一種高空間分辨長(zhǎng)程面形檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大尺寸鏡面物體的面形檢測(cè)，特別涉及一種基于剪切測(cè)量的高空間分 辨長(zhǎng)程面形檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)元件表面的面形誤差對(duì)光學(xué)系統(tǒng)性能有非常重要的影響，按照面形誤差空 間頻率的分布，可劃分為高空間頻率、中等空間頻率和低空間頻率誤差。已有的研究結(jié) 果表明不同的頻率誤差對(duì)成像系統(tǒng)的影響效果不同，例如高頻誤差的折射效應(yīng)和低頻誤 差的散射效應(yīng)不會(huì)明顯改變像平面上點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的形狀，只會(huì)引起聚焦能量的發(fā)散、所 成像對(duì)比度和信噪比的降低，相比而言，中頻誤差破壞了拓寬了系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，進(jìn)而 降低了成像質(zhì)量（參考文獻(xiàn)；James E.化rvey and Anita Kotha"Scattering Effects from Residual Optical Fabrication Errors."SPIE 2576. ；Youngworth, R. N. and B. D. Stone(2000). "Simple Estimates for the Effects of Mid-spatial-Frequency Surface Errors on Image Quality. "Appl. Opt. 39(13) :2198_2209.)。在不同的應(yīng)用上， 所關(guān)也的誤差空間頻率段不同。
[0003] 在同步福射領(lǐng)域，第H代的高能同步福射光源的同步光品質(zhì)非常高（幾微米尺寸 和幾個(gè)微弧度的發(fā)散），要將該樣的同步光高效率的調(diào)制傳輸?shù)酵礁Ｉ鋺?yīng)用實(shí)驗(yàn)的樣品 處，并仍保持其高品質(zhì)（高通量、高相空間亮度、高相干性），則要求束線站所使用的大量反 射光學(xué)元件面形誤差非常低。此外，納米聚焦也是同步福射領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容，同步福射 束線上采用較多的聚焦元件是反射式的Kirkpatrick-Baez鏡（W下簡(jiǎn)稱K-B鏡），為了實(shí) 現(xiàn)納米尺度的聚焦，美國(guó)布魯克海文國(guó)家同步福射新建光源（N化S II)認(rèn)為反射鏡的面形 誤差低于0.1微弧度。
[0004] 在傳統(tǒng)光學(xué)應(yīng)用中，面形檢測(cè)方法是使用原子力顯微鏡測(cè)量高頻誤差，干涉計(jì)量 方法測(cè)量中頻和低頻誤差，該兩種方法的測(cè)量范圍都局限在200mm-500mm的范圍，該兩種 方法無(wú)法滿足同步福射中大尺寸K-B鏡（一般為500mm-1000mm)的測(cè)量要求?；陔p細(xì) 光束干涉的長(zhǎng)程面形儀（Long Trace Profiler, W下簡(jiǎn)稱LT巧可W完成該種長(zhǎng)程測(cè)量的 功能，其包括光學(xué)頭（光學(xué)頭包括準(zhǔn)直透鏡、分束棱鏡、聚焦透鏡和CCD)，參考光束反射鏡， 工作臺(tái)和傳輸臺(tái)，光學(xué)頭在傳輸臺(tái)上移動(dòng)掃描待測(cè)，如圖5所示，基本工作原理是；激光器 產(chǎn)生的準(zhǔn)直光束經(jīng)光學(xué)頭分束后一束作為參考光束，一束作為掃描光束用于掃描物體，物 體的傾斜導(dǎo)致光束在探測(cè)器上的位置發(fā)生變化，傾斜角度與位移一一對(duì)應(yīng)；同時(shí)為了消除 機(jī)械導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)誤差和激光指向性誤差，利用外置的參考反射鏡構(gòu)成參考光路測(cè)量，并在 最終數(shù)據(jù)中補(bǔ)償該誤差。但普遍存在W下兩個(gè)問題：（1)由于LTP使用準(zhǔn)直光束掃描樣 品，受限于掃描光束的尺寸，采樣點(diǎn)的空間頻率比較低（最高僅為1線/毫米（line per millimeter))，顯然，一些高頻的表面面形誤差的信息目前還無(wú)法有效測(cè)量；（2)光學(xué)頭掃 描過程中，存在氣浮傳輸臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差、激光指向性誤差，雖然LTP中外置反射鏡對(duì)應(yīng)的參考 光路可W部分消除該些誤差，但由于參考光路細(xì)長(zhǎng)，受到空氣擾動(dòng)的影響非常大，降低了參 考光路修正的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有LTP技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量空間采樣率高（或稱高 空間分辨率）、大面形尺寸物體的基于剪切測(cè)量的高空間分辨長(zhǎng)程面形檢測(cè)裝置及檢測(cè)方 法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。
[0006] 相比于現(xiàn)有的LTP及發(fā)明（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310182013.9)，本發(fā)明使用透鏡聚焦 光束掃描樣品，提高了采樣點(diǎn)的空間分辨率，該種改進(jìn)要求重新配置光路及位移-原始角 度（帶有測(cè)量誤差）轉(zhuǎn)換。具體來說；現(xiàn)有的LTP及發(fā)明（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310182013.9) 通過透鏡-探測(cè)器的組合測(cè)量透鏡焦平面上光斑的位置移動(dòng)從而得到待測(cè)樣品折返光束 的角度變化，進(jìn)而獲得樣品的原始角度數(shù)據(jù)；而本發(fā)明中，被待測(cè)樣品折返并透過聚焦透鏡 的光束角度并沒有變化，只是光束橫向發(fā)生位移，通過探測(cè)器測(cè)量該位移，可W得到樣品的 原始角度數(shù)據(jù)。因此該兩種配置的基本思路是不同的。
[0007] 本發(fā)明的面形檢測(cè)系統(tǒng)包括；花崗巖基本工作臺(tái)；高精度氣浮傳輸臺(tái)；待測(cè)物體； 激光器；光纖禪合器；光纖；掃描光學(xué)頭；信號(hào)采集和處理模塊。所述掃描光學(xué)頭安裝于所 述高精度氣浮傳輸臺(tái)上，安裝于所述高精度氣浮傳輸臺(tái)上，用于將所述光纖所引入的光束 準(zhǔn)直、擴(kuò)束、整形、聚焦后分成H個(gè)聚焦光束用于探測(cè)所述工作臺(tái)的待測(cè)物體檢測(cè)區(qū)中待測(cè) 物體表面。經(jīng)所述待測(cè)物體的反射表面折返的光線重新被所述掃描光學(xué)頭接收并實(shí)現(xiàn)測(cè) 量，經(jīng)所述信號(hào)采集和處理模塊處理后，得到待測(cè)表面傾斜角度。
[0008] 所述高精度氣浮傳輸臺(tái)由所述花崗巖基本工作臺(tái)支撐，待測(cè)物體位于花崗巖基本 工作臺(tái)的待測(cè)物體檢測(cè)區(qū)。所述掃描光學(xué)頭固定在所述高精度氣浮傳輸臺(tái)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上。
[0009] 所述光學(xué)頭的主要構(gòu)成部件包括；光纖準(zhǔn)直器、光束擴(kuò)束器、小孔陣列板、分束鏡、 透鏡陣列、陣列探測(cè)器。所述光纖輸出的激光經(jīng)所述光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，被所述光束擴(kuò)束器 擴(kuò)展至一定的寬度。該寬光束接著經(jīng)過所述小孔陣列板后，被整形形成中也間距分別為Si 和S,的H個(gè)平行的細(xì)光束，S 1和S 2稱為橫向剪切量。再經(jīng)過所述分束鏡后，每個(gè)細(xì)光束被 所述的透鏡陣列中對(duì)應(yīng)的單元透鏡聚焦至待測(cè)樣品表面不同的H個(gè)采樣點(diǎn)。折返的各細(xì)光 束經(jīng)所述透鏡陣列各單元透鏡準(zhǔn)直后，透過所述分束鏡，并被陣列探測(cè)器接收，所述探測(cè)器 陣列將接收到的光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞給所述信號(hào)采集和處理模塊。
[0010] 所述透鏡陣列的單元透鏡與所述小孔陣列板的單元孔一一對(duì)應(yīng)，且所述單元透鏡 的中也與單元小孔的中也重合。單元透鏡的直徑應(yīng)大于單元孔的直徑；透鏡至待測(cè)樣品的 距離為f。
[0011] 所述信號(hào)采集和處理模塊，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理及最終測(cè)量結(jié)果的顯示。
[0012] 為了精確測(cè)量待測(cè)物體表面面型，使用如下算法和處理：
[0013] 設(shè)置橫向剪切量Si和S 2分別等于
[0014] Si = V A 1：, S 2 = U A t
[001引其中，At、V和u是預(yù)先設(shè)定，At為同一采樣光路（即前面所獲取的細(xì)光束） 相鄰兩個(gè)掃描位置間距（掃描位置間距大于光束寬度），V和U是兩個(gè)自然數(shù)，它們之間 沒有共同的除數(shù)，且N = VU是所述待測(cè)物體表面形貌重建采樣點(diǎn)數(shù)目，氣=v'(w-1)與 聽,=? (V-1)是兩個(gè)剪切圖的剪切測(cè)量點(diǎn)數(shù)（每一個(gè)剪切量對(duì)應(yīng)一個(gè)剪切圖）；信號(hào)采集處 理模塊根據(jù)剪切向量對(duì)應(yīng)的剪切圖重建的待測(cè)物體表面傾斜角度0
[0016] 在每一個(gè)掃描測(cè)量位置，光學(xué)頭導(dǎo)出H個(gè)聚焦的光束掃描待測(cè)物體的表面，折返 的各個(gè)光束再次經(jīng)過各個(gè)單元透鏡準(zhǔn)直，最后入射到探測(cè)器陣列表面。采用質(zhì)也法計(jì)算定 位各個(gè)光束位置，得到包含具有相同激光指向性誤差和機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)誤差的位置信息，所述待 測(cè)物體表面的H個(gè)位置的角度傾斜測(cè)量值
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高空間分辨長(zhǎng)程面形檢測(cè)裝置，包括掃描光學(xué)頭，其特征在于，所述掃描光學(xué) 頭包括小孔陣列板、分束鏡、透鏡陣列、陣列探測(cè)器；其中，所述小孔陣列板將輸入的平行光 束分為若干平行的細(xì)光束后入射到所述分束鏡；所述分束鏡將每一束所述細(xì)光束透射輸入 到所述透鏡陣列，所述透鏡陣列中的透鏡單元分別將對(duì)應(yīng)的所述細(xì)光束聚焦到待測(cè)物體表 面，經(jīng)所述待測(cè)物體表面反射的光束依次經(jīng)所述透鏡陣列、所述分束鏡入射到所述陣列探 測(cè)器。
2. 如權(quán)利要器1所述的檢測(cè)裝置，其特征在于所述小孔陣列板將所述平行光束分為中 心間距分別為sjp82的三個(gè)平行的細(xì)光束；其中，通過公式Si=vAt,s2=uAt計(jì)算間距 81和s2,At為同一細(xì)光束相鄰兩個(gè)掃描位置間距，v和u是兩個(gè)自然數(shù)且之間沒有共同的 除數(shù)，且N=vu，N是待測(cè)物體表面形貌重建采樣點(diǎn)數(shù)目。
3. 如權(quán)利要求2所述的檢測(cè)裝置，其特征在于所述掃描位置間距大于所述細(xì)光束的寬 度。
4. 如權(quán)利要求2所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，所述透鏡陣列的單元透鏡與所述小孔 陣列板的單元孔一一對(duì)應(yīng)，且所述單元透鏡的中心與單元小孔的中心重合。
5. 如權(quán)利要求4所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，所述單元透鏡的直徑大于所述單元孔 的直徑；所述單元透鏡至待測(cè)樣品的距離為所述單元透鏡的焦距。
6. 如權(quán)利要求1?5任一所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，所述掃描光學(xué)頭還包括一準(zhǔn)直 器、擴(kuò)束器；輸入的光束依次經(jīng)所述準(zhǔn)直器、擴(kuò)束器后輸入到所述小孔陣列板。
7. 如權(quán)利要求6所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括一光纖激光器；所述光纖激光器 輸出端依次經(jīng)一光纖f禹合器、光纖將輸出激光輸入所述準(zhǔn)直器。
8. 如權(quán)利要求6所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括一數(shù)據(jù)采集處理模塊，所述數(shù) 據(jù)采集處理模塊與所述陣列探測(cè)器連接，用于根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)物體表面傾斜角度 還包括一工作臺(tái)和一傳輸臺(tái)，所述傳輸臺(tái)位于所述工作臺(tái)上，所述掃描光學(xué)頭安裝 于所述傳輸臺(tái)上。
9. 一種高空間分辨長(zhǎng)程面形檢測(cè)方法，其步驟為： 1) 將輸入的平行光束分為中心間距分別為81和82的三個(gè)平行的細(xì)光束；其中，通過公 式Si=vAt,s2=uAt計(jì)算間距sJPs2,At為同一細(xì)光束相鄰兩個(gè)掃描位置間距，v和u 是兩個(gè)自然數(shù)且之間沒有共同的除數(shù)，且N=vu，N是待測(cè)物體表面形貌重建采樣點(diǎn)數(shù)目； 2) 將所述細(xì)光束分別經(jīng)透鏡聚焦到待測(cè)物體表面不同的三個(gè)采樣點(diǎn)； 3) 經(jīng)所述待測(cè)物體表面反射的光束經(jīng)所述透鏡轉(zhuǎn)為平行光束后入射到探測(cè)器；所述 探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后發(fā)送給信號(hào)采集處理模塊； 4) 所述信號(hào)采集處理模塊重建的待測(cè)物體表面傾斜角度euw。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，計(jì)算該待測(cè)物體表面傾斜角 度9 1>ra￡C;t的公式為
i是虛數(shù)的單位，
，其中：
所述待測(cè)物體表面的三個(gè)采樣點(diǎn)的角度傾斜測(cè)量值為'
是第 nQ個(gè)光束第j個(gè)掃描位置的圖樣位移量，f是透鏡焦距，{n1，2, 3,j= 0, 1，. . .N-1}。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高空間分辨長(zhǎng)程面形檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。本裝置包括一掃描光學(xué)頭，其特征在于，所述掃描光學(xué)頭包括小孔陣列板、分束鏡、透鏡陣列、陣列探測(cè)器；其中，所述小孔陣列板將輸入的平行光束分為若干平行的細(xì)光束后入射到所述分束鏡；所述分束鏡將每一束所述細(xì)光束透射輸入到所述透鏡陣列，所述透鏡陣列中的透鏡單元分別將對(duì)應(yīng)的所述細(xì)光束聚焦到待測(cè)物體表面，經(jīng)所述待測(cè)物體表面反射的光束依次經(jīng)所述透鏡陣列、所述分束鏡入射到所述陣列探測(cè)器。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，能夠?qū)Υ郎y(cè)表面進(jìn)行高空間頻率采樣測(cè)量；可以拓展更高頻率(>1線/毫米)的面形誤差的測(cè)量；一般可以達(dá)到10線/毫米，甚至更高。
【IPC分類】G01B11-24
【公開號(hào)】CN104567719
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510009533
【發(fā)明人】楊福桂, 李明
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月8日