。
事实上，可以改变测量光束的聚焦距离，和/或待测界面相对于测量光束的位置，以便获得每个界面的干涉测量信号，其中测量光束聚焦在所讨论的界面上。因此，待测界面位于与干涉测量传感器的图像平面共轭的物体平面中。这尤其使得优化耦合回传感器的光功率成为可能。此外，通过使用收集从具有大数字孔径的界面反射的测量光束的元件，可以测量具有更陡局部梯度的界面。因此，能够获得对界面形状的较好测量。此外，待测界面在与传感器的图像平面共轭的物体平面中的位置使得能够较容易地重建待测表面，特别是通过避免由散焦引起的光学像差。
根据一个实施例，测量装置能够包括被称为点模式干涉测量传感器的干涉测量传感器，其配置为检测视场的点处的点干涉信号。
在这种情况下，通过根据界面上的多个测量点扫描整个视场来获取多个干涉信号，以便获得整个界面上的形状信息。
可选地或附加地，测量装置能够包括称为全场干涉测量传感器的干涉测量传感器，其配置为检测视场中的全场干涉信号。
在这种情况下，在单次测量中能够根据视场对待测界面进行成像。
根据一个示例，该设备能够包括具有迈克尔逊干涉仪的干涉测量传感器。
根据另一示例，该设备能够包括具有马赫-曾德尔干涉仪的干涉测量传感器。
根据一个实施例，测量装置能够包括点模式干涉测量传感器和全场干涉测量传感器。
干涉测量传感器的这种组合使得可以改进和加速干涉信号的获取。因此，举例来说，可以利用点模式传感器沿着待测光学元件的光学轴线快速定位界面的光学位置，以便在待测界面的层面处有效地定位与全场干涉测量传感器的图像平面共轭的物体平面。还可以使用比使用全场传感器更快和/或更精确的点传感器来测量界面的位置和/或光学元件的部件的厚度或界面之间的距离，其还用于测量界面的形状。
定位装置能够配置成在光学元件的不同界面的层面处连续定位相干区域。
这使得可以顺序地和分别地获取并处理每个界面的干涉信号，以便获得光学元件的所有界面的形状信息。
根据本发明的设备还能够包括配置为在垂直于测量光束的平面中移动光学元件的移动装置。
因此，在点模式的干涉测量传感器的情况下，例如，能够根据多个测量点扫描视场。
同样，在全场干涉测量传感器的情况下，能够根据多个部分视场来扫描视场。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于测量包括多个界面的光学元件的待测界面的形状的测量方法，该方法由测量设备实现，该测量设备包括测量装置，该测量装置具有由低相干光源照射的至少一个干涉测量传感器，其配置为将测量光束导向光学元件以穿过所述多个界面，以及选择性地检测由被所述待测界面反射的测量光束与参考光束之间的干涉产生的干涉信号，该设备还包括定位装置和数字处理装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-通过定位装置将干涉测量传感器的相干区域相对定位在待测界面的层面处；
-使用测量装置测量界面，以便产生干涉信号；以及
-使用数字处理装置处理干涉信号，以便根据视场获得所述待测界面的形状信息。
根据本发明的方法还能够包括将与干涉测量传感器的图像平面共轭的物体平面相对定位在待测界面的层面处的步骤。
至少能够顺序地或相继地实施定位相干区域的步骤和测量步骤，以便测量多个界面中的不同待测界面的形状。
类似地，能够顺序地或相继地实施将与干涉测量传感器的图像平面共轭的物体平面的相对定位在界面的层面处的步骤，以用于测量多个界面中不同待测界面的形状。
因此，能够测量光学元件的所有界面，例如，从顶部界面开始，到底部界面结束，在不需要翻转或操纵光学元件的情况下穿过所有“掩埋”中间界面。
针对连续界面采集的干涉信号的处理能够在不同界面上的测量之间顺序执行，或者一旦对所有界面采集了所有干涉信号就能够执行。
根据决非限制性的实施例，处理干涉信号的步骤包括使用轮廓术对针对同一个待测界面获取的多个干涉图进行分析。
轮廓术是基于对干涉测量传感器中的多个光程差采集的干涉图的处理序列，这些干涉图构成了干涉信号。根据所实施的分析技术，能够以不同的方式获取这些序列。
多个干涉图能够特别地根据相移干涉测量方法来获取。
在这种情况下，对于光学元件的每个界面，在小于光源相干长度的光程差的范围内，针对测量光束与参考光束之间的光程差或相位差的多个值来获取多个干涉图。然后，通过将诸如卡雷(Carré)算法的已知算法应用于分别针对不同光程差值在该视场的点处获得的一系列干涉值，来确定干涉图在视场的任何点处的相位和可选的振幅。
多个干涉图也能够根据垂直扫描干涉测量方法获得。
在这种情况下，对于每个界面，在优选延伸超过光源相干长度的光程差的范围内，针对测量光束与参考光束之间的光程差或相位差的多个值来获取多个干涉图。然后，在视场的每个点处，确定在界面上反射的测量光束与参考光束之间的光程差值为零的光程差值。为此，可能在所讨论的点处检测例如干涉图包络的最大幅度，或者干涉图的相位自身抵消的位置。
根据另一个非限制性实施例，处理干涉信号的步骤能够实现使用数字全息术的计算方法。
记录干涉信号或干涉图。然后，使用数字全息方法，通过模拟用数字参考波照射检测器上的干涉图的过程来数字重建所讨论的界面。这种方法的优点是只需要获取单个图像或干涉信号就可计算光学表面的形状。
有利的是，处理干涉信号的步骤还能够包括校正步骤，该步骤考虑由测量光束穿过的界面的形状信息，以便获得待测界面的光学形状和/或几何形状信息。
事实上，如上所述，在测量“掩埋”光学元件中的表面或界面的过程中，所测量的光学形状还能够取决于介质以及测量光束在到达这些掩埋表面之前穿过的界面的形状，特别是因为引入了波前和像差的修正。在这种情况下，必须进行校正，以确定界面的真实光学或几何形状。
为了进行这种校正，可以使用光传播模型和先验知识，或者在光学元件的先前测量期间获取的知识，例如材料的折射率和通过的界面的位置和形状。
根据本发明的方法能够被实施以测量光学元件的界面的形状和/或位置，该光学元件是具有例如智能手机的物镜的透镜的光学组件的形式，该界面包括透镜的表面。
附图说明
通过对非限制性示例的详细描述的分析以及附图，其他优点和特征将变得显而易见，在附图中：
-图1a是根据本发明的测量设备的原理的示意图；
-图1b是待测量、特别是通过实施本发明的设备来测量的光学元件的示例的示意图；
-图2是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的第一示例的示意图；
-图3是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的第二示例的示意图；
-图4是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的第三示例的示意图；
-图5是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的第四示例的示意图；
-图6是根据本发明的测量方法的非限制性实施例示例的示意图；以及
-图7是利用本发明获得的待测物体的测量的示例。
很好理解，下文将描述的实施例决不是限制性的。如果特征的选择足以赋予技术优势或使本发明相对于现有技术的状态有所区别，则可以特别地设想本发明的变型仅包括下文描述的特征的选择，而与所描述的其他特征分离。该选择包括至少一个优选功能性的特征，所述特征没有结构细节或者仅具有结构细节的一部分，如果该部分本身足以赋予技术优势或使本发明相对于现有技术的状态有所区别的特征。
特别地，如果从技术角度来看不反对这种组合，则所有的变型和所有描述的实施例能够组合在一起。
在附图中，若干附图共有的元件保持相同的附图标记。
具体实施方式
图1a是用于可视化本发明的原理的示意图。
测量设备1被设置成对具有多个界面的光学元件1000的待测界面的形状进行测量。
设备1包括光源2、干涉仪3和检测器4。干涉仪3和检测器4能够形成干涉测量传感器。光源2是低相干光源，配置为将测量光束导向光学元件，以便穿过界面。干涉仪3配置成产生干涉信号，该干涉信号源于由待测界面反射的测量光束与参考光束之间的干涉。干涉信号由检测器4检测。该干涉信号包含对测量光束所反射的界面的光学形状的测量。因此，根据界面上的视场获取一个或更多个干涉信号。
设备1还包括用于将干涉仪的相干区域相对定位在物体1000的待测界面的层面处的定位装置6。
设备1还包括数字处理装置7。这些处理装置7配置成基于所测量的干涉信号，根据视场产生待测界面的形状信息。这些处理装置7至少包括计算机、中央处理或计算单元、微处理器和/或合适的软件装置。
图1b是在本发明范围内的待测光学元件的示意图。照相机的物镜类型的光学元件1000由镜筒101构成，透镜102位于其中。根据光学轴线104对准的透镜102具有表面或界面103。根据本发明的设备1被设置成根据围绕光学轴线104的视场108获得这些表面或界面103的形状信息。图2还示出了源自测量设备1的测量光束606。
为了获得界面的光学测量结果，根据本发明的设备能够实现不同的干涉测量技术。该设备能够特别地包括以点模式工作的低相干干涉仪，或者全场低相干干涉仪。
图2是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的示例的示意图。
如图2所示，干涉仪4000是时域低相干干涉仪。
干涉仪4000能够例如在红外线中工作。为了测量具有抗反射涂层的光学组件，为干涉仪选择不同于优化抗反射涂层的工作波长能够是有利的，在这种情况下，它们能够表现出高反射率。因此，在红外线下工作的干涉仪非常适合于测量用于可见光波长的光学组件。
干涉仪4000在点模式下操作，即，它仅使得可以在待测光学元件1000的表面或界面的视场108的时刻获取单个点408。
在图2所示的实施例中，干涉仪4000包括基于单模光纤的双迈克尔逊干涉仪。双干涉仪由光纤光源402照明。光源402能够是超发光二极管(英文为Super LuminescentDiode,SLD)，其中心波长例如在1300纳米到1350纳米的量级，并且其光谱宽度在60纳米的量级。该波长的选择特别对应于部件的可用性的标准。
源自光源402的光通过光纤耦合器409和光纤406被导向准直器407，以构成点测量光束106。光束的一部分在准直器407的层面处被反射在光纤406中，例如在构成光纤末端的二氧化硅-空气或玻璃-空气界面处被反射，以便构成参考波。
源自例如光学元件1000的界面103的回射被耦合到光纤406中，并与参考波一起被导向围绕光纤耦合器401构建的解码干涉仪。该解码干涉仪具有光学相关器功能，其两个臂分别是固定的参考404和时间延迟线405。在参考404和延迟线405的层面处反射的信号通过耦合器401在检测器403上组合，检测器403是光电二极管。延迟线405的功能是在入射波与反射波之间引入光学延迟，该延迟以已知的方式随时间变化，例如通过反射镜的位移获得。
调节解码干涉仪的臂的长度，以便可以利用延迟线405再现在准直器407的层面处反射的参考波和源自光学元件1000的界面的回射之间的光程差的差异，在这种情况下，在检测器403的层面处获得干涉图，该干涉图的形状和宽度取决于光源402的光谱特性，特别是其光学相干长度。
因此，相对于准直器407或产生参考波的准直器的界面，干涉仪4000的测量区域由解码干涉仪的臂之间的光学长度差和延迟线405的最大行程确定。该测量区域对应于必须其中找到待测界面103的相干区域。
为了获得界面103的光学形状，视场108能够根据不同位置(X，Y)处的多个测量点408扫描。为此，测量设备能够包括例如用于相对于准直器407移动待测元件1000的平移台。
不同界面103能够获得的视场108特别取决于准直器407的数值孔径和表面的曲率。事实上，为了获得测量结果，测量光束106在界面103上的镜面必须反射耦合回到准直器407和干涉仪4000中。
图3是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的另一示例的示意图。
如图3所示，干涉仪6000是一个全场低相干干涉仪。
设备6000基于迈克尔逊或林尼克(Linnik)干涉仪，由立方体或分束器形状的分离器元件604形成，具有将测量光束606导向待测光学元件1000的测量臂，以及具有使参考光束616成形的反射镜605的参考臂。
干涉仪6000由低相干光源612经由立方体或分束器形式的光分离器元件603照射。光源612能够包括例如超发光二极管(SLD)、二极管、热光源(卤素灯等)或超连续光源。光源612还能够包括例如具有光栅和狭缝的过滤设备或者干涉滤光器，用于将相干长度调节到几十或几百微米。光源612能够设置成在可见波长或近红外波长下发射大约一个或更多个波长。
当然，分离器元件603、604能够是非偏振的，或者偏振的，并且与四分之一波长分离器相关联以制造无损耦合器。
分别反射到干涉仪的两个臂中的测量光束606和参考光束616经由光束分离器603被导向具有传感器602的照相机601，传感器602包括例如CMOS或CCD类型的检测矩阵。
当测量光束606与参考光束616之间的光程差小于光源612的相干长度时，在检测器602上获得干涉。
如图3所示，设备6000还包括聚焦透镜或物镜607以及管透镜609，其被设置以限定与在传感器602上形成的图像平面共轭的物体平面。参考臂还包括物镜610，该物镜610还与管透镜609一起限定了与传感器602的图像平面共轭的参考物体平面。
设备6000是全场成像设备，其使得可以根据视场108对光学元件1000的界面103进行成像，该视场108由成像系统的视场及其在聚焦物镜607的层面的数值孔径确定。事实上，为了获得测量结果，测量光束606在界面103上的镜面反射必须耦合回成像系统。
通常，设备6000包括用于将照明光束聚焦在聚焦物镜607和参考臂的物镜610的后焦平面中的光学元件。为了清楚起见，图中未示出照明光束。
设备6000还包括用于改变参考臂的长度的第一位移装置611，例如以平移台611的形式移动参考镜605。参考臂的物镜610也能够是可调的，以将参考镜605保持在与传感器602形成的图像平面共轭的物体平面中。
设备6000还包括第二位移装置608，所述第二位移装置的功能是使与传感器602形成的图像平面共轭的物体平面位移，以便例如将连续的界面103顺序地成像到传感器602上。该移动装置608能够包括用于例如利用线性或螺旋平移设备来位移聚焦物镜607或该物镜的透镜的系统。替代地或附加地，该位移装置608能够包括用于使设备6000相对于光学元件1000位移的平移设备或平移台，反之亦然。
图4是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的另一示例的示意图。
设备7000基于马赫-曾德尔干涉仪，具有将测量光束606导向待测光学元件1000的测量臂，以及参考光束716在其中传播的参考臂。
干涉仪7000由低相干光源712照射。光源712可以包括例如超发光二极管(SLD)、二极管、热光源(卤素灯等)或超连续光源。光源712还能够包括例如具有光栅和狭缝的过滤装置或干涉滤光器，用于将相干长度调节到几十或几百微米。光源712能够设置成在可见波长或近红外波长下发射大约一个或更多个波长。
来自光源712的光被立方体或分束器形式的第一分离器元件703分离成测量光束606和参考光束716。
干涉仪7000包括测量臂中的第二分离器元件713，该第二分离器元件为立方体或分束器形式，用于将测量光束606导向待测量元件1000，并将反射光传输到该元件中。
在图4所示的实施例中，设备7000还包括在参考臂中的调节元件，该调节元件用于引导和改变参考臂的光程长度。该元件能够例如且非限制性地由立方体或分束器710形式的分离器元件和参考镜705产生，参考镜705可以通过诸如平移台的平移装置711平移。
测量光束606和参考光束716经由立方体或分束器形式的分离器元件704组合，并被导向具有传感器702的照相机701，传感器702包括例如CMOS或CCD类型的检测矩阵。
当然，马赫-曾德尔干涉仪能够用非偏振或偏振的元件制造，并与四分之一波长分束器结合，制成无损耦合器。它也能够至少部分地用光纤制造。
当测量光束606与参考光束716之间的光程差小于光源712的相干长度时，在检测器702上获得干涉。
设备7000还包括聚焦透镜或物镜707以及管透镜709，其被布置成限定与传感器702上形成的图像平面共轭的物体平面。
设备7000还是全场成像设备，其使得可以根据视场108对光学元件1000的界面103成像，该视场由成像系统的视场及其在聚焦物镜707的层面处的数值孔径确定。事实上，为了获得测量结果，测量光束606在界面103上的镜面反射必须耦合回成像系统。
通常，设备7000包括用于将照明光束聚焦在聚焦物镜707的后焦平面中的光学元件。为了清楚起见，图中未示出照明光束。
设备7000还包括位移装置708，所述位移装置的功能是使与传感器702形成的图像平面共轭的物体平面位移，以便例如将连续的界面103顺序地成像到传感器702上。该移动装置708能够包括用于例如利用线性或螺旋平移设备来位移聚焦物镜707或该物镜的透镜的系统。替代地或附加地，该位移装置708能够包括用于使设备7000相对于光学元件1000位移的平移设备或平移台，反之亦然。
应当注意，图3和图4所示的干涉仪6000、7000也能够用点检测器601、701产生，使得一次只能获取视场108的单个测量点。在这种情况下，如对根据图2中实施例的设备4000所描述的，有必要在X、Y方向上扫描视场108。
图5是能够在本发明范围内使用的干涉测量设备的另一示例的示意图。
根据图5中的示例的干涉测量设备8000是如图3和图4所示的全场干涉仪6000、7000和如图2所示的点模式干涉仪4000的组合。
设备8000还包括光学耦合元件801，用于将由第一准直器410成形的点模式干涉仪4000的点测量光束106与全场干涉仪6000、7000的测量光束606耦合。耦合元件801被设置成允许光束沿着平行或合并的传播方向的精确且优选固定的相对定位。耦合元件108能够包括偏振或非偏振的分光器或半反射立方体。它还能够包括例如用于将红外的点测量光束106与可见波长内的全场测量光束606进行耦合的分色镜。
点测量光束106优选位于待测光学元件1000的光学轴线104上。为此，待测元件1000和测量光束106、606能够例如利用在X、Y平面中的平移台相对于彼此位移。全场干涉测量照相机6000、7000能够用于控制或可视化这种位移，并且例如通过在图像或界面形状的测量结果中寻找对称性来定位光学轴线。
光束106、606在光学轴线上的位置也能够基于用点模式干涉仪4000进行的测量来调整。事实上，光学轴线上的定位是入射点模式光束垂直于所有界面的唯一位置，因此特别是针对具有折射透镜的光学元件1000产生测量结果。
另一方面，这也使得以这种方式定位光学轴线成为可能。
对于干涉测量设备4000、6000或7000，当表面或界面103出现在相干区域中时，由于针对视场108的测量光束与参考光束之间的干涉，在检测器上获得干涉结构。
为了从中推导出表面的形状，或者至少可见光学表面的形状，能够使用多种已知的方法，如下所述。
根据图1所示实施例的设备1，所述设备包括根据图2、3和4所示实施例之一的干涉仪，所述设备能够用于实施将在下文中描述的根据本发明的方法的步骤。
图6是根据本发明的测量方法的非限制性实施例的示意图。
图6中所示的方法10包括将相干区域相对定位在光学元件1000的待测界面103的层面处的步骤12。
如果聚焦物镜407、607、707的景深足以从待测量元件的所有界面103获得信号，则通过改变参考臂的光学长度，例如通过移动参考镜605、705或通过改变延迟线405的长度，测量光束106、606与参考光束616、716之间的干涉能够在检测器602、702、403上形成的相干区域沿着光学轴线104移动。当该相干区域通过界面103时，有可能在可测量视场108的所有点处获取干涉信号。
根据图6所示的实施例，方法10还包括步骤13，在待测界面103的层面处，将与图像平面共轭的物体平面相对定位在传感器602、702上。
事实上，优选地，通过改变测量光束的聚焦距离，将待测界面103定位在与位于传感器602、702上的图像平面共轭的物体平面中，或者定位在光纤406末端的准直器407中。由于较好地利用了准直器407或聚焦物镜607、707的数值孔径，这使得优化耦合回成像系统的功率以及根据具有较陡局部梯度的视场108来测量界面成为可能。
在图2、图3和图4所示的干涉仪的示例中，相干区域的位移和物体平面的位移以下列方式进行。
相干区域沿着光学轴线104的位移例如通过位移参考镜605、705来实现。参考镜在光学距离方面的位移导致相干区域在光学距离方面沿着光学轴线104的同样的位移。应该记住，光学距离对应于几何距离乘以通过的介质的折射率。
例如，通过改变准直器407或聚焦物镜607、707与待测光学元件1000之间的距离Z，和/或通过改变准直器407、聚焦物镜607、707或插入测量光束中的其他光学元件的聚焦距离，来实现物体平面的位移，以将其定位在连续的界面上。最佳聚焦距离的检测能够基于例如最大反向耦合功率或最大图像对比度或干涉条纹的标准来进行。
有时，不可能将测量光束606聚焦在待测元件1000的特定界面上。这特别取决于准直器407或聚焦物镜607、707的折射功率或光功率以及光学元件1000通过的界面的曲率。在这种情况下，可以依赖于最佳的反向耦合功率。然而，一般来说，优选在待测(或至少更高的)光学元件1000的光学部件的折射功率之前使用具有折射功率或高光学功率并且具有大的数值孔径的准直器407或聚焦物镜607、707，以便能够在良好条件下测量界面103。
将物体平面定位在连续界面上所执行的位移取决于测量光束606穿过的连续介质以及所遇到的表面或界面的曲率。因此，它不一定随着元件1000的相对位移或真空或空气中物体平面的理论位置(在没有元件1000的情况下)而线性变化。
因此，相干区域和物体平面的这两个位移必须在必要时以协调的方式进行，以便将相干区域叠加在所讨论的物体平面上。
在例如图5所示的点模式干涉仪与全场干涉仪相结合的实施方式中，可以使用具有弱数值孔径的点测量光束106，从而具有大景深，以快速且非常精确地获得沿着待测元件1000的光学轴线的所有界面103的(光学)位置。应当注意，对于沿着光学轴线的这种点测量，待测界面不必在与点模式干涉仪4000的图像平面共轭的物体平面中。
因此，可以使用点模式干涉仪4000获得的位置测量值，用全场干涉仪6000、7000顺序地测量界面103，以便更快和更有效地针对每个界面调整该全场干涉仪的设置，特别是定位相干区域和与检测器的图像平面共轭的物体平面。
设置这种组合设备可以如下进行：
·通过使用点模式干涉仪4000来确定界面103沿光学轴线的光学位置；
·围绕该光学位置设置全场干涉仪6000、7000的相干区域；以及
·例如利用聚焦物镜调整全场干涉仪6000、7000的物体平面的位置。
在方法10的步骤14期间，通过测量光束106、606测量在上述步骤12、13期间已经位于相干区域中，并且可选地位于物体平面中的待测元件的界面。
图7示出了利用如图2所示的低相干干涉仪以点模式获得的针对照相机的物镜类型的光学元件1000的干涉测量结果的示例，该光学元件1000由沿着同一光学轴线104的四个微透镜102的堆叠形成，如图1b所示。这些微透镜具有各自的厚度d1、d2、d3和d4，并且被间隙e1、e2和e3分开。
更具体地，图7示出了与针对光学元件1000的所有界面获得的干涉图的包络相对应的峰值808。峰值代表测量光束在界面上的反射。微透镜表面的相应位置由十字表示，其他峰值由寄生反射引起。对于待测光学元件1000的光学轴线104的Z方向上的所有界面，该测量结果对应于视场108的测量点408。该测量在光学轴线104上进行。
所获得的值是沿着光学轴线104的Z方向的光学距离，并且相对于干涉仪的位置基准进行计数，该位置基准例如通过在图2中干涉仪4000的准直器407的层面处针对视场108中的位置(X，Y)构建不同部件或透镜102的界面103来定位。必须对视场的所有点(X，Y)重复测量，以获得整个视场以及光学元件的所有界面103的干涉结构。
当用如图3和图4所示的全场干涉仪进行测量时，在整个视场108中，在检测器上直接获得由测量光束与参考光束之间的干涉产生的干涉结构。
为了获得光学元件的表面或界面的真实几何形状，必须预先确定其光学形状，并如下文所述针对传播效应进行校正。
在方法10的处理阶段16期间，待测界面的所有干涉信号都被数字处理，以便从中推导出该界面的形状信息。
在处理的第一步骤17期间，确定界面的光学形状。如下文所述，这种光学形状被称为“表观”，因为它受到通过的任何界面的影响。这是从干涉测量中推导出来的。
能够使用不同的已知方法来确定光学和/或几何形状。
根据第一实施例，轮廓测量方法能够用于执行步骤17。轮廓术是基于干涉图序列的处理。
在这种类型的方法中，测量光束和参考光束优选地被调整，以便以基本平行或合并或稍微倾斜的传播方向入射到检测器上，从而产生固体或稍微调制的干涉图。
这种轮廓测量方法的第一个示例实现了基于相移或相位步进干涉测量(PSI)的算法。
为此，对于光学元件的每个界面i，在光源相干长度的限制内，对于测量光束与参考光束之间的多个光程或相位差值，获取多个干涉图(构成干涉信号)。
然后，这样构成的干涉信号的视场108的任何点处的相位和可选的振幅通过将已知的算法(例如Carré算法)应用于针对不同相移在所讨论的点处获得的一系列干涉图，并且通过展开这样获得的模2pi相位来确定。
因此，在检测器的平面中获得一组测量的相位差值(或者更准确地说，检测器上的测量光束与参考光束之间的相位差)，rd是朝向参考系统(X，Y，Z)中的检测器的平面的点的坐标向量。
因此，可以利用常规关系式确定表面i的光学形状Lmi(rd)：
其中，λ是真空中光源的中心波长。
几何形状Smi(rd)能够通过以下关系从光学形状推导出来：
Smi(rd)＝Lmi(rd)/n， (2)
其中n是测量光束在其中反射的介质的群的折射率。
轮廓测量方法的第二个示例实现了基于垂直扫描干涉测量法(英文为verticalscan interferometry，VSI)的算法。
为此，对于每个界面i，对于干涉仪的测量臂与参考臂之间的多个光学延迟，在优选延伸超过光源的相干长度的光学延迟范围内，获取多个干涉图(构成干涉信号)。
在检测器的每个点rd处，检测在界面i上反射的测量光束与参考光束之间的光程差为零的光学延迟。为此，可以检测例如干涉图的包络的最大幅度，或者干涉图的相位本身抵消的位置。从而直接得到表面的光学形状Lmi(rd)。
根据步骤17的另一个实施例，能够使用数字全息方法。
在数字全息方法中，也称为“离轴干涉测量法”，测量光束与参考光束优选地被调整，以便以倾斜的传播方向入射到检测器上，或者在它们之间形成一个角度。
当由界面i反射的测量光束和参考光束具有小于光源的相干长度的光程差或延迟时，在检测器上获得干涉信号或干涉图Imi(rd)，其中，相位信息被编码在光束的倾斜方向上的条纹网络中。
检测器上的干涉图能够用下面的等式表示：
其中，Emi是由界面i反射并入射到检测器(测量光束)上的复数形式的电磁波，ER是复数形式的参考电磁波，为简单起见假设为常数，而*是复共轭。
前两项对应于零阶，第三项和第四项分别对应于实像和虚像。
通过在测量光束与参考光束之间选择足够大的角度，这些不同的衍射项或衍射级在傅立叶域中被分离，因此能够被过滤。
因此，对应于真实图像的项能够通过用下式在傅立叶域中滤波来获得，如下：
其中，FFT是快速傅立叶变换，FFT-1是其逆变换。M是在频域中应用的滤波器，以对与真实图像相对应的项进行滤波，从而保持聚焦物镜的数值孔径中存在的空间频率。
一旦获得对应于实像ER*Emi(rd)的项，就可以利用与所使用的参考波相对应的数字参考波ERD对其进行数字照明，以便获得所寻求的电磁场Emi(rd)的表达式：
应当注意，通过假设参考波是恒定的或均匀的，也能够通过平移基带滤波图像(零频率附近)在傅立叶域中执行该步骤。
使用电磁场Emi(rd)的相位然后用关系式(1)可以确定表面的光学形状Lmi(rd)，以及用关系式(2)可以确定几何形状Smi(rd)。
如前所述获得的光学或几何形状是投射到检测器上的形状。为了获得界面的真实光学或几何形状，仍然必须考虑界面与检测器之间的光学系统的影响。
当界面位于与检测器的图像平面共轭的物体平面中并且考虑完美的光学系统时，可以使用成像系统的放大，这使得共轭物体平面中的点ri对应于检测器的点rd，ri是指向参考系统(X，Y，Z)中共轭物体平面的点的坐标向量。因此，利用正确的放大，获得了光学系统的校正界面的光学形状Lmi(ri)或几何Smi(ri)形状。
根据实施例，可以考虑光学系统的像差。这能够例如通过校准、通过在位于光学元件1000位置的镜上进行测量来完成。因此，可以确定由这些像差产生的光学形状，能够从测量的光学形状中减去这些像差。因此，也可以考虑检测器上参考光束的相位分布。这使得可以提高由根据本发明的方法执行的形状测量的精度。
根据采集和处理方法，特别是通过实施如前所述的数字全息技术，可以在检测器处获得电磁场Emi(rd)的完整表达式(具有振幅和相位)。然后可以用已知的方法数字传播电磁场，例如向另一个重建平面传播。一些方法特别使用菲涅耳近似，例如傅立叶变换方法(Appl.Opt.38，6994-7001(1999))，角度光谱(Opt.Express 13，9935-9940(2005))或卷积(Meas.Sci.Technol.13，R85-R101(2002))。
例如，在检测器不完全处于与界面的物体平面共轭的图像平面中的情况下，可以通过将在检测器处测量的电磁场数字地传播到该平面来确定图像平面中的电磁场Emi(rd)。
类似地，通过基于检测器的平面将电磁场传播到所讨论的界面，可以更严格地确定界面的形状。
为了测量光学元件1000的连续界面，例如利用关于图2、图3、图4和图5描述的设备4000、6000、7000，在方法10的步骤12、13和14期间，通过将相干区域和可选的物体平面定位在每次测量中测量的界面i的层面处来连续获取连续界面i的相位和/或光学形状Lmi(rd)的测量结果。
然而，在所讨论的界面103之前测量光束穿过的光学元件1000的界面也改变了测量光束的传播。因此，为了获得界面I的光学或几何形状信息的真实项目，必须考虑它们。
根据非限制性实施例并参照图6，根据本发明的方法10的处理阶段16包括用于考虑测量光束穿过的介质的校正步骤18。该校正可以应用于在步骤17中获得的光学或几何形状。
根据第一示例，该校正步骤18使用电磁波通过不同材料和界面直到所讨论的界面i的传播模型来执行，所述界面i包括干涉仪的所有光学部件和待测光学元件1000通过的界面。
作为说明，可以使用下面描述的简单模型。这个模型在菲涅耳近似下是有效的，假设在没有振幅调制的情况下电磁波在均匀介质中传播并通过光滑或镜面界面。因此，它特别适用于测量具有折射元件或透镜的光学元件。
还假设，使用存在于图像平面与物体平面二者之间的光学系统，被测量的每个界面103被定位在与检测器的图像平面共轭的物体平面中。这使得有可能在检测器上获得具有该物体平面与这些图像平面之间的关系的界面的图像，如上所述，该图像能够使用简单的放大G来建模。这包括针对连续界面的每次测量，相对于待测的光学元件移动物体平面。对应于每个界面的图像平面与物体平面之间的关系以及因此的放大取决于测量光束通过的光学元件的界面直到所讨论的界面。然而，在实践中，只要放大基本上由干涉仪的光学系统由于它们的高光学功率而确定，干涉仪的光学系统例如聚焦物镜607、707和管透镜609、709，可以假设在位于不同界面层面处的图像平面与物体平面之间已知且相同的放大G。
E0(rd)表示由参考元件(例如平面镜)反射的入射到检测器上的测量光束的电磁场。
在待测光学元件的第一界面上反射并入射到检测器上的电磁场Em1(rd)能够写成
其中，是由于第一界面上的反射而产生的相位，如通过将相干区域和与第一界面上的检测器的图像平面共轭的物体平面定位而由前述干涉测量方法之一检测到的。
如上所述，可以从中推导出第一界面的光学形状：
忽略这些计算中不涉及的传播项，在第二界面上反射并入射到检测器上的电磁场能够写成：
其中，是由于第二界面上的反射而产生的相位，如通过将相干区域和与第二界面上的检测器的图像平面共轭的物体平面定位而由前述干涉测量方法之一检测到的。
项
是如测量的表观相位，包括取决于测量界面和测量光束通过的前一界面以到达测量界面的项。只要先前确定的是已知的，就可以确定
基于第二界面的校正或真实光学形状能够如下确定：
一旦获得了光学形状和位置，就可以通过考虑不同材料的折射率以及图像平面与物体平面之间的放大来推断几何形状。
在使用如图2所示的点模式干涉仪的情况下，物体平面的位移能够包括准直器407的相对位移，为了计算视场中不同测量点408处的界面的光学距离或位置，必须考虑该相对位移。
根据第二个示例，校正步骤18是通过计算测量光束通过直到所讨论的界面i的光学系统点扩展函数(英文为Point Spread Function，PSF)或光学传递函数(在傅立叶域)来执行的，包括干涉仪的所有光学部件和待测光学元件通过的界面。
校正步骤18也能够使用光学元件上的设计信息来执行，如果它们可用的话。例如，可以使用设计信息，例如界面的形状或标称曲率，以便在实施例如前述模型之一时对测量光束穿过的界面的影响进行校正。因此，例如可以通过测量来验证视场中界面的形状，然后使用其完整的标称形状(特别是对于非球面或“自由”形状)来校正以下界面的测量结果。例如，也可以使用标称的但是根据测量结果沿着光学轴线定位的界面形状。
校正步骤18以光学元件通过的界面的顺序执行。因此，对于所讨论的每个界面，测量光束先前通过的界面的校正光学和/或几何形状是可用的。
校正步骤18能够根据不同的顺序执行。
特别是可以获取或测量所有界面的所有相位或所有表观光学形状(未校正)，然后在后面的序列中计算校正的光学形状和几何形状。
还可以顺序采集和处理不同界面的干涉信号。在这种情况下，可以使用先前确定的界面的真实(校正的)光学或几何形状来更快速地调整设备的聚焦，特别是更有效地将物体平面定位在下一个界面上。
如前所述，通过知道待测元件的材料或至少它们的折射率，能够基于光学形状和厚度来确定界面的几何形状和部件的厚度。
根据一个示例，对于每个界面测量，能够顺序地确定界面的位置和真实几何形状。例如，这能够使得可以使用这些信息项来计算通过它们的光的传播，以测量以下界面。
还可以根据光学值来完全表征待测的光学元件，而无需关于材料的先验知识。因此，可以根据传播效应确定校正界面的所有光学形状和光学位置，然后在后面的步骤中计算光学元件的几何形状和尺寸。
根据图6所示的实施例，方法10还包括分析在处理阶段16中获得的形状信息的分析阶段19。
根据一个示例，倾斜和/或偏心能够在分析阶段19期间确定。该确定能够例如通过首先确定或估计光学元件的光学轴线位置来执行。光学轴线能够定义为尽可能靠近所有或部分被测表面或界面的顶点或顶点(根据光学系统的Z轴线)的直线。
然后，可以将所讨论的界面的表观顶点与先前确定的待测元件的全局或平均光学轴线的位置进行比较，和/或与基于对称轴线的研究而识别的光学部件的表观单个光学轴线的位置进行比较。
根据另一个示例，在分析阶段19期间，光学元件中的错误的或不合规的光学部件能够被识别。例如，这种识别能够通过将表面的距离、厚度或形状的测量值与源自光学元件设计的参考值进行比较来产生。因此，能够检测到诸如错误的厚度和/或表面形状的不符合值，或者沿着光学轴线不正确定位的部件，这些部件之间具有不符合的空间。
根据又一示例，在分析阶段19期间，相对于光学轴线倾斜的光学部件或透镜能够被识别。这种识别能够例如使用以下步骤来执行：
-在测量方向Z上检测所有界面的顶点；
-计算由平行于测量方向Z的直线所定义的平均光学轴线，该直线尽可能靠近(例如在最小二乘方向上)顶点，或者通过任何其他方式获得该光学轴线；以及
-检测其顶点的位置明显远离(根据预定标准)光学轴线的界面。这些界面对应于偏心或倾斜的部件。
可选地，能够确定连接部件的界面顶点的部件的轴线。然后可以将该局部轴线与光学元件的光学轴线进行比较，以便确定其偏心(局部轴线平行于光学轴线但偏离该光学轴线)和/或倾斜(局部轴线相对于光学轴线倾斜)。
根据其他示例，在分析阶段19期间，还可以基于界面的形状信息来确定：
-光学部件的折射率(如果它们的厚度已知)；
-光学部件的厚度(如果它们的材料或折射率已知)；和/或
-表面的地形。
当然，本发明不限于刚刚描述的示例，在不超出本发明范围的情况下，可以对这些示例进行许多修改。

Claims (16)

1.一种测量设备(1)，用于测量包括多个界面的光学元件(1000)的待测界面(103)的形状，所述设备(1)包括：
-测量装置(4000、6000、7000)，其包括低相干源以及由所述低相干源(402、612、712)照射的至少一个干涉测量传感器，所述测量装置配置为将测量光束(106、606)导向所述光学元件(1000)以穿过所述多个界面，并且选择性地检测由被所述待测界面(103)反射的测量光束(106、606)与参考光束(616、716)之间的干涉产生的干涉信号；
-定位装置(608、611、708、711)，其配置用于将所述干涉测量传感器的相干区域相对定位在所述待测界面的层面处；
-数字处理装置，其配置以基于所述干涉信号、根据视场(108)产生所述待测界面(103)的形状信息，
所述测量装置(4000、6000、7000)包括点模式干涉测量传感器(4000)和全场干涉测量传感器(6000、7000)。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述形状信息包括所述待测界面(103)的光学形状和/或几何形状。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述定位装置(608、611、708、711)还被配置用于将与所述干涉测量传感器的图像平面共轭的物体平面相对定位在所述待测界面的层面处。
4.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述全场干涉测量传感器包括迈克尔逊干涉仪。
5.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述全场干涉测量传感器包括马赫-曾德尔干涉仪。
6.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述定位装置(608、611、708、711)配置为将所述相干区域连续地定位在所述光学元件(1000)的不同界面(103)的层面处。
7.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述设备还包括配置为在垂直于所述测量光束的平面中位移所述光学元件的位移装置。
8.一种用于测量包括多个界面的光学元件(1000)的待测界面(103)的形状的测量方法(10)，所述方法(10)由测量设备(1)实现，所述测量设备包括测量装置(4000、6000、7000)，所述测量装置包括低相干源以及由所述低相干源(402、612、712)照射的至少一个干涉测量传感器，所述测量装置配置为将测量光束(106、606)导向所述光学元件(1000)以穿过所述多个界面，以及选择性地检测由被所述待测界面(103)反射的测量光束(106、606)与参考光束(616、716)之间的干涉产生的干涉信号，所述测量装置(4000、6000、7000)包括点模式干涉测量传感器(4000)和全场干涉测量传感器(6000、7000)，所述设备(1)还包括定位装置(608、611、708、711)和数字处理装置，其特征在于，所述方法(10)包括以下步骤：
-通过所述定位装置(608、611、708、711)将所述干涉测量传感器的相干区域相对定位(12)在所述待测界面(103)的层面处；
-使用所述测量装置(4000、6000、7000)测量(14)界面(103)，以便产生干涉信号；以及
-使用所述数字处理装置来处理(16)干涉信号，以便根据视场(108)获得所述待测界面(103)的形状信息。
9.根据权利要求8所述的方法(10)，其特征在于，所述方法还包括将与所述干涉测量传感器的图像平面共轭的物体平面相对定位在所述待测界面(103)的层面处的步骤。
10.根据权利要求8或9所述的方法(10)，其特征在于，顺序地执行定位相干区域的步骤(12)和测量步骤(14)，以用于测量所述多个界面中的不同的待测界面(103)的形状。
11.根据权利要求8或9所述的方法(10)，其特征在于，处理所述干涉信号的步骤(16)包括使用轮廓术对针对同一个待测界面(103)获取的多个干涉图进行分析。
12.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，根据相移干涉测量方法或根据垂直扫描干涉测量方法获取所述多个干涉图。
13.根据权利要求8或9所述的方法(10)，其特征在于，处理所述干涉信号的步骤(16)实现使用数字全息术的计算方法。
14.根据权利要求8或9所述的方法(10)，其特征在于，处理干涉信号的步骤(16)还包括校正步骤(20)，所述校正步骤考虑由所述测量光束穿过的界面的形状信息，以便获得所述待测界面(103)的光学形状和/或几何形状信息。
15.根据权利要求8或9所述的方法(10)，其特征在于，所述方法被实施为测量光学元件(1000)的界面的形状和/或位置，所述光学元件为具有透镜(102)的光学组件的形式，所述界面(103)包括所述透镜(102)的表面。
16.根据权利要求15所述的方法(10)，其中，所述透镜(102)为智能手机的物镜。
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