CN101614523A - 一种检测掠射筒状离轴非球面镜的多光束长轨干涉仪 - Google Patents

一种检测掠射筒状离轴非球面镜的多光束长轨干涉仪 Download PDF

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一种检测掠射筒状离轴非球面镜的多光束长轨干涉仪，属于光学检测技术领域中的检测设备。要解决的技术问题：提供一种检测掠射筒状离轴非球面镜的多光束长轨干涉仪，技术方案：包括激光光源、起偏器、多光束分光器、光阑、偏振分光镜、1/4波片、五棱镜、待测筒状非球面镜、傅里叶变换透镜、CCD相机等。在激光光源的光轴上，依次放置起偏器、直角棱镜、多光束分光器、光阑、半波片、偏振分光镜、第二1/4波片、参考平面镜；偏振分光镜的分光面与光轴45度，右边依次放置傅里叶透镜、CCD相机；左边光路上依次放置第一1/4波片、第一、二五棱镜，第二五棱镜的出射面正对待测筒状非球面镜的内表面；待测筒状非球面镜放置在旋转平台上。

Description

一种检测掠射筒状离轴非球面镜的多光束长轨干涉仪
技术领域
本发明属于光学检测技术领域中涉及的一种基于多光束干涉的长轨扫描干涉仪，是一种对筒状离轴非球面镜进行检测的设备。
背景技术
在极紫外及X射线波段工作的光学元件，大多工作在掠射方式下，光学元件多为筒状和条状，且对光学元件的面型要求极高，使用常规光学检测设备很难对掠射光学元件进行高精度检测。国外对筒状非球面进行检测多采用扫描重建的方法，与本发明最为接近的已有技术是意大利Sincrotrone Trieste公司的钱石南、美国大陆光学公司的李海章及美国BNL实验室的Peter Z Takacs等人研制的五棱镜长轨轮廓仪(SPIE，Vol 2805，108～114，1996年8月)原理结构如图1所示：包括激光光源1、起偏器2、分光镜3、第一直角棱镜4、第二直角棱镜5、半波片6、偏振分光镜7、第一1/4波片8、道威棱镜9、第一五棱镜10、第二五棱镜11、待测筒状非球面镜12、旋转平台13、第二1/4波片14、参考平面镜15、傅里叶变换透镜16、CCD相机17。
由激光光源1发出的光束经过起偏器2变为线偏振光，然后进入分光镜3，分光镜3将入射光束分成两束分别进入第一直角棱镜4和第二直角棱镜5、两直角棱镜分别将光束产生一个与传播方向垂直的位移后反射回分光镜3、通过调整第一直角棱镜4和第二直角棱镜5的位置可以改变由分光镜3出射的两束相互平行的相干光之间的距离。由分光镜3出射的两束相互平行的相干光通过半波片6进入偏振分光镜7，偏振分光镜7将两平行光分成偏振方向为平行和垂直的两部分，一部分为检测光束通过第一1/4波片8进入道威棱镜9，通过道威棱镜9后进入第一五棱镜10，然后进入第二五棱镜11，由第二五棱镜11出射的光照射到待测筒状非球面镜12表面，经待测筒状非球面镜12反射依次通过第二五棱镜11、第一五棱镜10、道威棱镜9、第一1/4波片8进入偏振分光镜7，此检测光束再次通过第一1/4波片8后偏振状态发生改变，从而能够通过偏振分光镜7入射到傅里叶变换透镜16上，最终在CCD相机17上参与干涉成像；另一部分光束为参考光束，由偏振分光镜7射出后通过第二1/4波片14，入射到参考平面镜15表面，经参考平面镜15反射后，再次通过第二1/4波片14，然后通过偏振分光镜7入射到傅里叶变换透镜16上，最终在CCD相机17上干涉成像。通过测量检测光束和参考光束在CCD相机17上所成干涉条纹间的距离就可以得到待测筒状非球面镜12表面的斜率信息，进而得到待测筒状非球面镜12的表面轮廓。
该五棱镜长轨轮廓仪存在的问题是：分光装置由分光镜3、第一直角棱镜4和第二直角棱镜5组成，通过此装置一束光被分成两束平行的相干光，在CCD相机17上产生干涉条纹，测量待测筒状非球面镜12的表面倾斜。双光束产生的干涉条纹锐度不够，难以更精确的定位到条纹中心而影响测量精度。而且分光装置各元件的相对位置易受环境因素影响，影响测量精度。
发明内容
为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于进一步提高长轨干涉仪的测量精度。特设计一种利用多光束干涉来代替已有技术中的双光束干涉，使干涉条纹更加细锐，测量结果更精确。
本发明要解决的技术问题是：提供一种检测掠射筒状离轴非球面镜的多光束长轨干涉仪。解决技术问题的技术方案如图2所示：包括激光光源18、起偏器19、直角棱镜20、多光束分光器21、光阑22、半波片23、偏振分光镜24、第一1/4波片25、第一五棱镜26、第二五棱镜27、待测筒状非球面镜28、旋转平台29、第二1/4波片30、参考平面镜31、傅里叶变换透镜32、CCD相机33。
在激光光源18的光传播方向上，在光轴上依次放置起偏器19、直角棱镜20，直角棱镜20用于将光轴折转90度，直角棱镜20一直角面与光轴垂直，斜面与光轴成45度夹角；在直角棱镜20反射光的光轴上依次置有多光束分光器21、光阑22、半波片23、偏振分光镜24、第二1/4波片30、参考平面镜31；多光束分光器21由两块梯形棱镜组成，梯形斜边与底边的夹角在85～87度之间，两个梯形棱镜的斜面为工作面，两斜面保持严格平行且中间有一约1mm左右空隙，在多光束分光器21下面的光阑22和半波片23的工作面与光轴垂直，偏振分光镜24的分光面与光轴45度放置，以偏振分光镜24为中心，右边依次放置傅里叶透镜30、CCD相机33，CCD相机33放置在傅里叶变换透镜32的焦面上，用于干涉条纹的成像；左边依次放置第一1/4波片25、第一五棱镜26，第一五棱镜26的一个直角面为入射面与光轴垂直且正对第一1/4波片，另一直角面为出射面；第二五棱镜27置于第一五棱镜26的正下方，第一五棱镜26的出射面与第二五棱镜27的入射面平行相对，第二五棱镜27的出射面正对待测筒状非球面镜28的内表面；待测筒状非球面镜28放置在旋转平台29上，使待测筒状非球面镜28的轴与旋转平台29的转轴重合。
工作原理说明：由激光光源18发出的光束通过起偏器19后，进入多光束分光系统，通过直角棱镜20投射到多光束分光器21上，由于多光束分光器21是由两块梯形棱镜组成的特殊结构，两个梯形棱镜的斜面是工作面，保持严格平行具有法布里-波罗标准具形式，把一束光分成多束相干平行光出射，多束平行光通过光阑22和半波片23，进入偏振分光镜24，由偏振分光镜24把入射光分成水平和垂直偏振方向的两部分光束，一部分光束为检测光束，通过第一1/4波片25进入由第一五棱镜26和第二五棱镜27组成的扫描系统，光束通过扫描系统入射到待测筒状非球面镜28表面，反射光束将由于待测筒状非球面镜28的表面斜率而产生微小的倾斜，带有微小倾斜的反射光束依次通过第二五棱镜27、第一五棱镜26、第一1/4波片25及偏振分光镜24后入射到傅里叶变换透镜32上，最后在CCD相机33上产生干涉条纹；另一部分光束为参考光束，通过第二1/4波片30垂直入射到参考平面镜31，反射光再次经过第二1/4波片30将改变偏振方向，经过偏振分光镜24时将发生反射进入傅里叶变换透镜32，然后在CCD相机33上产生干涉条纹；在CCD相机33上产生的干涉条纹与检测光束产生干涉条纹的间距即代表了待测表面产生倾斜的大小。通过扫描系统测量表面各处倾斜的值然后通过积分运算即可反演出待测表面的面型结构。
本发明与已有技术比较，结构相同，特征在于在光路上，起偏器19和半波片23之间的分光系统采用了多光束分光器21，能产生多束相干的平行光。
本发明的积极效果：多光束分光器，结构简单，容易制作；利用多条相干光束代替原来的双光束，能够在像面上产生更细的干涉条纹，使测量结果更加准确。而且通过绕光轴转动多光束分光器可以改变相干光束的排列方位，在扫描待测筒状非球面镜表面时不需要另加道威棱镜，使系统的结构更加简单。
附图说明
图1是已有技术的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明中多光束分光系统结构示意图。
具体实施方式
本发明按图2和图3所示的结构实施。其中激光光源18采用氦氖激光器，要求输出功率稳定，起偏器19放置在激光光源18前面，用于将激光光源18发出的激光光束变为线偏振光，直径要求大于激光光束的横截面，直角棱镜20采用普通K9光学玻璃制作，一直角面作为入射面垂直于光轴放置，斜面作为反射面与光轴成45度，用于将激光光束偏转90度，多光束分光器21亦由普通K9光学玻璃制作，分为上下两部分，如图3所示两部分结构相同横截面都为梯形，梯形斜边与底边的夹角在85～87度之间，梯形棱镜的斜面为工作面，镀银反射膜，对632.8nm的激光的反射率约为95％，两斜面保持平行且中间有一薄空气层，空气层的厚度在1mm左右，为了保持两工作面的平行可在两面之间加一铟钢圆环，使两工作面之间的距离固定不变；光阑22由金属铝制作表面漆黑，置于多光束分光器21的出射光路上，用于拦掉多余的光束，小孔的直径约为2～3mm用于限制检测光束的数量和宽度；光阑22后面放置半波片23，由云母制作，它可以绕光轴转动，用于调整偏振光束平行和垂直分量的相对强度；半波片23后放置偏振分光镜24，分光面与光轴成45度放置；正下方放置第二1/4波片30由云母制作，第二1/4波片30的下方是参考平面镜31，参考平面镜31与光轴垂直放置；偏振分光镜24的右边水平方向上依次放置傅里叶变换透镜32和CCD相机33，其中CCD相机33的接收面与傅里叶变换透镜32的焦面重合；偏振分光镜的左边放置第一1/4波片25，然后是第一五棱镜26，一直角面正对第一1/4波片25另一直角面向下正对第二五棱镜27；第二五棱镜27一直角面向上与第一五棱镜26的一直角面相对，另一直角面正对待测筒状非球面镜28表面，两个五棱镜规格相同，技术条件相同，都用K9光学玻璃制作；以上各光学元件除第一五棱镜26、第二五棱镜27和待测筒状非球面镜28外，其它元件都由机械结构固定，保证测量时元件的相对位置不变；第一五棱镜26装在与偏振分光镜24水平的一空气静压导轨上，使能够水平滑动；第一五棱镜26和第二五棱镜27之间由垂直空气静压导轨相连，使第二五棱镜27能够沿垂直导轨上下移动，对筒状待测筒状非球面镜28进行上下扫描；待测筒状非球面镜28放置在水平旋转平台29上，待测筒状非球面镜28的中心轴与旋转平台29的旋转轴重合，旋转平台29采用高精度光学转台保证转动时平台表面的水平度，通过旋转平台29的转动对待测筒状非球面镜28进行水平方向的扫描。为了保证测量精度，整个系统要求置于有防震、温控系统的光学车间内工作，保证室内温度波动在1摄氏度内，并尽量减少室内的空气扰动带来的测量误差。

Claims (1)

1、一种检测掠射筒状离轴非球面镜的多光束长轨干涉仪，包括：激光光源(18)、起偏器(19)、半波片(23)、偏振分光镜(24)、第一1/4波片(25)、第一五棱镜(26)、第二五棱镜(27)、待测筒状非球面镜(28)、旋转平台(29)、第二1/4波片(30)、参考平面镜(31)、傅里叶变换透镜(32)、CCD相机(33)；其特征在于还包括：直角棱镜(20)、多光束分光器(21)、光阑(22)；在激光光源(18)的光传播方向上，在光轴上依次放置起偏器(19)、直角棱镜(20)，直角棱镜(20)一直角面与光轴垂直，斜面与光轴成45度夹角；在直角棱镜(20)反射光的光轴上依次置有多光束分光器(21)、光阑(22)、半波片(23)、偏振分光镜(24)、第1/4波片(30)、参考平面镜(31)；多光束分光器(21)由两块梯形棱镜组成，梯形斜边与底边的夹角在85～87度之间，两个梯形棱镜的斜面为工作面，两斜面保持严格平行且中间有一约1mm左右空隙，在多光束分光器(21)下面的光阑(22)和半波片(23)的工作面与光轴垂直，偏振分光镜(24)的分光面与光轴45度放置，以偏振分光镜(24)为中心，右边依次放置傅里叶透镜(30)、CCD相机(33)，CCD相机(33)放置在傅里叶变换透镜(32)的焦面上，用于干涉条纹的成像；左边依次放置第一1/4波片(25)、第一五棱镜(26)，第一五棱镜(26)的一个直角面为入射面与光轴垂直且正对第一1/4波片，另一直角面为出射面；第二五棱镜(27)置于第一五棱镜(26)的正下方，第一五棱镜(26)的出射面与第二五棱镜(27)的入射面平行相对，第二五棱镜(27)的出射面正对待测筒状非球面镜(28)的内表面；待测筒状非球面镜(28)放置在旋转平台(29)上，使待测筒状非球面镜(28)的轴与旋转平台(29)的转轴重合。
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