CN102735184A - 一种光学面形的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光学面形的检测装置及检测方法，激光器发射的光经过分光镜、准直光学系统、反射镜、参考面反射后产生参考光，参考平面和待测平面产生干涉，干涉光经光路返回后经过分光镜再由聚光镜组收集到CCD探测器接收。移相器用来产生移相。转台用来控制参考平面的旋转，平移台控制待测平面的移动。平移台使待测平面移动来测量待测平面上不同的子孔径，转台用来控制参考平面的旋转，在原有的三平面测量的算法基础上，只用两个平面在子孔径拼接过程中就解出两个平面的面形信息。本发明提高检测的精度，同时在检测过程中不更换镜子，用两个平面就完成了绝对测量，提高了检测的重复性和再现性。

Description

一种光学面形的检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种光学面形的检测装置及检测方法。

背景技术

高精度干涉仪表面测量变得越来越重要，不但在传统的光学制造领域，而且在像光盘面或者半导体晶体面这样的新领域。pv值在亚纳米范围的检测精度要求越来越多。随着现代工业和科学技术的飞速发展，特别是近代大规模集成电路技术的不断提高，对系统的精度要求日益提高。在光刻系统中，越来越短的波长要求我们使用更高精度的光刻物镜。在这之前我们需要更高精度的检测技术来满足加工及系统集成的需要。光学面形高精度检测技术是极大规模集成电路及成套设备制造工艺中关键技术之一。

最著名的绝对测量方法是三平面法，通过平面互检，旋转的方式，将三个平面的面形解出来。skip-test这种测量方式可以测试比干涉仪的孔径更大的平面，Ritchty-Common方式与这种方式类似，可以测量具有发散球面光束的面。由于数据简化的问题，这些方法都没有被广泛的使用。同时这些方法中有的使用了反函数，Zernike多项式和坐标变换来提取全孔径数据。自然地，匹配Zernike多项式限制了测量结果的带宽。通过测量平面旋转两个不同的角度，Kuchel设计了一种在Ritchey-Common测量方法基础上获得高分辨率数据的方法。

从轮廓测量到全孔径测量，在经典的三平面法的基础上衍生了许多方法。一种方法是旋转其中一个平面，通过增加角度旋转后的数据来解出面形结果，另一种方法是使用4步测量来匹配波前，通过求解Zerinke系数来解出面形。Ai设计了一种基于对称性的测量方式。Mack结合了具有对称性原理四方位角测量位置的方法，这种方法可以匹配Zernike算法来分离到5θ项的平面或者球面的非旋转对称误差。Kuchel设计了一种通过将两个平面放入干涉仪中，通过选择不同的入射角来产生不同的角度测量结果，进而求出面形的方法。

对于球面测量，最著名的测量方法是双球面，三位置法测量，测量在猫眼，焦点位置的结果。由于在斐索干涉仪测量过程中，在猫眼位置容易引起误差，所以通常使用低f数的系统。最常见的误差具有2θ的对称性，Selberg设计了一种增加两次测量来移除这个误差的方法。

上述方法都是一些常见的绝对测量方法，大多都使用商业相位移动干涉仪来实现。通常的软件都会提供三平面法、双球面、三位置法测量。基于Zernike多项式的方法依然很实用，但是测量结果的误差受限于Zernike项数的选取。

同时随着科学技术的不断发展，大口径光学系统在天文光学、空间光学、空间目标探测与识别、惯性约束聚变（ICF）等高技术领域得到了越来越广泛的应用，因此大口径光学元件的制造需要与之精度相适应的检测方法和仪器。

目前大口径光学元件的表面加工质量一般是使用大口径的移相干涉仪，这就要求要有一块与被测元件尺寸相同或者更大的标准面形，而这样一个高精度的标准表面，不仅加工难度极大，而且制造周期长，制造成本高，这些都无形地增加了检测的成本和难度。为了寻求一种低成本的检测手段，国外在20世纪80年代开展了子孔径拼接这一方案的研究，即使用小口径、高精度、高分辨率的干涉仪通过相关拼接技术来复原大口径光学元件的波前相位数据，这是一项新的高精度、大孔径面形检测手段，它既保留了干涉测量的高精度，又免去了使用与全孔径尺寸相同的标准波面，从而大大降低了成本，同时还可以获得大孔径干涉仪所截去的波面高频信息。

子孔径测试概念是在1982年，由美国Arizona光学中心的C.J.Kim首先提出来的，他使用小口径平面反射镜阵列代替大口径平面反射镜实现了抛物面镜的自准直检验。上世纪90年代初，随着计算机控制及数据处理技术的不断发展，该技术逐步转入到应用研究阶段。S.T.Theodore将子孔径测试技术应用于一种改进的Ritchey-Common配置中，该配置比通常的Ritchey-Common配置具有较短的光程，能够有效减少大气扰动的影响，而且返回光学元件的直径小于测试光束的直径。

这期间发展的拼接算法使多个子孔径的重叠区的不匹配最小化，以达到高空间分辨率的全孔径面形重构，并且误差均化思想的引入使得拼接算法的精度有了很大的提高，这些相关技术主要应用在大口径平面面形检验，用于扩展其横向动态范围。

1997年，M.Bray制造出实用化的用于大口径光学平面元件检测的子孔径拼接干涉仪。随后几年，M.Bray将功率谱密度（PSD）概念引入到拼接干涉仪特性分析中，分析表明它能较准确地描述由子孔径边缘效应引起的拼接“噪声”。

2003年美国QED技术公司研制成功了SSI自动拼接干涉仪，能够高精度检测口径200mm以内的平面、球面、适当偏离度的非球面。其拼接算法在继承了早期算法的优点外，还补偿了通常算法所校正的相对调整误差之外的系统误差，进一步提高了拼接精度。

国内，子孔径测试技术的研究开始于上世纪90年代初，主要用于大口径平面光学元件检测。南京理工大学把子孔径测试技术应用到相移平面干涉仪中，将测试口径范围从250mm扩展到500mm。

90年代中后期，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室用子孔径测试技术检验了某资源卫星的RC光学系统，并提出了拼接目标函数分析法，在减少子孔径间两两拼接造成误差累积和传递方面具有积极的意义。

从子孔径拼接干涉仪的使用原理来说，子孔径拼接干涉仪通常使用斐索相移干涉仪作为测量头，在高精度移相干涉仪中，主要测量参考面和待测面的相位差，测量结果既有待测面的面形误差，又有参考面的误差。移相干涉测量法的测量重复性精度非常高，但是测量的精度受限于参考面的精度。如果参考面的误差可以移除，整个干涉仪的测量精度就可以有较大提高。绝对测量就可以在测量过程中移除参考面的误差，通常的绝对测量需要三平面互检，需要在检测过程中更换镜子，更换镜子的过程就会在测量过程中引入重复性误差和再现性误差。在本专利中，在子孔径拼接过程中，把各个子孔径当做不同的平面，在子孔径拼接的过程中标定出参考面和子孔径的面形误差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光学面形的检测装置及检测方法，以实现在检测过程中实现绝对标定，同时不更换镜子。

为达成所述目的，本发明提供一种光学面形的检测装置，包括：激光器、分光镜、准直光学系统、第一反射镜、参考镜、转台、移相器、半透半反镜、第二反射镜、待测镜、平移台、聚光镜、CCD探测器和计算机，其中：激光器放在准直光学系统的焦点位置，分光镜放置在激光器和准直光学系统之间；分光镜中心与准直光学系统中心连线为光轴，第一反射镜与光轴成45°夹角；激光器、分光镜、准直光学系统、第一反射镜中心在同一光轴上；参考镜垂直于反射后光轴，参考镜中心对准第一反射镜中心；参考镜固定在转台上面，转台垂直于反射后光轴，移相器与转台相连，用于控制参考镜的运动，产生移相；待测镜垂直于反射后光轴，待测镜固定在平移台上，平移台垂直于反射后光轴；聚光镜中心对准分光镜中心；CCD探测器放在聚光镜后面；计算机与CCD探测器连接；半透半反镜与待测镜的待测面成45°夹角，第二反射镜与待测镜的待测面成45°夹角；半透半反镜与光轴成45°夹角，照明光入射到半透半反镜时，一半照明光透射，一半照明光反射；待测面反射的光，一部分经过半透半反镜透射，一部分经过第二反射镜反射后再经半透半反镜反射；第二反射镜与待测面成45°夹角，与光轴成45°夹角，用于将照明光反射，将测试光反射；以及：

激光器，用于发出激光作为照明光源；

分光镜，用于将照明光透射，以及用于将干涉光反射；

准直光学系统，用于将激光器发出的激光准直；

第一反射镜，用于将照明光反射，以及用于将干涉光反射；

参考镜，用于提供参考面；

转台，用于放置参考镜，同时控制参考镜旋转；

移相器，用于产生移相，移相器和转台相连，由计算机控制转台的移动；

半透半反镜，用于将照明光一部分透射，一部分反射，将测试光一部分透射，一部分反射；

第二反射镜：用于将照明光反射，将第一路测试光反射；

待测镜含有所述的待测面；

平移台，用于放置待测镜，同时控制待测镜的平动；

聚光镜，用于将干涉后的干涉光投射到CCD探测器上，参考镜的参考面反射产生的参考波和待测镜的待测面反射产生的平面波发生干涉产生干涉光会聚到CCD探测器上形成干涉图案，CCD探测器记录干涉图案，计算机与CCD探测器连接，计算机存储并处理CCD探测器记录的干涉图案；所述干涉图案包含了参考面和待测面的信息，通过对干涉图案的处理，可以分别求出参考面和待测面的面形，计算机能够控制半透半反镜和第二反射镜自动插入或者移出到该装置的测量光路中。

其中，所述半透半反镜有效通光面积x方向投影在参考面上的长度需大于或等于r/2，r为参考面半径，半透半反镜的一个边界在参考面的投影位置经过第一子孔径测量时参考面中心。

其中，所述第二反射镜有效通光面积x方向投影在参考面上的长度需大于或等于r/2，r为参考面半径，第二反射镜的一个边界经过第一子孔径测量时参考面的边界点。

半透半反镜有效通光面积x方向在参考面上最短投影为r/2,第二反射镜x方向最短投影在参考面上的长度为r/2。

其中，所述转台可以使参考镜旋转任意角度，同时可以连接移相器进行一维运动，同时也可以带有编码功能。

其中，所述平移台用于控制待测镜平动，或者在二维方向移动，或者单独在一维方向移动，所述平移台是直线导轨的组合，或者是其他有二维运动能力的机构。

本发明的另一方面提供一种光学面形检测方法，该方法使用上述光学面形的检测装置，该方法利用子孔径拼接算法以及绝对测量法，所述子孔径拼接算法中包含绝对测量法，在子孔径拼接过程中解出参考面和待测面的面形误差，参考面的面形信息用A表示，包含旋转非对称误差A_a和旋转对称误差A_s，即A=A_a+A_s，具体检测步骤如下：

步骤S1：设参考镜的正面为参考面、待测镜的正面为待测面；将参考镜固定在转台中，将待测镜固定在平移台中，参考面的中心对准待测面的中心，此时中心点坐标定为（0，0）；装置的激光器发射的照明光经过一个分光镜，照明光透射过分光镜照射到准直光学系统，准直光学系统对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上形成参考光，反射后的光束透射过参考镜照射到待测镜的待测面上反射形成测试光，参考光和测试光发生干涉形成干涉光，干涉光经过第一反射镜反射，准直光学系统透射，分光镜反射，再经聚光镜会聚到CCD探测器上形成干涉图案，CCD探测器记录后经由计算机存储并处理，通过移相器进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后解出光程差信息为：

M₁＝A+B₁

其中A表示参考镜的参考面的面形信息，B₁表示待测镜在中心位置子孔径时的面形信息，M₁表示为第一子孔径测量结果，表示参考面和待测面在中心位置第一子孔径时发生干涉时的面形的光程差；

步骤S2：用计算机控制转台多次旋转，测量参考面和待测面在不同旋转角度下的光程差；待测面中心位置第一子孔径B₁包含旋转非对称误差B_1a和旋转对称误差B_1s，即B₁=B_1a+B_1s，根据绝对测量原理，解出参考面和待测面第一子孔径旋转非对称误差A_a,B_1a；

其中A_a表示参考镜的参考面的面形旋转非对称误差信息，B_1a表示待测面在第一子孔径位置时的面形的旋转非对称误差信息；

步骤S3：用计算机控制转台将参考镜旋转至步骤S1初始位置，用计算机控制平移台在步骤S1的初始位置沿x轴负方向移动距离r，这时子孔径圆心位置由（0，0）变为（r,0），这时参考面中心对准待测镜第二子孔径圆心位置（r,0）；测量参考面和第二子孔径的光程差为：

M₂＝A+B₂

其中A表示参考镜的参考面的面形信息，B₂表示待测面在第二子孔径位置时的面形信息其圆心为（r,0），M₂表示为第二子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第二子孔径位置发生干涉时的面形的光程差；

步骤S4：用计算机控制转台多次旋转，测量参考面和待测面在不同旋转角度下的光程差，待测面第二子孔径B₂包含旋转非对称误差B_2a和旋转对称误差B_2s，即B₂=B_2a+B_2s,根据绝对测量原理，解出待测面第二子孔径旋转非对称误差B_2a；

其中A_a表示参考镜的参考面的面形旋转非对称误差信息，B_2a表示待测面在第二子孔径位置时的面形的旋转非对称误差信息；

步骤S5：用计算机控制转台旋转到步骤S3初始位置，控制半透半反镜和第二反射镜插入到系统中去；装置激光器发射的照明光经过一个分光镜，照明光透射过分光镜照射到准直光学系统，准直光学系统对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上形成参考光，反射后的光束透射过参考镜，一部分光照射到半透半反镜时分成两路光，第一路光经半透半反镜反射，再经第二反射镜反射照射到待测面反射形成第一路测试光。第二路光经半透半反镜透射照射到待测面反射形成第二路测试光。第一路测试光经第二反射镜反射，半透半反镜反射，第二路测试光再经半透半反镜透射后和第一路测试光合光后形成测试光，参考光和测试光发生干涉光，干涉光经过第一反射镜反射，准直光学系统透射，分光镜反射，再经聚光镜会聚到CCD探测器上形成干涉图案，CCD探测器记录后经由计算机存储并处理，通过移相器进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后提取出半透半反镜（8）和第二反射镜（9）对应区域的光程差信息，待测面对应第二路测试光的面形为B₂₁，待测面对应第一路测试光的面形为B₂₂，参考面对应半透半反镜的面形为A₂₁，测量此时半透半反镜和第二反射镜对应范围的参考面和待测面的光程差；

M’=A₂₁+B₂₁+B₂₂

其中A₂₁表示参考镜的参考面对应半透半反镜的面形信息，B₂₁表示待测面对应半透半反镜的面形信息，B₂₂表示待测面对应第二反射镜的面形信息；

步骤S6：用计算机控制半透半反镜和第二反射镜移出装置的测量光路，用计算机控制转台将参考镜旋转至步骤S1初始位置，用计算机控制平移台移动，测量剩余的子孔径B₃，B₄，…，B_n得到剩余子孔径与参考面的光程差结果M₃，M₄，…，M_n；

M₃=A+B₃

M₄=A+B₄

...

M_n=A+B_n

其中A表示参考镜的参考面的面形信息，B₃表示待测面在第三子孔径位置时的面形信息，B₄表示待测面在第四子孔径位置时的面形信息，依此类推，M_n表示待测面在第n子孔径位置时的面形信息；M₃表示为第三子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第三子孔径位置发生干涉时的面形的光程差，M₄表示为第四子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第四子孔径位置发生干涉时的面形的光程差，依此类推，M_n表示为第n子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第n子孔径位置发生干涉时的面形的光程差；

步骤S7：根据记录的光程差信息，使用计算机解出参考镜的参考面的面形A，待测镜的待测面的全口径面形B。

其中，所述子孔径检测过程中，待测面B由子孔径拼接而成，参考面A、待测面B的面形信息可以分为旋转对称项和旋转非对称项，所述单个子孔径的面形信息也可以分为旋转对称项和旋转非对称项：

根据数学原理，面形信息可以分解为旋转对称项和旋转非对称项；

旋转对称项，表示为面形信息与面形旋转角度无关；

旋转非对称项，表示为面形信息与面形旋转角度相关；

待测面B由n个子孔径拼接而成，B=B₁+B₂+B₃…B_n；

A=A_a+A_s；

B=B_a+B_s；

B₁=B_1a+B_1s；

B₂=B_2a+B_2s。

其中，能够根据已有的测量结果，利用绝对测量方法标定出第一子孔径，第二子孔径和参考面的面形，再根据子孔径拼接原理求出待测面面形B；

M₁=A+B₁；

M₂=A+B₂；

第一子孔径和第二子孔径利用角度旋转绝对测量方法可以多次旋转参考面进行测量，求取旋转非对称项，A_a,B_1a,B_2a；

M₁=A_a+A_s+B_1a+B_1s；

M₂=A_a+A_s+B_2a+B_2s；

根据上式可以求出：

M₁’=B_1s+A_s=M₁-A_a-B_1a；

M₂’=B_2s+A_s=M₂-A_a-B_2a；

M₁’表示的是第一子孔径测量结果中旋转对称项部分，M₂’表示的是第二子孔径测量结果中旋转对称项部分；

加入半透半反镜和第二反射镜后的测量结果：

M’=A₂₁+B₂₁+B₂₂；

可以从参考面A和第二子孔径B_2a中提取A₂₁,B₂₁,B₂₂对应的旋转非对称项A_21a,B_21a,B_22a；

上式减去参考面和待测面对应的旋转非对称项A_21a,B_21a,B_22a后，可得：

M_s’=A_21s+B_21s+B_22s；

其中A_21s表示参考镜的参考面对应半透半反镜的面形的旋转对称项信息，B_21s表示待测面对应半透半反镜的旋转对称项面形信息，B_22s表示待测面对应第二反射镜的旋转对称项面形信息；

设第一子孔径和第二子孔径重叠区域为B₁₂，对于重叠区域，在子孔径一和子孔径二测量过程中，可以提取出关于重叠区域的相关方程；

由于面形只剩下旋转对称项，所以只需求出参考面上一条半径的面形数据就可以求得整个面形的旋转对称项的数据；

根据第一子孔径和第二子孔径重叠区域设置可知，重叠区域第一子孔径和第二子孔径圆心之间距离为r，即为第一子孔径和第二子孔径连线为第一子孔径和第二子孔径半径；根据探测器读出的数据进行计算，可以求出半径上的采样点共有N个；

对于每个采样点列方程：

对于第一子孔径，根据M₁’=B_1s+A_s=M₁-A_a-B_1a，在半径上的方程如下：

A_sr1+B_1s1=M₁₁’

A_sr2+B_1s2=M₁₂’

...

A_srn+B_1sn=M_1n’

其中A_sr1,A_sr2…A_srn为参考面重叠区域半径上对应点，B_1s1,B_1s2…B_1sn为待测面第一子孔径重叠区域半径上对应点，M₁₁’,M₁₂’…M_1n’表示M₁’中在半径上的对应点值；

对于第二子孔径，根据M₂’=B_2s+A_s=M₂-A_a-B_2a，在半径上的方程如下：

第二子孔径测量过程中，由于目前只剩下旋转对称项，根据第二子孔径测量时，参考面和待测面的位置关系，所以相当于将参考面重叠区域半径逆时针旋转180°后与第二子孔径的半径对应，可得半径上的对应方程：

A_srn+B_2s1=M₂₁’

A_srn-1+B_2s2=M₂₂’

...

A_sr1+B_2sn=M_2n’

其中A_srn,A_srn-1…A_sr1为参考面重叠区域半径上对应点，B_2s1,B_2s2…B_2sn为待测面第二子孔径重叠区域半径上对应点，M₂₁’,M₂₂’…M_2n’表示M₂’中在半径上的对应点值；根据重叠区域定义B_1s1=B_2s1,B_1s2=B_2s2…B_1sn=B_2sn。

加入半透半反镜和第二反射镜后的测量结果M_s’=A_21s+B_21s+B_22s，在半径上的对应方程为：

A_sr1+B_1s1+B_2sn/2=M_sn’

A_sr2+B_1s2+B_2sn/2+1=M_sn-2’

...

A_srn/2+B_1sn/2+B_2sn=M_sn/2’

根据上述方程联立，可以求出参考面上半径的对应点数据：A_sr1,A_sr2，A_sr3...A_srn，根据半径上的数据，利用旋转对称原理可以求出参考面的旋转对称项A_s；

所以可以求出参考面面形，A=A_a+A_s；

从测量结果M₁,M₂,…M_n中减去参考面的误差A，可得子孔径B₁,B₂…B_n；利用拼接算法可以求出待测面面形B。

其中，所述待测面最少有两个子孔径，同时第一子孔径和第二子孔径包含相互的圆心；即平移台控制待测镜平动时，第一步移动距离需等于子孔径半径r。

本发明的有益效果：

1、本发明系统中利用平移台移动特定的位置，把不同的子孔径当成不同的面，在子孔径拼接过程中利用绝对测量技术移除参考面的误差，提高检测的精度，同时在检测过程中不更换镜子，用两个平面就完成了绝对测量，提高了检测的重复性和再现性。

2、本发明系统中增加了一个特定通光面积的反射镜和半透半反镜，用于求出面形的旋转对称项，利用转台的旋转来求出面形的旋转非对称项。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明不含半透半反镜和第二反射镜的示意图；

图3步骤S5时，系统参考面、第一子孔径、第二子孔径、半透半反镜、第二反射镜位置关系示意图；

图4为本发明光学面形的检测方法过程流程图；

图5为本发明使用子孔径拼接检测的待测面B；

图6为本发明参考镜和待测镜示意图；

图7为本发明第一子孔径和第二子孔径位置关系示意图；

图8为本发明半透半反镜、第二反射镜、参考镜、待测镜关系示意图；

图9为本发明光线经过半透半反镜、第二反射镜示意图；

图10为本发明第一子孔径和第二子孔径重叠区域示意图；

图11为本发明第一子孔径和第二子孔径圆心连线示意图；

图12为本发明第一子孔径重叠区域半径对应点示意图；

图13为本发明第二子孔径重叠区域半径对应点示意图；

图14为本发明加入半透半反镜和第二反射镜后重叠区域半径对应点示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1表示本发明装置的结构示意图，由激光器1、分光镜2、准直光学系统3、第一反射镜4、参考镜5、转台6、移相器7、半透半反镜8、第二反射镜9、待测镜10、平移台11、聚光镜12、CCD探测器13、计算机14组成。其中：激光器1放在准直光学系统3的焦点位置，分光镜2放置在激光器1和准直光学系统3之间。分光镜2中心与准直光学系统3中心连线为光轴，第一反射镜4与光轴成45°夹角。激光器1、分光镜2、准直光学系统3、第一反射镜4中心在同一光轴上。参考镜5垂直于反射后光轴，参考镜5中心对准第一反射镜4中心。参考镜5固定在转台6上面，转台6垂直于反射后光轴，移相器7与转台6相连，用于控制参考镜5的运动，产生移相。待测镜10垂直于反射后光轴，待测镜10固定在平移台11上，平移台11垂直于反射后光轴。聚光镜12中心对准分光镜2中心；CCD探测器13放在聚光镜12后面；计算机14与CCD探测器13连接；半透半反镜8与待测镜10的待测面成45°夹角，第二反射镜9与待测镜10的待测面成45°夹角；半透半反镜8与光轴成45°夹角，照明光入射到半透半反镜时，一半照明光透射，一半照明光反射；待测面反射的光，一部分经过半透半反镜8透射，一部分经过第二反射镜9反射后再经半透半反镜8反射；第二反射镜9与待测面成45°夹角，与光轴成45°夹角，用于将照明光反射，将测试光反射；半透半反镜8有效通光面积x方向投影在参考面上的长度需大于或等于r/2，半透半反镜8的一个边界在参考面的投影位置经过第一子孔径测量位置时参考面中心，r为参考面半径；第二反射镜9有效通光面积x方向投影在参考面上的长度需大于或等于r/2，r为参考面半径，第二反射镜9的一个边界经过第一子孔径测量位置时参考面的边界点。半透半反镜有效通光面积x方向在参考面上最短投影为r/2,第二反射镜9x方向最短投影在参考面上的长度为r/2。

激光器1，用于发出激光作为照明光源；分光镜2：用于将照明光透射，以及用于将干涉光反射；准直光学系统3：用于将激光器1发出的激光准直；第一反射镜4：用于将照明光反射，以及用于将干涉光反射；参考镜5：含有所述的参考面；转台6：用于放置参考镜，同时控制参考镜旋转。移相器7，用于产生移相，移相器7和转台6相连，由计算机12控制转台6的移动；半透半反镜8，用于将照明光一部分透射，一部分反射，将测试光一部分透射，一部分反射；第二反射镜9：用于将照明光反射，将测试光反射；待测镜10：含有所述的待测面；平移台11，用于放置待测镜10，同时控制待测镜10的平动；聚光镜12，用于将干涉后的干涉光投射到CCD探测器13上，参考镜5的参考面反射产生的参考波和待测镜10的待测面反射产生的平面波发生干涉产生干涉光会聚到CCD探测器13上形成并记录干涉图案，计算机14与CCD探测器13连接，计算机14存储并处理CCD探测器13记录的干涉图案。所述干涉图案包含了参考面和待测面的信息。通过对干涉图案的处理，可以分别求出参考面和待测面的面形。计算机14控制半透半反镜8和第二反射镜9自动插入或者移出到该装置的测量光路中。

在步骤S1、S2、S3、S4、S6时采用图2所示的测量装置，这时可以用计算机14控制将半透半反镜8和第二反射镜9自动移出测量光路。装置激光器1发射的照明光经过一个分光镜2，照明光透射过分光镜2照射到准直光学系统3，准直光学系统3对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜4上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上再反射形成参考光，经第一反射镜4反射后的光束透射过参考镜照射到待测镜5的待测面上反射形成测试光，参考光和测试光发生干涉形成干涉光，干涉光经过第一反射镜4反射，准直光学系统3透射，分光镜2反射，再经聚光镜12会聚到CCD探测器13上形成干涉图案，CCD探测器13记录后经由计算机14存储并处理，通过移相器7进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后解出光程差信息。

在步骤S5时采用图1所示的测量装置，这时可以用计算机14控制将半透半反镜8和第二反射镜9自动插入测量光路中。装置激光器1发射的照明光经过一个分光镜2，照明光透射过分光镜2照射到准直光学系统3，准直光学系统3对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜4上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上反射形成参考光，经第一反射镜4反射后的光束透射过参考镜，一部分光照射到半透半反镜时分成两路光，第一路光经半透半反镜8反射，再经第二反射镜9反射照射到待测面反射形成第一路测试光。第二路光经半透半反镜9透射照射到待测面反射形成第二路测试光。第一路测试光经第二反射镜9反射，半透半反镜8反射。第二路测试光再经半透半反镜8透射后和第一路测试光合光后形成测试光。参考光和测试光发生干涉形成干涉光，干涉光经过第一反射镜4反射，准直光学系统3透射，分光镜2反射，再经聚光镜10会聚到CCD探测器11上形成干涉图案，CCD探测器11记录后经由计算机14存储并处理，通过移相器7进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后提取出半透半反镜8和第二反射镜9对应待测面和参考面区域的光程差信息，参考面、第一子孔径，第二子孔径，半透半反镜、第二反射镜位置关系如图3所示。

图4示出本发明光学面形的检测方法过程流程图，所述子孔径拼接算法中包含绝对测量法，在子孔径拼接过程中解出参考面和待测面的面形误差，参考面形用A表示，包含旋转非对称误差A_a和旋转对称误差A_s，即A=A_a+A_s。

子孔径检测过程中，待测面B由子孔径拼接而成，如图5所示，图中1，2，3…表示的是第一子孔径、第二子孔径、第三子孔径等。参考面A,待测面B的面形信息可以分为旋转对称项和旋转非对称项，所述单个子孔径的面形信息也可以分为旋转对称项和旋转非对称项:

根据数学原理，面形信息可以分解为旋转对称项和旋转非对称项。

旋转对称项，表示为面形信息与面形旋转角度无关。

旋转非对称项，表示为面形信息与面形旋转角度相关。

待测面B,由n个子孔径拼接而成，B=B₁+B₂+B₃…B_n.

A=A_a+A_s;

B=B_a+B_s;

B₁=B_1a+B_1s;

B₂=B_2a+B_2s.

具体检测步骤如下：

步骤S1：设参考镜5的正面为参考面A、待测镜10的正面为待测面B，如图6所示；将参考镜5固定在转台6中，将待测镜10固定在平移台11中，参考面的中心对准待测面的中心，此时中心点坐标定为（0，0）。装置激光器1发射的照明光经过一个分光镜2，照明光透射过分光镜2照射到准直光学系统3，准直光学系统3对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜4上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上形成参考光，反射后的光束透射过参考镜照射到待测镜的待测面上反射形成测试光，参考光和测试光发生干涉形成干涉光，干涉光经过第一反射镜4反射，准直光学系统3透射，分光镜2反射，再经聚光镜12会聚到CCD探测器13上形成干涉图案，CCD探测器13记录后经由计算机14存储并处理，通过移相器7进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后解出光程差信息为：

M₁＝A+B₁

其中A表示参考镜5的参考面的面形信息，B₁表示待测镜10在中心位置子孔径时的面形信息，M₁表示为第一子孔径测量结果，表示参考面和待测面在中心位置第一子孔径时发生干涉时的面形的光程差；

步骤S2：用计算机14控制转台6多次旋转，测量参考面和待测面在不同旋转角度下的光程差。待测面中心位置第一子孔径B₁包含旋转非对称误差B_1a和旋转对称误差B_1s，即B₁=B_1a+B_1s,根据绝对测量原理，解出参考面和待测面第一子孔径旋转非对称误差A_a,B_1a；

其中A_a表示参考镜的参考面的面形旋转非对称误差信息，B_1a表示待测面在第一子孔径位置时的面形的旋转非对称误差信息。

步骤S3：用计算机14控制转台6将参考镜旋转至步骤S1初始位置，用计算机14控制平移台11在步骤S1的初始位置沿x轴负方向移动距离r，这时子孔径圆心位置由（0，0）变为（r,0）。这时参考面中心对准待测镜第二子孔径圆心位置（r,0），第一子孔径位置和第二子孔径位置如图7所示。测量参考面和第二子孔径的光程差为：

M₂＝A+B₂

其中A表示参考镜的参考面的面形信息，B₂表示待测面在第二子孔径位置时的面形信息其圆心为（r,0），M₂表示为第二子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第二子孔径位置发生干涉时的面形的光程差；

步骤S4：用计算机14控制转台6多次旋转，测量参考面和待测面在不同旋转角度下的光程差。待测面第二子孔径B₂包含旋转非对称误差B_2a和旋转对称误差B_2s，即B₂=B_2a+B_2s,根据绝对测量原理，解出待测面第二子孔径旋转非对称误差B_2a；

其中A_a表示参考镜的参考面的面形旋转非对称误差信息，B_2a表示待测面在第二子孔径位置时的面形的旋转非对称误差信息。

步骤S5：用计算机14控制转台6旋转到步骤S3初始位置，控制半透半反镜8和第二反射镜9插入到测量光路中去。半透半反镜8和第二反射镜9和待测镜10的关系如图8所示，光线经过半透半反镜8和第二反射镜9如图9所示。装置激光器1发射的照明光经过一个分光镜2，照明光透射过分光镜2照射到准直光学系统3，准直光学系统3对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜4上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上反射形成参考光，经第一反射镜4反射后的光束透射过参考镜，一部分光照射到半透半反镜8时分成两路光，第一路光经半透半反镜8反射，再经第二反射镜9反射照射到待测面反射形成第一路测试光。第二路光经半透半反镜9透射照射到待测面反射形成第二路测试光。第一路测试光经第二反射镜9反射，半透半反镜8反射。第二路测试光再经半透半反镜8透射后和第一路测试光合光后形成测试光。参考光和测试光发生干涉形成干涉光，干涉光经过第一反射镜4反射，准直光学系统3透射，分光镜2反射，再经聚光镜12会聚到CCD探测器13上形成干涉图案，CCD探测器13记录后经由计算机14存储并处理，通过移相器7进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后提取出半透半反镜8和第二反射镜9对应待测面和参考面区域的光程差信息。待测面对应第二路测试光的面形为B₂₁,待测面对应第一路测试光的面形为B₂₂,参考面对应半透半反镜的面形为A₂₁,测量此时半透半反镜和第二反射镜对应范围的参考面和待测面的光程差；

M’=A₂₁+B₂₁+B₂₂

其中A₂₁表示参考镜的参考面对应半透半反镜的面形信息，B₂₁表示待测面对应半透半反镜的面形信息，B₂₂表示待测面对应第二反射镜的面形信息；

步骤S6：用计算机14控制半透半反镜8和第二反射镜9移出测量光路，用计算机控制转台6将参考镜旋转至步骤S1初始位置，用计算机14控制平移台11移动，测量剩余的子孔径B₃,B₄…B_n,得到剩余子孔径与参考面的光程差结果M₃,M₄…M_n；

M₃=A+B₃

M₄=A+B₄

...

M_n=A+B_n

其中A表示参考镜的参考面的面形信息，B₃表示待测面在第三子孔径位置时的面形信息，B₄表示待测面在第四子孔径位置时的面形信息，依此类推，M_n表示待测面在第n子孔径位置时的面形信息。M₃表示为第三子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第三子孔径位置发生干涉时的面形的光程差，M₄表示为第四子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第四子孔径位置发生干涉时的面形的光程差，依此类推，M_n表示为第n子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第n子孔径位置发生干涉时的面形的光程差；

步骤S7：根据记录的光程差信息，使用计算机解出参考镜的参考面的面形A,待测镜的待测面的全口径面形B。

根据：

M₁=A+B₁；

M₂=A+B₂

第一子孔径和第二子孔径利用角度旋转绝对测量方法可以多次旋转参考面进行测量，求取旋转非对称项，A_a,B_1a,B_2a。

M₁=A_a+A_s+B_1a+B_1s；

M₂=A_a+A_s+B_2a+B_2s；

根据上式可以求出：

M₁’=B_1s+A_s=M₁-A_a-B_1a；

M₂’=B_2s+A_s=M₂-A_a-B_2a；

M₁’表示的是第一子孔径测量结果中旋转对称项部分，M₂’表示的是第二子孔径测量结果中旋转对称项部分。

加入半透半反镜和第二反射镜后的测量结果：

M’=A₂₁+B₂₁+B₂₂；

可以从参考面A和第二子孔径B_2a中提取A₂₁,B₂₁,B₂₂对应的旋转非对称项A_21a,B_21a,B_22a；

上式减去参考面和待测面对应的旋转非对称项A_21a,B_21a,B_22a后，可得：

M_s’=A_21s+B_21s+B_22s；

其中A_21s表示参考镜的参考面对应半透半反镜的面形的旋转对称项信息，B_21s表示待测面对应半透半反镜的旋转对称项面形信息，B_22s表示待测面对应第二反射镜的旋转对称项面形信息；

设第一子孔径和第二子孔径重叠区域为B₁₂,重叠区域如图10所示，区域中的黑点代表测量过程中的采样点。对于重叠区域，在子孔径一和子孔径二测量过程中，可以提取出关于重叠区域的相关方程；

由于面形只剩下旋转对称项，所以只需求出参考面上一条直径的面形数据就可以求得整个面形的旋转对称项的数据。

根据第一子孔径和第二子孔径重叠区域设置可知，重叠区域第一子孔径和第二子孔径圆心之间距离为r，即为第一子孔径和第二子孔径连线为第一子孔径和第二子孔径半径，如图11所示。根据探测器读出的数据进行计算，可以求出半径上的采样点共有N个。

对于每个采样点列方程：

对于第一子孔径，根据M₁’=B_1s+A_s=M₁-A_a-B_1a，在半径上的方程如下：

A_sr1+B_1s1=M₁₁’

A_sr2+B_1s2=M₁₂’

...

A_srn+B_1sn=M_1n’

其中A_sr1,A_sr2…A_srn为参考面重叠区域半径上对应点，B_1s1,B_1s2…B_1sn为待测面第一子孔径重叠区域半径上对应点，M₁₁’,M₁₂’…M_1n’表示M₁’中在半径上的对应点值，如图12所示。

对于第二子孔径，根据M₂’=B_2s+A_s=M₂-A_a-B_2a，在半径上的方程如下：

第二子孔径测量过程中，由于目前只剩下旋转对称项，根据第二子孔径参考面和待测面位置关系，所以相当于参考面重叠区域半径逆时针旋转180°后与第二子孔径面的半径对应，可得半径上的对应方程：

A_srn+B_2s1=M₂₁’

A_srn-1+B_2s2=M₂₂’

...

A_sr1+B_2sn=M_2n’

其中A_srn,A_srn-1…A_sr1为参考面重叠区域半径上对应点，B_2s1,B_2s2…B_2sn为待测面第二子孔径重叠区域半径上对应点，M₂₁’,M₂₂’…M_2n’表示M₂’中在半径上的对应点值，如图13所示。根据重叠区域定义B_1s1=B_2s1,B_1s2=B_2s2…B_1sn=B_2sn。

加入半透半反镜和第二反射镜后的测量结果M_s’=A_21s+B_21s+B_22s，如图14所示，在半径上的对应方程为：

A_sr1+B_1s1+B_2sn/2=M_sn’

A_sr2+B_1s2+B_2sn/2+1=M_sn-2’

...

A_srn/2+B_1sn/2+B_2sn=M_sn/2’

根据上述方程联立，可以求出参考面上半径的对应点数据，A_sr1,A_sr2,A_sr3…A_srn,根据半径上的数据，利用旋转对称原理可以求出参考面的旋转对称项A_s。

所以可以求出参考面面形，A=A_a+A_s；

从测量结果M₁,M₂,…M_n中减去参考面的误差A,可得子孔径B₁,B₂…B_n。利用拼接算法可以求出待测面面形B。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光学面形的检测装置，其特征在于，包括：激光器（1）、分光镜（2）、准直光学系统（3）、第一反射镜（4）、参考镜（5）、转台（6）、移相器（7）、半透半反镜（8）、第二反射镜（9）、待测镜（10）、平移台（11）、聚光镜（12）、CCD探测器（13）和计算机（14），其中：激光器（1）放在准直光学系统（3）的焦点位置，分光镜（2）放置在激光器（1）和准直光学系统（3）之间；分光镜（2）中心与准直光学系统（3）中心连线为光轴，第一反射镜（4）与光轴成45°夹角；激光器（1）、分光镜（2）、准直光学系统（3）、第一反射镜（4）中心在同一光轴上；参考镜（5）垂直于反射后光轴，参考镜（5）中心对准第一反射镜（4）中心；参考镜（5）固定在转台（6）上面，转台（6）垂直于反射后光轴，移相器（7）与转台（6）相连，用于控制参考镜（5）的运动，产生移相；待测镜（10）垂直于反射后光轴，待测镜（10）固定在平移台（11）上，平移台（11）垂直于反射后光轴；聚光镜（12）中心对准分光镜（2）中心；CCD探测器（13）放在聚光镜（12）后面；计算机（14）与CCD探测器（13）连接；半透半反镜（8）与待测镜（10）的待测面成45°夹角，第二反射镜（9）与待测镜（10）的待测面成45°夹角；半透半反镜（8）与光轴成45°夹角，照明光入射到半透半反镜（8）时，一半照明光透射，一半照明光反射；待测面反射的光，一部分经过半透半反镜（8）透射，一部分经过第二反射镜（9）反射后再经半透半反镜（8）反射；第二反射镜（9）与待测面成45°夹角，与光轴成45°夹角，用于将照明光反射，将测试光反射；以及：

激光器（1），用于发出激光作为照明光源；

分光镜（2），用于将照明光透射，以及用于将干涉光反射；

准直光学系统（3），用于将激光器（1）发出的激光准直；

第一反射镜（4），用于将照明光反射，以及用于将干涉光反射；

参考镜（5），用于提供参考面；

转台（6），用于放置参考镜（5），同时控制参考镜（5）旋转；

移相器（7），用于产生移相，移相器（7）和转台（6）相连，由计算机（14）控制转台（6）的移动；

半透半反镜（8），用于将照明光一部分透射，一部分反射，将测试光一部分透射，一部分反射；

第二反射镜（9）：用于将照明光反射，将第一路测试光反射；

待测镜（10）含有所述的待测面；

平移台（11），用于放置待测镜（10），同时控制待测镜（10）的平动；

聚光镜（12），用于将干涉后的干涉光投射到CCD探测器（13）上，参考镜（5）的参考面反射产生的参考波和待测镜（10）的待测面反射产生的平面波发生干涉产生干涉光会聚到CCD探测器（13）上形成干涉图案，CCD探测器（13）记录干涉图案，计算机（14）与CCD探测器（13）连接，计算机（14）存储并处理CCD探测器（13）记录的干涉图案；所述干涉图案包含了参考面和待测面的信息，通过对干涉图案的处理，可以分别求出参考面和待测面的面形，计算机（14）能够控制半透半反镜（8）和第二反射镜（9）自动插入或者移出到该装置的测量光路中。

2.根据权利要求1所述光学面形的检测装置，其特征在于：所述半透半反镜（8）有效通光面积x方向投影在参考面上的长度需大于或等于r/2，r为参考面半径，半透半反镜（8）的一个边界在参考面的投影位置经过第一子孔径测量位置时参考面中心。

3.根据权利要求1所述光学面形的检测装置，其特征在于：所述第二反射镜（9）有效通光面积x方向投影在参考面上的长度需大于或等于r/2，r为参考面半径，第二反射镜（9）的一个边界经过第一子孔径测量位置时参考面的边界点。

4.根据权利要求1所述光学面形的检测装置，其特征在于：所述转台（6）可以使参考镜旋转任意角度，同时可以连接移相器进行一维运动，同时也可以带有编码功能。

5.根据权利要求1所述光学面形的检测装置，其特征在于：所述平移台（11）用于控制待测镜平动，或者在二维方向移动，或者单独在一维方向移动，所述平移台（11）是直线导轨的组合，或者是其他有二维运动能力的机构。

6.一种光学面形检测方法，该方法使用权利要求1所述光学面形的检测装置，其特征在于：该方法利用子孔径拼接算法以及绝对测量法，所述子孔径拼接算法中包含绝对测量法，在子孔径拼接过程中解出参考面和待测面的面形误差，参考面的面形信息用A表示，包含旋转非对称误差A_a和旋转对称误差A_s，即A=A_a+A_s，具体检测步骤如下：

步骤S1：设参考镜（5）的正面为参考面、待测镜（10）的正面为待测面；将参考镜（5）固定在转台（6）中，将待测镜（10）固定在平移台（11）中，参考面的中心对准待测面的中心，此时中心点坐标定为（0，0）；装置的激光器（1）发射的照明光经过一个分光镜（2），照明光透射过分光镜（2）照射到准直光学系统（3），准直光学系统（3）对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜（4）上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上形成参考光，反射后的光束透射过参考镜照射到待测镜的待测面上反射形成测试光，参考光和测试光发生干涉形成干涉光，干涉光经过第一反射镜（4）反射，准直光学系统（3）透射，分光镜（2）反射，再经聚光镜（12）会聚到CCD探测器（13）上形成干涉图案，CCD探测器（13）记录后经由计算机（14）存储并处理，通过移相器（7）进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后解出光程差信息为：

M₁＝A+B₁

其中A表示参考镜（5）的参考面的面形信息，B₁表示待测镜（10）在中心位置子孔径时的面形信息，M₁表示为第一子孔径测量结果，表示参考面和待测面在中心位置第一子孔径时发生干涉时的面形的光程差；

步骤S2：用计算机（14）控制转台（6）多次旋转，测量参考面和待测面在不同旋转角度下的光程差；待测面中心位置第一子孔径B₁包含旋转非对称误差B_1a和旋转对称误差B_1s，即B₁=B_1a+B_1s，根据绝对测量原理，解出参考面和待测面第一子孔径旋转非对称误差A_a,B_1a；

其中A_a表示参考镜的参考面的面形旋转非对称误差信息，B_1a表示待测面在第一子孔径位置时的面形的旋转非对称误差信息；

步骤S3：用计算机（14）控制转台（6）将参考镜旋转至步骤S1初始位置，用计算机（14）控制平移台（11）在步骤S1的初始位置沿x轴负方向移动距离r，这时子孔径圆心位置由（0，0）变为（r,0），这时参考面中心对准待测镜第二子孔径圆心位置（r,0）；测量参考面和第二子孔径的光程差为：

M₂＝A+B₂

其中A表示参考镜的参考面的面形信息，B₂表示待测面在第二子孔径位置时的面形信息其圆心为（r,0），M₂表示为第二子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第二子孔径位置发生干涉时的面形的光程差；

步骤S4：用计算机（14）控制转台（6）多次旋转，测量参考面和待测面在不同旋转角度下的光程差，待测面第二子孔径B₂包含旋转非对称误差B_2a和旋转对称误差B_2s，即B₂=B_2a+B_2s,根据绝对测量原理，解出待测面第二子孔径旋转非对称误差B_2a；

其中A_a表示参考镜的参考面的面形旋转非对称误差信息，B_2a表示待测面在第二子孔径位置时的面形的旋转非对称误差信息；

步骤S5：用计算机（14）控制转台（6）旋转到步骤S3初始位置，控制半透半反镜（8）和第二反射镜（9）插入到系统中去；装置激光器（1）发射的照明光经过一个分光镜（2），照明光透射过分光镜（2）照射到准直光学系统（3），准直光学系统（3）对照明光束进行准直，准直后的光束照射到第一反射镜（4）上反射，反射后的光束照明到参考镜的参考面上形成参考光，反射后的光束透射过参考镜，一部分光照射到半透半反镜时分成两路光，第一路光经半透半反镜（8）反射，再经第二反射镜（9）反射照射到待测面反射形成第一路测试光；第二路光经半透半反镜（8）透射照射到待测面反射形成第二路测试光。第一路测试光经第二反射镜（9）反射，半透半反镜（8）反射，第二路测试光再经半透半反镜（8）透射后和第一路测试光合光后形成测试光，参考光和测试光发生干涉光，干涉光经过第一反射镜（4）反射，准直光学系统（3）透射，分光镜（2）反射，再经聚光镜（12）会聚到CCD探测器（13）上形成干涉图案，CCD探测器（13）记录后经由计算机（14）存储并处理，通过移相器（7）进行移相后记录不同的干涉图，干涉图经数据处理后提取出半透半反镜（8）和第二反射镜（9）对应待测面和参考面区域的光程差信息，待测面对应第二路测试光的面形为B₂₁，待测面对应第一路测试光的面形为B₂₂，参考面对应半透半反镜的面形为A₂₁，测量此时半透半反镜（8）和第二反射镜（9）对应范围的参考面和待测面的光程差；

M’=A₂₁+B₂₁+B₂₂

其中A₂₁表示参考镜的参考面对应半透半反镜的面形信息，B₂₁表示待测面对应半透半反镜的面形信息，B₂₂表示待测面对应第二反射镜的面形信息；

步骤S6：用计算机（14）控制半透半反镜（8）和第二反射镜（9）移出装置的测量光路，用计算机（14）控制转台（6）将参考镜旋转至步骤S1初始位置，用计算机（14）控制平移台（11）移动，测量剩余的子孔径B₃，B₄，…，B_n得到剩余子孔径与参考面的光程差结果M₃，M₄，…，M_n；

M₃=A+B₃

M₄=A+B₄

...

M_n=A+B_n

其中A表示参考镜的参考面的面形信息，B₃表示待测面在第三子孔径位置时的面形信息，B₄表示待测面在第四子孔径位置时的面形信息，依此类推，M_n表示待测面在第n子孔径位置时的面形信息；M₃表示为第三子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第三子孔径位置发生干涉时的面形的光程差，M₄表示为第四子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第四子孔径位置发生干涉时的面形的光程差，依此类推，M_n表示为第n子孔径测量结果，表示参考镜的参考面和待测镜的待测面在第n子孔径位置发生干涉时的面形的光程差；

步骤S7：根据记录的光程差信息，使用计算机解出参考镜的参考面的面形A，待测镜的待测面的全口径面形B。

7.根据权利要求6所述光学面形检测方法，其特征在于：所述子孔径检测过程中，待测面B由子孔径拼接而成，参考面A、待测面B的面形信息可以分为旋转对称项和旋转非对称项，所述单个子孔径的面形信息也可以分为旋转对称项和旋转非对称项：

根据数学原理，面形信息可以分解为旋转对称项和旋转非对称项；

旋转对称项，表示为面形信息与面形旋转角度无关；

旋转非对称项，表示为面形信息与面形旋转角度相关；

待测面B由n个子孔径拼接而成，B=B₁+B₂+B₃…B_n；

A=A_a+A_s；

B=B_a+B_s；

B₁=B_1a+B_1s；

B₂=B_2a+B_2s。

8.根据权利要求6所述光学面形检测方法，其特征在于：能够根据已有的测量结果，利用绝对测量方法标定出第一子孔径，第二子孔径和参考面的面形，再根据子孔径拼接原理求出待测面面形B；

M₁=A+B₁；

M₂=A+B₂；

第一子孔径和第二子孔径利用角度旋转绝对测量方法可以多次旋转参考面进行测量，求取旋转非对称项，A_a,B_1a,B_2a；

M₁=A_a+A_s+B_1a+B_1s；

M₂=A_a+A_s+B_2a+B_2s；

根据上式可以求出：

M₁’=B_1s+A_s=M₁-A_a-B_1a；

M₂’=B_2s+A_s=M₂-A_a-B_2a；

M₁’表示的是第一子孔径测量结果中旋转对称项部分，M₂’表示的是第二子孔径测量结果中旋转对称项部分；

加入半透半反镜和第二反射镜后的测量结果：

M’=A₂₁+B₂₁+B₂₂；

可以从参考面A和第二子孔径B_2a中提取A₂₁,B₂₁,B₂₂对应的旋转非对称项A_21a,B_21a,B_22a；

上式减去参考面和待测面对应的旋转非对称项A_21a,B_21a,B_22a后，可得：

M_s’=A_21s+B_21s+B_22s；

其中A_21s表示参考镜的参考面对应半透半反镜的面形的旋转对称项信息，B_21s表示待测面对应半透半反镜的旋转对称项面形信息，B_22s表示待测面对应第二反射镜的旋转对称项面形信息；

设第一子孔径和第二子孔径重叠区域为B₁₂，对于重叠区域，在子孔径一和子孔径二测量过程中，可以提取出关于重叠区域的相关方程；

由于面形只剩下旋转对称项，所以只需求出参考面上一条半径的面形数据就可以求得整个面形的旋转对称项的数据；

根据第一子孔径和第二子孔径重叠区域设置可知，重叠区域第一子孔径和第二子孔径圆心之间距离为r，即为第一子孔径和第二子孔径连线为第一子孔径和第二子孔径半径；根据探测器读出的数据进行计算，可以求出半径上的采样点共有N个；

对于每个采样点列方程：

对于第一子孔径，根据M₁’=B_1s+A_s=M₁-A_a-B_1a，在半径上的方程如下：

A_sr1+B_1s1=M₁₁’

A_sr2+B_1s2=M₁₂’

...

A_srn+B_1sn=M_1n’

其中A_sr1,A_sr2…A_srn为参考面重叠区域半径上对应点，B_1s1,B_1s2…B_1sn为待测面第一子孔径重叠区域半径上对应点，M₁₁’,M₁₂’…M_1n’表示M₁’中在半径上的对应点值；

对于第二子孔径，根据M₂’=B_2s+A_s=M₂-A_a-B_2a，在半径上的方程如下：

第二子孔径测量过程中，由于目前只剩下旋转对称项，根据第二子孔径测量时，参考面和待测面的位置关系，所以相当于参考面重叠区域半径逆时针旋转180°后与第二子孔径面的半径对应，可得半径上的对应方程：

A_srn+B_2s1=M₂₁’

A_srn-1+B_2s2=M₂₂’

...

A_sr1+B_2sn=M_2n’

其中A_srn,A_srn-1…A_sr1为参考面重叠区域半径上对应点，B_2s1,B_2s2…B_2sn为待测面第二子孔径重叠区域半径上对应点，M₂₁’,M₂₂’…M_2n’表示M₂’中在半径上的对应点值；根据重叠区域定义B_1s1=B_2s1,B_1s2=B_2s2…B_1sn=B_2sn；

加入半透半反镜和第二反射镜后的测量结果M_s’=A_21s+B_21s+B_22s，在半径上的对应方程为：

A_sr1+B_1s1+B_2sn/2=M_sn’

A_sr2+B_1s2+B_2sn/2+1=M_sn-2’

...

A_srn/2+B_1sn/2+B_2sn=M_sn/2’

根据上述方程联立，可以求出参考面上半径的对应点数据：A_sr1,A_sr2，A_sr3...A_srn，根据半径上的数据，利用旋转对称原理可以求出参考面的旋转对称项A_s；

所以可以求出参考面面形，A=A_a+A_s；

从测量结果M₁,M₂,…M_n中减去参考面的误差A，可得子孔径B₁,B₂…B_n；利用拼接算法可以求出待测面面形B。

9.根据权利要求8所述光学面形检测方法，其特征在于：所述待测面最少有两个子孔径，同时第一子孔径和第二子孔径包含相互的圆心；即平移台（9）控制待测镜平动时，第一步移动距离需等于子孔径半径r。

Images