基于零位補償光學系統檢測非球面鏡面形的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學干涉測量技術領域，涉及一種基于零位補償光學系統檢測非球面鏡面形的方法。
【背景技術】
[0002]當今前沿的光學檢測技術已可以支撐球面鏡和平面鏡加工實現亞納米量級面形精度，相比之下，非球面鏡面形高精度檢測仍然比較困難復雜，而零位補償鏡法是實現非球面鏡面形高精度檢測最常用的技術。用于非球面鏡面形檢測的零位補償光學系統通常由幾個球面透鏡組成，需要標定和校正零位補償鏡每個光學元件的系統誤差以提高非球面鏡面形檢測精度。
[0003]現有技術中，通常利用多個球面透鏡組成零位補償光學系統，實現將干涉儀和平面標準鏡頭的平面波前轉換為與被檢非球面鏡輪廓一致的非球面波前(Y.Taki gawa，
S.Nakayama,T.Yamamoto,and T.Gemma，“Absolute accuracy evaluat1n of asphericalnull testing for EUVL mirrors”，Proc.0f SPIE，Vol.58690Q，2005)D通過標定干涉儀和平面標準鏡頭系統誤差、零位補償鏡每個光學元件面形和光學參量，以標定和校正干涉儀和零位補償鏡在非球面波前中引入的系統誤差。零位補償鏡的系統誤差與補償鏡光學元件數量成正比，因此，必須盡量減少補償鏡光學元件數量以提高被檢非球面鏡的面形檢測精度。
【發明內容】
[0004]為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種基于零位補償光學系統檢測非球面鏡面形的方法，該方法結合透射球面波鏡頭和補償單鏡的零位補償光學系統，將被檢非球面鏡面形分為兩部分分別標定。
[0005]本發明解決技術問題所采用的技術方案如下:
[0006]基于零位補償光學系統檢測非球面鏡面形的方法，該方法包括如下步驟:
[0007]步驟一:設計透射球面波鏡頭的波前誤差、加工裝配公差、有效口徑、數值孔徑、后截距和系統總長，使干涉儀平面波前轉換為球面波前;將透射球面波鏡頭出射面設計為干涉腔參考面;此時，透射球面波鏡頭所有元件均在干涉腔以外，屬于共光路部分;除了出射面以外，透射球面波鏡頭元件表面均需鍍干涉儀工作波長下的增透膜，出射面則保留4%反射率；
[0008]步驟二:設計補償單鏡的波前誤差、加工裝配公差、有效口徑和前后間距，使透射球面波鏡頭出射的球面波前轉換為與非球面鏡輪廓一致的非球面波前；
[0009]步驟三:精確標定透射球面波鏡頭的參考面誤差、補償單鏡面形，同時高精度測量透射球面波鏡頭和補償單鏡的后截距、曲率半徑、中心厚度、折射率和材料均勻性;實時監測步驟一和步驟二中的干涉腔環境參量，和評估干涉腔空氣折射率和干涉儀激光波長；
[0010]步驟四:完成透射球面波鏡頭和補償單鏡的設計和標定之后，將干涉儀、透射球面波鏡頭、補償單鏡和被檢非球面鏡進行集成和裝配，實現所有光學分系統的光軸精確重合，并將上述光學分系統之間的空氣間隔調整至光學設計值；
[0011 ]步驟五:利用步驟三的標定結果，結合光學設計軟件的幾何光線追跡功能計算得到旋轉對稱系統誤差。利用步驟一和步驟二中的補償鏡光學參量和步驟三中干涉腔環境參量的測量結果更新零位補償光學系統設計模型的相應參數，根據補償單鏡面形的旋轉對稱項模擬實際補償鏡;根據步驟三中獲得的透射球面波鏡頭參考面面形的旋轉對稱項模擬實際透射球面波鏡頭；
[0012]步驟六:將零位補償光學系統的標定結果全部引入設計模型后，利用光學設計軟件的幾何光線追跡功能計算被檢非球面鏡處的非球面波前與理想非球面波前相比的波前偏差;利用精密六維調整臺和旋轉法標定被檢非球面鏡，精確獲得零位補償光學系統的非旋轉對稱系統誤差;將被檢非球面鏡的原始檢測結果減去零位補償光學系統的旋轉對稱系統誤差和非旋轉對稱系統誤差，即可實現系統誤差校正，從而精確獲得被檢非球面鏡的面形。
[0013]本發明的有益效果是:本發明提出一種基于零位補償光學系統檢測非球面鏡面形的方法，該方法通過在零位補償光學系統中引入包含參考面的透射球面波鏡頭，以盡量減少補償鏡和檢測誤差源數量。同時，將透射球面波鏡頭的出射面設計為參考面，使透射球面波鏡頭所有元件均屬于共光路部分，可以大幅降低透射球面波鏡頭的設計、加工和裝配難度。
[0014]此外，本發明將被檢非球面鏡面形分為旋轉對稱部分和非旋轉對稱部分分別設計標定方案，以提高非球面鏡面形檢測精度。利用旋轉檢測法精確標定被檢非球面鏡的非旋轉對稱面形，該標定方法精度高。通過高精度標定透射球面波鏡頭和零位補償單鏡的波前誤差和光學參量，引入理想透鏡模型，同時利用幾何光線追跡計算系統誤差的旋轉對稱項，最終精確獲得被檢非球面鏡面形。該過程僅負責標定系統誤差的旋轉對稱項，無需考慮方位角定位誤差，對容易受應力影響的低階波前和面形不敏感，因此標定過程更容易，測試精度更高。
【附圖說明】
[0015]圖1本發明基于零位補償光學系統檢測非球面鏡面形的示意圖。
[0016]圖中:1、干涉儀，2、平面標準鏡頭，3、零位補償光學系統，4、被檢非球面鏡，5、精密六維調整臺，6、透射球面波鏡頭，7、補償單鏡和8、理想透鏡模型。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0018]傳統零位補償光學系統通常將多個球面透鏡作為整體進行設計，實現將干涉儀和平面標準鏡頭(TF)出射的平面波前轉換為與被檢非球面鏡輪廓一致的非球面波前。為了盡量減少零位補償光學系統的補償鏡元件數量，本發明將其分成兩部分(透射球面波鏡頭和補償單鏡)分別設計。
[0019]步驟一:透射球面波鏡頭負責將干涉儀平面波前轉換為符合要求的球面波前，其關鍵設計