一種長程光學表面面形檢測儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種長程光學表面面形檢測儀，包括移動光學頭，所述移動光學頭包括尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器，所述移動光學頭設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器件的表面上，再經所述待測光學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器件表面對應測量點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。本實用新型減少了測量不同角度時測量光束橫移引入的系統誤差，從而提高了測量精度。
【專利說明】
一種長程光學表面面形檢測儀
技術領域
[0001]本實用新型涉及高精度鏡面面形檢測領域，特別涉及一種長程光學表面面形檢測儀。
【背景技術】
[0002]長度為Im左右、面形誤差低于0.1微弧度的大尺度、高精度的高品質光學反射鏡面是大型天文望遠鏡、極紫外光刻、同步輻射光學工程、自由電子激光等科學技術領域中的核心光學元件。這類光學鏡面的品質決定了相應科學技術領域光束的品質。基于順序掃描方法的長程面形儀(Long Trace Profile，簡稱LTP)是運用于此類大尺寸、高精度光學元件面形檢測的主要儀器之一。現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器件上進行逐點掃描，然后測量待測光學器件上不同點處的反射光束的角度值，實現對待測光學器件的面形檢測。
[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器件的反射表面造成損害，且其測量精度高，能實現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展，出現了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(納米光學檢測儀)等基于細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]隨著科學技術的不斷發展，各應用領域對光學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，需要對其各種系統誤差進行修正或消除。在這些系統誤差中，最主要的一類是由于長程面形儀光路系統中所用到的光學元件不理想造成的，光學元件不理想主要表現為:I)反射光學元件與理想光學元件相比存在面形誤差；2)折射光學元件折射率不均勻。在利用長程面形儀進行角度測量時，這些反射、折射光學元件將導致測量光束偏離理想的方向，從而引入測量誤差，且同一光學元件在不同測量位置引入的誤差不同。因此，當測量角度發生變化時，測量光束將在這些光學元件上發生橫移，從而導致同一光學元件在測量角度不同時會引入不同的誤差。
[0005]在運用長行程面形儀對待測鏡面進行檢測時，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誤差可以忽略。但在實際測量時，測量光束將隨著測量角度的變化在系統中各光學器件上產生橫移。如圖1所示的PP-LTP，其包括激光光源I’、固定光學頭、移動光學頭以及f-θ角度檢測系統，固定光學頭包括位相板2 ’、分束鏡3 ’和平面反射鏡4 ’，移動光學頭包括五棱鏡5 ’，f-θ角度檢測系統包括FT(傅里葉變換)透鏡7 ’和面陣探測器8 ’。當光束從五棱鏡5 ’垂直入射到待測鏡面6 ’后，若待測鏡面6 ’上測量點處不水平，反射光線將與入射光線成一定角度反射，設此角度為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’上測量點處開始偏移，所以待測鏡面6’上的測量點是pp-LTP中各光學元件橫移量計算的參考點，因而對于同樣的偏轉角度，系統中的光學器件距離待測鏡面6’上測量點的幾何光程越遠，測量光束在該光學器件上的橫移量越大，正是這種橫移使得系統中各光學器件引入了不同點的誤差。測量系統中所用到的透射、反射光學器件越多，測量光束產生的橫移量越大，則引入的系統誤差越大。
[0006]從上述分析可知，減小檢測儀中由橫移引入的系統誤差主要有兩種途徑，一種是減少檢測系統中用到的光學元件數量，另一種是減少橫移量計算的參考點與檢測系統中各光學元件間的距離。基于這樣的理論，亟待提供一種系統誤差減小的檢測系統。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的旨在提供一種高精度的長程光學表面面形檢測儀，以通過減少測量角度不同時測量光束引起的橫移，從而減小系統誤差。
[0008]為實現以上目的，本實用新型采用以下技術方案:
[0009]—種長程光學表面面形檢測儀，用于對待測光學器件的表面進行面形檢測，其包括移動光學頭，
[0010]所述移動光學頭包括尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器，其中，所述移動光學頭設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器件的表面上，再經所述待測光學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器件表面測量點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]優選地，所述單孔屏緊貼在所述傅里葉變換透鏡的底面。
[0012]優選地，所述尾纖的光束出射點經所述分束鏡反射所成像的像點與所述單孔屏的屏孔經所述分束鏡透射所成像的中心點重合。
[0013]進一步地，所述移動光學頭還包括殼體，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置在所述殼體中。
[0014]進一步地，該檢測儀還包括固定光學頭及平面反射鏡，所述平面反射鏡固定在所述移動光學頭上，所述固定光學頭設置為向所述平面反射鏡投射參考光束，并檢測經所述平面反射鏡反射的光束。
[0015]優選地，所述固定光學頭為自準直儀或f-θ角度檢測系統。
[0016]進一步地，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]進一步地，所述光源為非相干光源。
[0018]優選地，該檢測儀還包括光學平臺和線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學平臺上，所述移動光學頭安裝在所述線性平移臺上。
[0019]綜上所述，在本實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即為檢測儀中各光學元件橫移量的計算參考點。與現有技術中以待測光學器件測量點為橫移量計算參考點的方案相比，本實用新型通過將參考點轉移至單孔屏的屏孔中心點而使得各光學元件與參考點之間的距離大大縮短，從而減少了測量光束在各光學元件上的橫移量，進而減小了由橫移引入的系統誤差。此外，本實用新型中用到的折射、反射光學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置，只有處于單孔屏的屏孔處的傅里葉變換透鏡區域會被用到，因而在整個測量過程中待測光學器件上不同測量點反射的光束都將通過傅里葉變換透鏡的相同區域，雖然這個區域會引入誤差，但該誤差對于每個測量點都相同，因而可以認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誤差對測量結果的相對變化量沒有影響，也就是說，本實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誤差的光學元件數目。
【附圖說明】
[0020]圖1為現有技術中pp-LTP的光學結構示意圖；
[0021 ]圖2a和2b為點光源鏡面反射光學原理圖，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為本實用新型的一種長程光學表面面形檢測儀的光學結構示意圖；
[0023]圖4a和4b為本實用新型的光路傳播示意圖，其中，圖4a為入射至待測光學器件的光路圖，圖4b為待測光學器件反射后的光路圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖，給出本實用新型的較佳實施例，并予以詳細描述。
[0025]眾所周知，如圖2a所示，若將一點光源100放置于孔200的中心處，則點光源100發出的光束經過平面鏡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散角的錐形光束，其發散角的大小由孔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發生角度改變，如圖2b所示，點光源100的像100A的位置也會隨之改變，但此時點光源100發出的光束經過平面鏡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散角的錐形光束。
[0026]基于上述原理，本實用新型提供了一種高精度的長程光學表面面形檢測儀。在圖3所示的實施例中，該檢測儀包括移動光學頭1、待測光學器件2、光學平臺3、線性平移臺4、光源5、固定光學頭6以及平面反射鏡7。
[0027]如圖3所示，本實用新型的光學平臺3采用現有LTP中常見的光學平臺實現，其中，線性平移臺4水平設置于光學平臺3上方，移動光學頭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器件2進行水平掃描測量(掃描方向如圖3中箭頭所示)；光源5遠離光學平臺3設置以減小其發熱對測量的影響；固定光學頭6固定于光學平臺3的一側壁上，平面反射鏡7固定于移動光學頭I的殼體14外壁上，其中固定光學頭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平面反射鏡7反射后的光束，進而修正移動光學頭I在測量過程中的運動誤差。在本領域中，采用固定光學頭6和平面反射鏡7修正移動光學頭I運動誤差的方案屬于已知的技術，在此不再贅述其工作原理。此外，本實用新型中的固定光學頭6可以采用現有的自準直儀或f-θ角度檢測系統實現，在圖3中示出的固定光學頭6為自準直儀。
[0028]再請參閱圖3，本實用新型的移動光學頭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水平設置在分束鏡9的一偵U。通過適當配置各光學元件的位置及角度，使尾纖8的光束出射點經分束鏡9反射所成像的像點與單孔屏10的屏孔13(如圖4a和4b所示)，經分束鏡9透射所成像的中心點重合，則根據本領域的簡單幾何光學理論可知，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O出射的光束。
[0029]在對待測光學器件2進行面形檢測時，首先如圖4a所示，光源5發出的光束首先通過光纖15傳播到移動光學頭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入射到待測光學器件2的表面;然后如圖4b所示，待測光學器件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O出射的光束，而根據圖2a和2b所示的鏡面反射原理，從單孔屏10的屏孔13中心點O出射的光束16經待測光學器件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器件2表面上測量點處法線方向傳播的錐形細光束17。該錐形細光束17最后通過與單孔屏10緊貼設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器件2的表面傾斜角度。
[0030]與現有技術相比，本實用新型的優點在于:
[0031]1、傳統長程面形儀如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、傳統長程面形儀橫移計算起點是待測光學器件上的測量點，所以很難通過減少橫移量的計算參考點與系統光學元件間的幾何光程達到減少橫移量的目的；而在本實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O即為系統中各光學器件的橫移量計算參考點，與現有技術中以待測光學器件測量點為橫移量計算參考點的方案相比，本實用新型通過將參考點轉移至單孔屏10的屏孔中心點O而使得各光學元件，如與單孔屏10緊湊設置的分束鏡9，與參考點之間的距離大大縮短，從而減少了測量光束在光學元件上的橫移量，進而減小了由橫移引入的系統誤差。
[0033]3、傳統長程面形儀光路中有多個光學器件，如圖1中包括五棱鏡5’和分束鏡7’，它們具有多個光學面，而且它們本身又是折射率不均勻的透射體，這些均會導致因測量光束橫移引入系統誤差;而在本實用新型中，引起測量光束偏離理想方向的光學元件只有分束鏡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緊貼設置，只有處于單孔屏10的屏孔13處的傅里葉變換透鏡11區域會被用到，因而在整個測量過程中待測光學器件2上不同測量點反射的光束都將通過傅里葉變換透鏡11的相同區域，雖然這個區域會引入誤差，但該誤差對于每個測量點都相同，因而可以認為傅里葉變換透鏡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引入的系統誤差對測量結果的相對變化量沒有影響，也就是說，本實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誤差的光學元件數目。
[0034]4、在傳統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;而在本實用新型中，經過單孔屏10的測量光束是一束以待測光學器件2上測量點處法線方向傳播的具有微小發散角的錐形細光束17，該錐形細光束17始終指向待測光學器件2上測量點處法線方向，所以本實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進行測量時測得的是光斑內的平均值，所以光斑越小，平均的區域越小，高頻信息越多，傳統LTP光斑直徑在幾個毫米。而在本實用新型中，由于測量光束為錐形細光束17，可見在待測光學器件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，因此有利于進行高頻測量。
[0036]以上所述的，僅為本實用新型的較佳實施例，并非用以限定本實用新型的范圍，本實用新型的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本實用新型的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本實用新型的權利要求保護范圍。本實用新型未詳盡描述的均為常規技術內容。
【主權項】
1.一種長程光學表面面形檢測儀，用于對待測光學器件的表面進行面形檢測，其包括移動光學頭，其特征在于， 所述移動光學頭包括尾纖、分束鏡、單孔屏、傅里葉變換透鏡和面陣探測器，所述移動光學頭設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器件的表面上，再經所述待測光學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器件表面測量點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.根據權利要求1所述的長程光學表面面形檢測儀，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.根據權利要求1所述的長程光學表面面形檢測儀，其特征在于，所述尾纖的光束出射點經所述分束鏡反射所成像的像點與所述單孔屏的屏孔經所述分束鏡透射所成像的中心點重合。4.根據權利要求1所述的長程光學表面面形檢測儀，其特征在于，所述移動光學頭還包括殼體，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置在所述殼體中。5.根據權利要求1所述的長程光學表面面形檢測儀，其特征在于，該檢測儀還包括固定光學頭及平面反射鏡，所述平面反射鏡固定在所述移動光學頭上，所述固定光學頭設置為向所述平面反射鏡投射參考光束，并檢測經所述平面反射鏡反射的光束。6.根據權利要求5所述的長程光學表面面形檢測儀，其特征在于，所述固定光學頭為自準直儀或f-θ角度檢測系統。7.根據權利要求1所述的長程光學表面面形檢測儀，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.根據權利要求7所述的長程光學表面面形檢測儀，其特征在于，所述光源為非相干光源。9.根據權利要求1所述的長程光學表面面形檢測儀，其特征在于，該檢測儀還包括光學平臺和線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學平臺上，所述移動光學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
【發明人】彭川黔, 何玉梅, 王劼
【申請人】中國科學院上海應用物理研究所