專利名稱：一種非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
非球面元件能有效地消除像差、提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、減輕系統(tǒng)重量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)點，越來越得到廣泛的應(yīng)用。但是由于現(xiàn)有的加工和檢測水平限制了高精度非球面的發(fā)展。非球面各個參數(shù)特別是頂點球曲率半徑在加工、檢測和裝調(diào)中都是重要的參數(shù)，對成像質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大的影響，特別在高精度光學(xué)系統(tǒng)如光刻系統(tǒng)中影響尤甚。如附圖3非球面在透射光學(xué)模型中，非球面頂點球曲率半徑隨著偏移量的變化曲線圖4所示，非球面頂點球曲率半徑越小越靈敏，對精度要求越高，例如R為400mm的非球面頂點球曲率半徑偏離0.5mm時，對系統(tǒng)波前帶來0.4874 λ的影響，這樣的精度很難應(yīng)用在高精度要求為10_3λ的光學(xué)系統(tǒng)中。因此非球面應(yīng)用在高精度系統(tǒng)之前要進行測量和驗證頂點球曲率半徑是否為標(biāo)稱值。那么，用什么合適的方法來測量非球面頂點球曲率半徑呢？我們知道當(dāng)檢測球面曲率半徑時，平行光束經(jīng)消球差鏡會聚于其像方焦點處，只需調(diào)整被測球面球心與焦點共軛，則經(jīng)球面反射的光束經(jīng)原路返回該焦點處形成直條紋，通過判斷干涉條紋的形狀定位球面位置，因此只要能精確控制消球差補償鏡的貓眼位置到被測球面位置之間的距離即可精確得到球面的曲率半徑。非球面頂點球曲率半徑較球面檢測的難度在于非球面具有非共心光束的特點，運用上述測量球面的方法測量非球面不能形成直條紋，而是很多牛頓環(huán)狀條紋，這樣很難通過判斷條紋的形狀精確定位非球面的位置。常用的二次無像差點法中，如圖5和實施例描述，在實際系統(tǒng)裝調(diào)時很難精確測量各器件間距離，只能通過干涉條紋的形狀判斷各器件是否已定位好，不能看出非球面頂點球曲率半徑偏差對系統(tǒng)波前的影響，因此這種方法不能測量非球面頂點球曲率半徑。由上分析可知，非球面頂點球曲率半徑是一個重要的并且比較靈敏的參數(shù)，運用到高精度系統(tǒng)前要精確的測量其頂點球曲率半徑，盡量減小對系統(tǒng)的影響，因此，需一種能高精度測量非球面頂點球曲率半徑的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)及方法。非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)包括激光器、準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)、分光鏡、會聚透鏡、非球面、成像透鏡、探測器、參考面、導(dǎo)軌系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)毛玻璃；在同一光軸上依次設(shè)有激光器、準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)、分光鏡、會聚透鏡和非球面，非球面下方設(shè)有導(dǎo)軌系統(tǒng)，在分光鏡的一側(cè)，光軸的垂直方向上設(shè)有參考面，在分光鏡的另一側(cè)順次設(shè)有旋轉(zhuǎn)毛玻璃、成像透鏡和探測器；激光器經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)產(chǎn)生平行光，經(jīng)過分光鏡射入由會聚透鏡、消球差補償鏡組成的齊明鏡組，通過移動安裝非球面的導(dǎo)軌系統(tǒng)，使平行光經(jīng)齊明鏡后焦點與被測非球面的頂點重合，再運用導(dǎo)軌系統(tǒng)移動非球面到指定位置，移去消球差補償鏡，運用會聚透鏡和非球面構(gòu)成檢測光路，與移入的參考面干涉形成干涉條紋，經(jīng)旋轉(zhuǎn)毛玻璃調(diào)制后再經(jīng)成像透鏡在探測器上得到干涉條紋。所述的會聚透鏡與消球差補償鏡組成齊明鏡組，會聚透鏡與非球面之間設(shè)有由兩片透鏡組成的消球差補償鏡，其中消球差補償鏡朝向非球面的表面為干涉定位參考面。非球面頂點球曲率半徑的測量方法是激光器經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)擴束后的平行光經(jīng)過分光鏡后，檢測光路會聚透鏡與非球面之間的間隔定位是通過運用齊明鏡的菲索精密定位系統(tǒng)與導(dǎo)軌系統(tǒng)完成的，即齊明鏡組的焦點位于被測非球面的頂點時，利用導(dǎo)軌系統(tǒng)移動被測非球面至檢測位置，然后移去消球差補償鏡組，實現(xiàn)非球面頂點球曲率半徑測量，對測量系統(tǒng)建立建模系統(tǒng)，并觀察測量系統(tǒng)與建模系統(tǒng)干涉條紋的數(shù)目，在建模系統(tǒng)中不斷改變非球面的頂點球曲率半徑使測量系統(tǒng)與建模系統(tǒng)條紋及其波像差澤尼克系數(shù)相一致， 得到微米量級的非球面頂點球曲率半徑。


圖1是非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2是非球面在貓眼位置時構(gòu)成菲佐精密定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是透射型非球面光學(xué)系統(tǒng)模型；
圖4是非球面頂點球曲率半徑偏差量與波前偏差關(guān)系曲線圖5是二次無象差點法測量非球面曲率半徑的光路圖6是非球面在貓眼位置構(gòu)成菲佐精密定位系統(tǒng)時形成的干涉圖7是非球面頂點球曲率半徑測量方法的流程圖8是非球面頂點球曲率半徑測量裝置中采集到的干涉圖9是非球面頂點球曲率半徑測量系統(tǒng)在系統(tǒng)建模中的仿真干涉圖。
具體實施例方式如圖1、2所示，非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)包括激光器Si、準(zhǔn)直擴束系統(tǒng) S2、分光鏡S3、會聚透鏡S4、非球面S6、成像透鏡S8、探測器S9、參考面S10、導(dǎo)軌系統(tǒng)S11和旋轉(zhuǎn)毛玻璃S12 ；在同一光軸上依次設(shè)有激光器Si、準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)S2、分光鏡S3、會聚透鏡 S4和非球面S6，非球面S6下方設(shè)有導(dǎo)軌系統(tǒng)S11，在分光鏡S3的一側(cè)，光軸的垂直方向上設(shè)有參考面S10，在分光鏡S3的另一側(cè)順次設(shè)有旋轉(zhuǎn)毛玻璃S12、成像透鏡S8和探測器S9 ； 激光器Sl經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)S2產(chǎn)生平行光，經(jīng)過分光鏡S3射入由會聚透鏡S4、消球差補償鏡S5組成的齊明鏡組，通過移動安裝非球面S6的導(dǎo)軌系統(tǒng)S11，使平行光經(jīng)齊明鏡后焦點與被測非球面S6的頂點重合，再運用導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll移動非球面S6到指定位置，移去消球差補償鏡S5，運用會聚透鏡和非球面構(gòu)成檢測光路，與移入的參考面SlO干涉形成干涉條紋， 經(jīng)旋轉(zhuǎn)毛玻璃S12調(diào)制后再經(jīng)成像透鏡S8在探測器S9上得到干涉條紋。所述的會聚透鏡S4與消球差補償鏡S5組成齊明鏡組，會聚透鏡S4與非球面S6 之間設(shè)有由兩片透鏡組成的消球差補償鏡S5，其中消球差補償鏡S5朝向非球面S6的表面為干涉定位參考面S7
非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)中激光器Sl經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)S2產(chǎn)生平行光，經(jīng)過分光鏡S3射入承擔(dān)大球差的會聚透鏡S4，會聚透鏡S4和非球面S6之間的距離為Li，經(jīng)過會聚透鏡S4的光線經(jīng)非球面S6反射回來構(gòu)成檢測光束，然后與參考鏡SlO反射回的參考光束形成干涉，經(jīng)旋轉(zhuǎn)毛玻璃S12調(diào)制后再經(jīng)成像透鏡S8在探測器S9上得到干涉條紋。會聚透鏡S4與被測非球面S6之間的間隔Ll的變化會影響到條紋密度的變化，因此需要精確定位會聚透鏡S4與被測非球面S6之間的距離Li。 由于會聚透鏡S4是一個大球差系統(tǒng)，沒有一個固定的焦點，利用附加設(shè)計的消球差補償鏡S5，與會聚透鏡S4組合后為有消球差功能的齊明鏡組。由齊明鏡組成的菲索精密定位系統(tǒng)如圖2所示，激光器Sl經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)S2產(chǎn)生平行光，經(jīng)齊明鏡組后會聚于貓目艮，通過移動導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll，使被測非球面S6的頂點與貓眼位置重合，經(jīng)非球面S6的頂點反射的光束與干涉定位參考面S7反射回的參考光束干涉形成菲佐干涉條紋，經(jīng)旋轉(zhuǎn)毛玻璃 S12調(diào)制后再經(jīng)成像透鏡S8在探測器S9上得到干涉條紋。通過觀察干涉條紋的形狀判斷非球面S6的頂點是否與焦點重合。圖6是非球面在貓眼位置構(gòu)成精密定位時形成的干涉圖。會聚透鏡S4和非球面S6之間進行菲佐精密定位后，可以精確獲取會聚透鏡S4與被測非球面S6之間的距離LO。在非球面頂點球曲率半徑檢測系統(tǒng)中，會聚透鏡S4與被測非球面S6距離應(yīng)為Li，根據(jù)Ll與LO的值就可以得到導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll的移動量Δ L = Ll-L O。導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll從貓眼位置LO移動Δ L的距離使非球面S6到檢測位置L 1，該位置滿足從非球面S6返回的光束再經(jīng)會聚透鏡S4后具有最佳的條紋密度，便于分辨。然后移去消球差補償鏡組S5，同時移入標(biāo)準(zhǔn)參考平面鏡S10，與被測非球面S6返回的光束形成圖 1所示的非球面頂點球曲率半徑測量系統(tǒng)，在探測器上得到干涉條紋如圖8所示。非球面頂點球曲率半徑的測量方法是激光器Sl經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)S2擴束后的平行光經(jīng)過分光鏡S3后，檢測光路會聚透鏡S4與非球面S6之間的間隔定位是通過運用齊明鏡的菲索精密定位系統(tǒng)與導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll完成的，即齊明鏡組的焦點位于被測非球面S6的頂點時，利用導(dǎo)軌系統(tǒng)Sl 1移動被測非球面S6至檢測位置，然后移去消球差補償鏡組S5，實現(xiàn)非球面S6頂點球曲率半徑測量，對測量系統(tǒng)建立建模系統(tǒng)，并觀察測量系統(tǒng)與建模系統(tǒng)干涉條紋的數(shù)目，在建模系統(tǒng)中不斷改變非球面S6的頂點球曲率半徑使測量系統(tǒng)與建模系統(tǒng)條紋及其波像差澤尼克系數(shù)相一致，得到微米量級的非球面頂點球曲率半徑。圖7是非球面頂點球曲率半徑測量方法的流程圖。根據(jù)不同的非球面S6參數(shù)設(shè)計能夠承擔(dān)大球差會聚透鏡S4 ；根據(jù)會聚透鏡S4設(shè)計消球差補償鏡S5，兩者組合后具有消球差鏡的功能，稱為齊明鏡組；利用齊明鏡和安裝非球面的導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll建立實現(xiàn)精密干涉定位的菲佐型系統(tǒng)如圖2，運用導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll調(diào)整齊明鏡與被檢非球面S6之間的間隔，當(dāng)條紋均勻一片色時，表征已位于LO位置。然后移動被檢非球面S6至指定位置Ll，構(gòu)成檢測光路。移去消球差補償鏡S5，移入?yún)⒖肩RS10，使經(jīng)過分光鏡S3的光線由參考鏡SlO反射回來后構(gòu)成參考光路，兩路光形成干涉。微調(diào)非球面S6使干涉條紋處于居中的圓環(huán)，并采集干涉條紋；在光學(xué)設(shè)計軟件中對測量系統(tǒng)建立建模系統(tǒng)，設(shè)非球面頂點球曲率半徑為變量，改變其值，觀察建模系統(tǒng)中干涉條紋的變化情況，使與測量系統(tǒng)中采集到的條紋及其波像差澤尼克系數(shù)相一致，此時非球面頂點球曲率半徑為要求的值。
實施例本發(fā)明應(yīng)用于非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)實例描述如下。
實施例的被測非球面S6是一拋物面，口徑為159mm，頂點球的標(biāo)稱曲率半徑是816 mm。圖5是二次無像差點法測量非球面曲率半徑的光路圖，干涉儀采用口徑為100mm 的ZYGO GPI移相干涉儀，標(biāo)準(zhǔn)透鏡采用100mm、F/3. 3參考球面鏡，參考平面鏡Skef為內(nèi)徑 13mm、外徑149mm的平面反射鏡，干涉儀出射的光線經(jīng)過參考球面鏡，一部分經(jīng)過參考球面鏡后表面反射回去形成參考光路，一部分入射到被測非球面，經(jīng)被測非球面反射到參考平面鏡，再由參考平面鏡反射回非球面，又經(jīng)非球面反射回干涉儀形成檢測光路，參考光路和檢測光路干涉形成干涉條紋。在該系統(tǒng)中，非球面的焦點理論上應(yīng)與參考球面鏡的焦點重合，參考平面鏡應(yīng)放在兩焦點重合的位置，但是實際裝調(diào)時很難精確定位各器件，參考平面鏡和非球面都要適當(dāng)調(diào)整，很難精確測出其間的距離，只能通過干涉條紋的形狀判斷非球面的焦點與參考球面鏡的焦點是否重合。但在ZEMAX中對該模型建模，當(dāng)非球面頂點球曲率半徑偏差0. Imm時，系統(tǒng)波前相差3個波長，對系統(tǒng)波前帶來很大的影響，但在實際系統(tǒng)中僅判斷干涉條紋卻不能體現(xiàn)出對系統(tǒng)的影響。運用二次無象差點法掩蓋了非球面頂點球曲率半徑對系統(tǒng)的影響，很難精確測量非球面頂點球曲率半徑。我們在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)了一種精確測量非球面頂點球曲率半徑的方法，檢測出了標(biāo)稱非球面頂點球曲率半徑是不正確的，具體描述如下。圖1非球面頂點球曲率半徑測量系統(tǒng)，激光器Sl經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)S2產(chǎn)生平行光， 經(jīng)過分光鏡S3射入會聚透鏡S4，再經(jīng)過Ll位置的非球面反射回來與參考鏡SlO反射回的參考光束形成干涉條紋，經(jīng)毛玻璃S12和成像透鏡S8，最后經(jīng)探測器S9采集條紋。但是會聚透鏡S4沒有固定的焦點，很難確定會聚透鏡S4與非球面S6之間的距離Li。本發(fā)明中如圖2菲佐精密定位系統(tǒng)的光路布局可以起到精密定位作用。利用附加設(shè)計一組消球差補償鏡S5，與會聚透鏡S4兩者組合后具有消球差功能的齊明鏡組。而齊明鏡組的最后一面是干涉定位參考面S7。平行光經(jīng)齊明鏡組后會聚于焦點上并調(diào)整與被測非球面S6的頂點重合，而經(jīng)頂點的光束沿原路逆向返回，經(jīng)頂點后反射的光束與干涉定位參考面S7干涉形成菲佐干涉條紋，經(jīng)毛玻璃S12和成像透鏡S8在探測器S9上可以觀察到干涉條紋。通過移動安裝非球面S6的導(dǎo)軌系統(tǒng)S11，使平行光經(jīng)齊明鏡組后會聚于焦點上并調(diào)整與被測非球面S6的頂點重合，在探測器S9上可以觀察到干涉條紋。觀察條紋的形狀，當(dāng)焦點與被測非球面S6的頂點重合時，經(jīng)頂點后反射的光束與干涉定位參考面S7干涉形成菲佐干涉條紋， 可以觀察到圖6所示的均勻一片色的干涉條紋。當(dāng)焦點與被測非球面S6的頂點偏離時，條紋就會彎曲或者不是均勻一片色，通過判斷條紋的形狀可以表征是否已位于LO的位置。通過光學(xué)設(shè)計參數(shù)可計算出LO的位置為116. 86mm。在確定非球面調(diào)整位置已位于LO的位置時，利用可達微米量級定位精度的導(dǎo)軌系統(tǒng)S11，如圖1所示移動被測非球面S6至指定的位置Li，然后移去消球差補償鏡組S5。 在測量時多次調(diào)整經(jīng)驗得出會聚透鏡S4與被測非球面S6具有距離Ll為951. 6mm時具有適中的條紋密度，那么非球面S6從貓眼位置移動到Ll位置時，導(dǎo)軌系統(tǒng)Sll需要移動的距離為834. 74mm。此時移入標(biāo)準(zhǔn)參考平面鏡S10，使從非球面S6返回的光束與標(biāo)準(zhǔn)參考平面鏡 SlO形成非球面頂點球曲率半徑測量系統(tǒng)如圖1，采集測量系統(tǒng)干涉圖如圖8。對非球面頂點球曲率半徑測量系統(tǒng)建立建模系統(tǒng)，設(shè)置非球面頂點球曲率半徑為變量，在建模系統(tǒng)中， 觀察干涉條紋使其與測量系統(tǒng)中采集的條紋及其波像差澤尼克系數(shù)相一致，建模系統(tǒng)中干涉條紋如圖9，此時得到的非球面的頂點球曲率半徑為818. 952mm,比標(biāo)稱曲率半徑816mm 大了 2. 952mm，檢測出了標(biāo)稱非球面頂點球曲率半徑816mm是不正確的，為后續(xù)非球面檢測提供了可靠的非球面頂點球曲率半 徑。
權(quán)利要求
1.一種非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)，其特征在于包括激光器(Si)、準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)(S2)、分光鏡(S3)、會聚透鏡(S4)、非球面(S6)、成像透鏡(S8)、探測器(S9)、參考面(510)、導(dǎo)軌系統(tǒng)(Sll)和旋轉(zhuǎn)毛玻璃(S12)；在同一光軸上依次設(shè)有激光器(Si)、準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)(S2)、分光鏡(S3)、會聚透鏡(S4)和非球面(S6)，非球面(S6)下方設(shè)有導(dǎo)軌系統(tǒng)(511)，在分光鏡(S； )的一側(cè)，光軸的垂直方向上設(shè)有參考面(SlO)，在分光鏡(S； )的另一側(cè)順次設(shè)有旋轉(zhuǎn)毛玻璃(S12)、成像透鏡(S8)和探測器(S9)；激光器(Si)經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng) (S2)產(chǎn)生平行光，經(jīng)過分光鏡(S； )射入由會聚透鏡(S4)、消球差補償鏡(SO組成的齊明鏡組，通過移動安裝非球面(S6)的導(dǎo)軌系統(tǒng)(Sll)，使平行光經(jīng)齊明鏡后焦點與被測非球面(S6)的頂點重合，再運用導(dǎo)軌系統(tǒng)(Sll)移動非球面(S6)到指定位置，移去消球差補償鏡(S5)，運用會聚透鏡(S4)和非球面(S6)構(gòu)成檢測光路，與移入的參考面(SlO)干涉形成干涉條紋，經(jīng)旋轉(zhuǎn)毛玻璃(SU)調(diào)制后再經(jīng)成像透鏡(S8)在探測器(S9)上得到干涉條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非球面頂點球曲率半徑的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的會聚透鏡(S4)與消球差補償鏡(SO組成齊明鏡組，會聚透鏡(S4)與非球面(S6)之間設(shè)有由兩片透鏡組成的消球差補償鏡(S5)，其中消球差補償鏡(SO朝向非球面(S6)的表面為干涉定位參考面S7。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的非球面頂點球曲率半徑的測量方法，其特征在于，激光器(Si)經(jīng)準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)(S》擴束后的平行光經(jīng)過分光鏡(s;3)后，檢測光路會聚透鏡(S4)與非球面(S6)之間的間隔定位是通過運用齊明鏡的菲索精密定位系統(tǒng)與導(dǎo)軌系統(tǒng)(Sll)完成的，即齊明鏡組的焦點位于被測非球面(S6)的頂點時，利用導(dǎo)軌系統(tǒng)(Sll) 移動被測非球面(S6)至檢測位置，然后移去消球差補償鏡組(S5)，實現(xiàn)對非球面(S6)的頂點球曲率半徑測量，對測量系統(tǒng)建立建模系統(tǒng)，并觀察測量系統(tǒng)與建模系統(tǒng)干涉條紋的數(shù)目，在建模系統(tǒng)中不斷改變非球面(S6)的頂點球曲率半徑使測量系統(tǒng)與建模系統(tǒng)條紋及其波像差澤尼克系數(shù)相一致，得到微米量級的非球面頂點球曲率半徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非球面頂點球曲率半徑測量系統(tǒng)及方法。本發(fā)明解決了非球面頂點球曲率半徑在傳統(tǒng)裝置中無法精確測量的難點。本發(fā)明的技術(shù)特點在于，利用一個承擔(dān)大球差的會聚透鏡與輔助消球差補償鏡組合后形成起定位作用的齊明鏡組，將非球面精確定位在齊明鏡貓眼位置，再運用導(dǎo)軌系統(tǒng)移動非球面到指定的位置形成檢測光路，再移去輔助消球差補償鏡組，與參考光路形成了一個非球面頂點球曲率半徑測量系統(tǒng)。在光學(xué)設(shè)計類軟件中，如ZEMAX等，對該測量系統(tǒng)進行建模，不斷改變非球面頂點球曲率半徑值，直至建模系統(tǒng)中仿真條紋及其波像差澤尼克系數(shù)和實驗測量系統(tǒng)條紋及其波像差澤尼克系數(shù)相一致。該方法為高精度面形檢測提供了精確的頂點球曲率半徑。
文檔編號G01B11/255GK102155926SQ20111005602
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者卓永模, 吳高峰, 楊甬英, 田超, 駱永潔 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所, 浙江大學(xué)