一種長程光學(xué)表面面形檢測儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種長程光學(xué)表面面形檢測儀，包括移動光學(xué)頭，所述移動光學(xué)頭包括尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器，所述移動光學(xué)頭設(shè)置為通過所述尾纖將輸入的光束出射，以使光束透過所述分束鏡后入射到待測光學(xué)器件的表面上，再經(jīng)所述待測光學(xué)器件的表面反射回所述分束鏡，并通過所述分束鏡使部分反射回的光束透過所述單孔屏的屏孔反射至所述傅里葉變換透鏡，該反射的光束通過所述傅里葉變換透鏡沿垂直于所述待測光學(xué)器件表面對應(yīng)測量點(diǎn)的法線的方向反射至所述面陣探測器，最后在所述面陣探測器上形成測量光斑。本實(shí)用新型減少了測量不同角度時測量光束橫移引入的系統(tǒng)誤差，從而提高了測量精度。
【專利說明】
一種長程光學(xué)表面面形檢測儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及高精度鏡面面形檢測領(lǐng)域，特別涉及一種長程光學(xué)表面面形檢測儀。
【背景技術(shù)】
[0002]長度為Im左右、面形誤差低于0.1微弧度的大尺度、高精度的高品質(zhì)光學(xué)反射鏡面是大型天文望遠(yuǎn)鏡、極紫外光刻、同步輻射光學(xué)工程、自由電子激光等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的核心光學(xué)元件。這類光學(xué)鏡面的品質(zhì)決定了相應(yīng)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域光束的品質(zhì)。基于順序掃描方法的長程面形儀(Long Trace Profile，簡稱LTP)是運(yùn)用于此類大尺寸、高精度光學(xué)元件面形檢測的主要儀器之一?，F(xiàn)有的長程面形儀通過引入一束固定角度入射的測量光束在待測光學(xué)器件上進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，然后測量待測光學(xué)器件上不同點(diǎn)處的反射光束的角度值，實(shí)現(xiàn)對待測光學(xué)器件的面形檢測。
[0003]由于長程面形儀采用非接觸測量模式，在測量過程中不會對待測光學(xué)器件的反射表面造成損害，且其測量精度高，能實(shí)現(xiàn)大尺寸鏡面面形的精確檢測。因此，在過去的20多年，長程面形儀取得了巨大的發(fā)展，出現(xiàn)了LTP-1、LTP-11、LTP-V、PP-LTP(五棱鏡長行程面形儀)、在線LTP、多功能LTP、N0M(納米光學(xué)檢測儀)等基于細(xì)光束掃描檢測原理的長行程面形儀。其中NOM是目前世界上精度最高的面形檢測儀器之一。
[0004]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)元件面形檢測提出了更高的要求。為了提升長程面形儀的檢測能力，需要對其各種系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正或消除。在這些系統(tǒng)誤差中，最主要的一類是由于長程面形儀光路系統(tǒng)中所用到的光學(xué)元件不理想造成的，光學(xué)元件不理想主要表現(xiàn)為:I)反射光學(xué)元件與理想光學(xué)元件相比存在面形誤差；2)折射光學(xué)元件折射率不均勻。在利用長程面形儀進(jìn)行角度測量時，這些反射、折射光學(xué)元件將導(dǎo)致測量光束偏離理想的方向，從而引入測量誤差，且同一光學(xué)元件在不同測量位置引入的誤差不同。因此，當(dāng)測量角度發(fā)生變化時，測量光束將在這些光學(xué)元件上發(fā)生橫移，從而導(dǎo)致同一光學(xué)元件在測量角度不同時會引入不同的誤差。
[0005]在運(yùn)用長行程面形儀對待測鏡面進(jìn)行檢測時，只有角度的相對變化量是有意義的，如果在測量不同角度時各光學(xué)元件引入的誤差相同或差別很小，對角度的相對變化值而言這類系統(tǒng)誤差可以忽略。但在實(shí)際測量時，測量光束將隨著測量角度的變化在系統(tǒng)中各光學(xué)器件上產(chǎn)生橫移。如圖1所示的PP-LTP，其包括激光光源I’、固定光學(xué)頭、移動光學(xué)頭以及f-θ角度檢測系統(tǒng)，固定光學(xué)頭包括位相板2 ’、分束鏡3 ’和平面反射鏡4 ’，移動光學(xué)頭包括五棱鏡5 ’，f-θ角度檢測系統(tǒng)包括FT(傅里葉變換)透鏡7 ’和面陣探測器8 ’。當(dāng)光束從五棱鏡5 ’垂直入射到待測鏡面6 ’后，若待測鏡面6 ’上測量點(diǎn)處不水平，反射光線將與入射光線成一定角度反射，設(shè)此角度為Θ角，則五棱鏡5’上的距離s即表示Θ等于0°與Θ不等于0°時反射光束在五棱鏡5’的反射面上產(chǎn)生的橫移量。從圖1可以看出，測量光束是從待測鏡面6’上測量點(diǎn)處開始偏移，所以待測鏡面6’上的測量點(diǎn)是pp-LTP中各光學(xué)元件橫移量計算的參考點(diǎn)，因而對于同樣的偏轉(zhuǎn)角度，系統(tǒng)中的光學(xué)器件距離待測鏡面6’上測量點(diǎn)的幾何光程越遠(yuǎn)，測量光束在該光學(xué)器件上的橫移量越大，正是這種橫移使得系統(tǒng)中各光學(xué)器件引入了不同點(diǎn)的誤差。測量系統(tǒng)中所用到的透射、反射光學(xué)器件越多，測量光束產(chǎn)生的橫移量越大，則引入的系統(tǒng)誤差越大。
[0006]從上述分析可知，減小檢測儀中由橫移引入的系統(tǒng)誤差主要有兩種途徑，一種是減少檢測系統(tǒng)中用到的光學(xué)元件數(shù)量，另一種是減少橫移量計算的參考點(diǎn)與檢測系統(tǒng)中各光學(xué)元件間的距離。基于這樣的理論，亟待提供一種系統(tǒng)誤差減小的檢測系統(tǒng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的旨在提供一種高精度的長程光學(xué)表面面形檢測儀，以通過減少測量角度不同時測量光束引起的橫移，從而減小系統(tǒng)誤差。
[0008]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:
[0009]—種長程光學(xué)表面面形檢測儀，用于對待測光學(xué)器件的表面進(jìn)行面形檢測，其包括移動光學(xué)頭，
[0010]所述移動光學(xué)頭包括尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器，其中，所述移動光學(xué)頭設(shè)置為通過所述尾纖將輸入的光束出射，以使光束透過所述分束鏡后入射到待測光學(xué)器件的表面上，再經(jīng)所述待測光學(xué)器件的表面反射回所述分束鏡，并通過所述分束鏡使部分反射回的光束透過所述單孔屏的屏孔反射至所述傅里葉變換透鏡，該反射的光束透過所述傅里葉變換透鏡沿垂直于所述待測光學(xué)器件表面測量點(diǎn)的法線的方向反射至所述面陣探測器，最后在所述面陣探測器上形成測量光斑。
[0011]優(yōu)選地，所述單孔屏緊貼在所述傅里葉變換透鏡的底面。
[0012]優(yōu)選地，所述尾纖的光束出射點(diǎn)經(jīng)所述分束鏡反射所成像的像點(diǎn)與所述單孔屏的屏孔經(jīng)所述分束鏡透射所成像的中心點(diǎn)重合。
[0013]進(jìn)一步地，所述移動光學(xué)頭還包括殼體，所述尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器均設(shè)置在所述殼體中。
[0014]進(jìn)一步地，該檢測儀還包括固定光學(xué)頭及平面反射鏡，所述平面反射鏡固定在所述移動光學(xué)頭上，所述固定光學(xué)頭設(shè)置為向所述平面反射鏡投射參考光束，并檢測經(jīng)所述平面反射鏡反射的光束。
[0015]優(yōu)選地，所述固定光學(xué)頭為自準(zhǔn)直儀或f-θ角度檢測系統(tǒng)。
[0016]進(jìn)一步地，該檢測儀還包括光纖和光源，且所述光纖連接在所述尾纖的入射端與所述光源之間。
[0017]進(jìn)一步地，所述光源為非相干光源。
[0018]優(yōu)選地，該檢測儀還包括光學(xué)平臺和線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學(xué)平臺上，所述移動光學(xué)頭安裝在所述線性平移臺上。
[0019]綜上所述，在本實(shí)用新型的測量過程中，不同角度的測量光束均通過單孔屏的屏孔反射至面陣探測器形成測量光斑，因而單孔屏的屏孔中心點(diǎn)即為檢測儀中各光學(xué)元件橫移量的計算參考點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)中以待測光學(xué)器件測量點(diǎn)為橫移量計算參考點(diǎn)的方案相比，本實(shí)用新型通過將參考點(diǎn)轉(zhuǎn)移至單孔屏的屏孔中心點(diǎn)而使得各光學(xué)元件與參考點(diǎn)之間的距離大大縮短，從而減少了測量光束在各光學(xué)元件上的橫移量，進(jìn)而減小了由橫移引入的系統(tǒng)誤差。此外，本實(shí)用新型中用到的折射、反射光學(xué)器件只有分束鏡和傅里葉變換透鏡，但由于傅里葉變換透鏡緊貼單孔屏設(shè)置，只有處于單孔屏的屏孔處的傅里葉變換透鏡區(qū)域會被用到，因而在整個測量過程中待測光學(xué)器件上不同測量點(diǎn)反射的光束都將通過傅里葉變換透鏡的相同區(qū)域，雖然這個區(qū)域會引入誤差，但該誤差對于每個測量點(diǎn)都相同，因而可以認(rèn)為傅里葉變換透鏡對于不同角度的測量值引入了相同的誤差，所以傅里葉變換透鏡引入的系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的相對變化量沒有影響，也就是說，本實(shí)用新型中真正引入誤差的只有分束鏡，由此減少了引入系統(tǒng)誤差的光學(xué)元件數(shù)目。
【附圖說明】
[0020]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中pp-LTP的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖2a和2b為點(diǎn)光源鏡面反射光學(xué)原理圖，其中，圖2a為平面鏡處于水平位置，圖2b為平面鏡處于傾斜位置；
[0022]圖3為本實(shí)用新型的一種長程光學(xué)表面面形檢測儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4a和4b為本實(shí)用新型的光路傳播示意圖，其中，圖4a為入射至待測光學(xué)器件的光路圖，圖4b為待測光學(xué)器件反射后的光路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，給出本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述。
[0025]眾所周知，如圖2a所示，若將一點(diǎn)光源100放置于孔200的中心處，則點(diǎn)光源100發(fā)出的光束經(jīng)過平面鏡300反射后可以看成是由平面鏡300鏡面對光源100所成的像100A發(fā)出的光束。由鏡面反射原理可知，鏡面反射后通過孔200中心位置的光束必然沿平面鏡300法線方向傳播，所以鏡面反射后通過孔200的光束是一束沿鏡面法線方向傳播并具有微小發(fā)散角的錐形光束，其發(fā)散角的大小由孔200的直徑及孔200到平面鏡300鏡面間的距離決定。若平面鏡300發(fā)生角度改變，如圖2b所示，點(diǎn)光源100的像100A的位置也會隨之改變，但此時點(diǎn)光源100發(fā)出的光束經(jīng)過平面鏡300反射后依然可以看成是由平面鏡300鏡面對光源100所成的像100A發(fā)出的光束，因此鏡面反射回孔200的光束依然是一束沿鏡面法線方向傳播并具有微小發(fā)散角的錐形光束。
[0026]基于上述原理，本實(shí)用新型提供了一種高精度的長程光學(xué)表面面形檢測儀。在圖3所示的實(shí)施例中，該檢測儀包括移動光學(xué)頭1、待測光學(xué)器件2、光學(xué)平臺3、線性平移臺4、光源5、固定光學(xué)頭6以及平面反射鏡7。
[0027]如圖3所示，本實(shí)用新型的光學(xué)平臺3采用現(xiàn)有LTP中常見的光學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)，其中，線性平移臺4水平設(shè)置于光學(xué)平臺3上方，移動光學(xué)頭I固定至線性平移臺4上并隨線性平移臺4水平移動以對待測光學(xué)器件2進(jìn)行水平掃描測量(掃描方向如圖3中箭頭所示)；光源5遠(yuǎn)離光學(xué)平臺3設(shè)置以減小其發(fā)熱對測量的影響；固定光學(xué)頭6固定于光學(xué)平臺3的一側(cè)壁上，平面反射鏡7固定于移動光學(xué)頭I的殼體14外壁上，其中固定光學(xué)頭6與平面反射鏡7相對而置，以用于向平面反射鏡7投射參考光束并檢測該參考光束經(jīng)平面反射鏡7反射后的光束，進(jìn)而修正移動光學(xué)頭I在測量過程中的運(yùn)動誤差。在本領(lǐng)域中，采用固定光學(xué)頭6和平面反射鏡7修正移動光學(xué)頭I運(yùn)動誤差的方案屬于已知的技術(shù)，在此不再贅述其工作原理。此外，本實(shí)用新型中的固定光學(xué)頭6可以采用現(xiàn)有的自準(zhǔn)直儀或f-θ角度檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在圖3中示出的固定光學(xué)頭6為自準(zhǔn)直儀。
[0028]再請參閱圖3，本實(shí)用新型的移動光學(xué)頭I包括殼體14及安裝在殼體14中的尾纖8、分束鏡9、單孔屏10、傅里葉變換透鏡11以及面陣探測器12。其中，面陣探測器12設(shè)置在傅里葉變換透鏡11上方，單孔屏10緊貼在傅里葉變換透鏡11的底面，分束鏡9設(shè)置在單孔屏10下方并與單孔屏10盡可能接近，以減少分束鏡9上光束橫移量，尾纖8水平設(shè)置在分束鏡9的一偵U。通過適當(dāng)配置各光學(xué)元件的位置及角度，使尾纖8的光束出射點(diǎn)經(jīng)分束鏡9反射所成像的像點(diǎn)與單孔屏10的屏孔13(如圖4a和4b所示)，經(jīng)分束鏡9透射所成像的中心點(diǎn)重合，則根據(jù)本領(lǐng)域的簡單幾何光學(xué)理論可知，尾纖8出射的光束即可看成是從單孔屏10的屏孔13中心點(diǎn)O出射的光束。
[0029]在對待測光學(xué)器件2進(jìn)行面形檢測時，首先如圖4a所示，光源5發(fā)出的光束首先通過光纖15傳播到移動光學(xué)頭I的尾纖8中，再從尾纖8出射并透過分束鏡9形成光束16入射到待測光學(xué)器件2的表面;然后如圖4b所示，待測光學(xué)器件2反射回光束17至分束鏡9，光束17在透過分束鏡9后再穿過單孔屏10的屏孔13到達(dá)傅里葉變換透鏡11。由前述分析可知，尾纖8出射的光束可以看成是從單孔屏10的屏孔中心點(diǎn)O出射的光束，而根據(jù)圖2a和2b所示的鏡面反射原理，從單孔屏10的屏孔13中心點(diǎn)O出射的光束16經(jīng)待測光學(xué)器件2表面反射后，通過屏孔13的部分光束17必然是一束沿待測光學(xué)器件2表面上測量點(diǎn)處法線方向傳播的錐形細(xì)光束17。該錐形細(xì)光束17最后通過與單孔屏10緊貼設(shè)置的傅里葉變換透鏡11匯聚到面陣探測器12上而形成測量光斑，即可用于測得待測光學(xué)器件2的表面傾斜角度。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0031]1、傳統(tǒng)長程面形儀如pp-LTP需要光源I’具有較好的方向性，常用激光來做光源；而本系統(tǒng)對光源方向性沒有要求，光源5可采用非相干光源，從而可以減少激光衍射對角度測量的影響。
[0032]2、傳統(tǒng)長程面形儀橫移計算起點(diǎn)是待測光學(xué)器件上的測量點(diǎn)，所以很難通過減少橫移量的計算參考點(diǎn)與系統(tǒng)光學(xué)元件間的幾何光程達(dá)到減少橫移量的目的；而在本實(shí)用新型的測量過程中，由于不同角度的測量光束均通過單孔屏10的屏孔13反射至面陣探測器12而形成測量光斑，因而單孔屏10屏孔13的中心點(diǎn)O即為系統(tǒng)中各光學(xué)器件的橫移量計算參考點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)中以待測光學(xué)器件測量點(diǎn)為橫移量計算參考點(diǎn)的方案相比，本實(shí)用新型通過將參考點(diǎn)轉(zhuǎn)移至單孔屏10的屏孔中心點(diǎn)O而使得各光學(xué)元件，如與單孔屏10緊湊設(shè)置的分束鏡9，與參考點(diǎn)之間的距離大大縮短，從而減少了測量光束在光學(xué)元件上的橫移量，進(jìn)而減小了由橫移引入的系統(tǒng)誤差。
[0033]3、傳統(tǒng)長程面形儀光路中有多個光學(xué)器件，如圖1中包括五棱鏡5’和分束鏡7’，它們具有多個光學(xué)面，而且它們本身又是折射率不均勻的透射體，這些均會導(dǎo)致因測量光束橫移引入系統(tǒng)誤差;而在本實(shí)用新型中，引起測量光束偏離理想方向的光學(xué)元件只有分束鏡9和傅里葉變換透鏡11，但由于單孔屏10與傅里葉變換透鏡11緊貼設(shè)置，只有處于單孔屏10的屏孔13處的傅里葉變換透鏡11區(qū)域會被用到，因而在整個測量過程中待測光學(xué)器件2上不同測量點(diǎn)反射的光束都將通過傅里葉變換透鏡11的相同區(qū)域，雖然這個區(qū)域會引入誤差，但該誤差對于每個測量點(diǎn)都相同，因而可以認(rèn)為傅里葉變換透鏡11對于不同角度的測量值引入了相同的誤差，所以傅里葉變換透鏡11引入的系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的相對變化量沒有影響，也就是說，本實(shí)用新型中真正引入誤差的只有分束鏡9，由此減少了引入系統(tǒng)誤差的光學(xué)元件數(shù)目。
[0034]4、在傳統(tǒng)的基于激光光源的長程面形儀中，由于激光光束的方向漂移會引入指向性誤差;而在本實(shí)用新型中，經(jīng)過單孔屏10的測量光束是一束以待測光學(xué)器件2上測量點(diǎn)處法線方向傳播的具有微小發(fā)散角的錐形細(xì)光束17，該錐形細(xì)光束17始終指向待測光學(xué)器件2上測量點(diǎn)處法線方向，所以本實(shí)用新型中不存在指向性誤差問題。
[0035]5、通常，高頻信息是指待測鏡面上高度起伏的高頻分量，用LTP進(jìn)行測量時測得的是光斑內(nèi)的平均值，所以光斑越小，平均的區(qū)域越小，高頻信息越多，傳統(tǒng)LTP光斑直徑在幾個毫米。而在本實(shí)用新型中，由于測量光束為錐形細(xì)光束17，可見在待測光學(xué)器件2上的光斑尺寸必定小于單孔屏10的屏孔13尺寸，例如，屏孔13直徑為Imm時，待測光學(xué)器件2上測量光束光斑直徑約為0.5mm，顯然0.5mm的光斑直徑能獲得更多的高頻信息，因此有利于進(jìn)行高頻測量。
[0036]以上所述的，僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非用以限定本實(shí)用新型的范圍，本實(shí)用新型的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本實(shí)用新型的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本實(shí)用新型的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本實(shí)用新型未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種長程光學(xué)表面面形檢測儀，用于對待測光學(xué)器件的表面進(jìn)行面形檢測，其包括移動光學(xué)頭，其特征在于， 所述移動光學(xué)頭包括尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器，所述移動光學(xué)頭設(shè)置為通過所述尾纖將輸入的光束出射，以使光束透過所述分束鏡后入射到待測光學(xué)器件的表面上，再經(jīng)所述待測光學(xué)器件的表面反射回所述分束鏡，并通過所述分束鏡使部分反射回的光束透過所述單孔屏的屏孔反射至所述傅里葉變換透鏡，該反射的光束透過所述傅里葉變換透鏡沿垂直于所述待測光學(xué)器件表面測量點(diǎn)的法線的方向反射至所述面陣探測器，最后在所述面陣探測器上形成測量光斑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，所述單孔屏緊貼在所述傅里葉變換透鏡的底面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，所述尾纖的光束出射點(diǎn)經(jīng)所述分束鏡反射所成像的像點(diǎn)與所述單孔屏的屏孔經(jīng)所述分束鏡透射所成像的中心點(diǎn)重合。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，所述移動光學(xué)頭還包括殼體，所述尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器均設(shè)置在所述殼體中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，該檢測儀還包括固定光學(xué)頭及平面反射鏡，所述平面反射鏡固定在所述移動光學(xué)頭上，所述固定光學(xué)頭設(shè)置為向所述平面反射鏡投射參考光束，并檢測經(jīng)所述平面反射鏡反射的光束。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，所述固定光學(xué)頭為自準(zhǔn)直儀或f-θ角度檢測系統(tǒng)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，該檢測儀還包括光纖和光源，且所述光纖連接在所述尾纖的入射端與所述光源之間。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，所述光源為非相干光源。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測儀，其特征在于，該檢測儀還包括光學(xué)平臺和線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學(xué)平臺上，所述移動光學(xué)頭安裝在所述線性平移臺上。
【文檔編號】G01B11/24GK205505988SQ201620138629
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月24日
【發(fā)明人】彭川黔, 何玉梅, 王劼
【申請人】中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所