CN103278106A - 一种高精度高空间分辨长程面形检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度高空间分辨长程面形检测系统，本系统包括工作台、传输台、激光光源、扫描光学头、分束棱镜、信号采集处理单元；所述扫描光学头安装于所述传输台上；所述分束棱镜用于将所述激光光源输出的光线偏折入射到所述扫描光学头、且入射方向与所述传输台扫描方向一致；所述扫描光学头用于将该入射光束偏折且聚焦到所述工作台的待测物体检测区中待测物体表面；所述待测物体检测区中待测物体表面反射的光线依次经所述扫描光学头、所述分束棱镜进入所述信号采集处理单元。本系统能够对待测表面进行高空间频率采样测量、测量精度；能够测量大尺寸的物体，特别适合同步辐射束线上光学元件的检测。

Description

一种高精度高空间分辨长程面形检测系统

技术领域

本发明涉及大尺寸镜面物体的面形检测，特别涉及一种高空间分辨高精度长程面形检测系统。

背景技术

光学元件表面的面形误差对光学系统性能有非常重要的影响，按照面形误差空间频率的分布，可划分为高空间频率、中等空间频率和低空间频率误差。已有的研究结果表明不同的频率误差对成像系统的影响效果不同，例如高频误差的折射效应和低频误差的散射效应不会明显改变像平面上点扩散函数的形状，只会引起聚焦能量的发散、所成像对比度和信噪比的降低，相比而言，中频误差破坏了拓宽了系统点扩散函数，进而降低了成像质量(参考文献：James E.Harvey and Anita Kotha″Scattering Effects from Residual Optical Fabrication Errors.″SPIE 2576.；Youngworth，R.N.and B.D.Stone(2000).″Simple Estimates for the Effects ofMid-spatial-Frequency Surface Errors on Image Quality.″Appl.Opt.39(13)：2198-2209.)。在不同的应用上，所关心的误差空间频率段不同。

在同步辐射领域，第三代的高能同步辐射光源的同步光品质非常高(几微米尺寸和几个微弧度的发散)，要将这样的同步光高效率的调制传输到同步辐射应用实验的样品处，并仍保持其高品质(高通量、高相空间亮度、高相干性)，则要求束线站所使用的大量反射光学元件面形误差非常低。此外，纳米聚焦也是同步辐射领域重要的研究内容，同步辐射束线上采用较多的聚焦元件是反射式的Kirkpatrick-Baez镜(以下简称K-B镜)，为了实现纳米尺度的聚焦，美国布鲁克海文国家同步辐射新建光源(NSLS II)认为反射镜的面形误差低于0.1微弧度。

在传统光学应用中，面形检测方法是使用原子力显微镜测量高频误差，干涉计量方法测量中频和低频误差，这两种方法的测量范围都局限在200mm-500mm的范围，这两种方法无法满足同步辐射中大尺寸K-B镜(一般为500mm-1000mm)的测量要求。基于双细光束干涉的长程面形仪(Long Trace Profiler，以下简称LTP)可以完成这种长程测量的功能，其包括光学头(光学头包括准直透镜、分束棱镜、聚焦透镜和CCD)，参考光束反射镜，工作台和传输台，光学头在传输台上移动扫描待测，如图6所示，基本工作原理是：激光器产生的准直光束经光学头分束后一束作为参考光束，一束作为扫描光束用于扫描物体，物体的倾斜导致光束在探测器上的位置发生变化，倾斜角度与位移一一对应；同时为了消除机械导轨的运动误差和激光指向性误差，利用外置的参考反射镜构成参考光路测量，并在最终数据中补偿该误差。但普遍存在以下几个问题：(1)由于LTP中光学元件的瑕疵在极大程度上限制了LTP的性能，目前世界上最好的LTP精度(也只能达到0.2微弧度)仍无法达到纳米聚焦的要求，无法全面反映待测光学元件的聚焦性能(参考文献：Rommeveaux，A.，L.Assoufid，et al.(2007).Second metrology round-robin of APS，ESRF and SPring-8 laboratories of elliptical and sphericalhard-x-ray mirrors，San Diego，CA，USA，SPIE.p.2278-2280(1995)；Qian，S.and K.Qian(2010).Study and considerations of nanometer and nano-radian surface profiler，SPIE，P.O.BOX 10Bellingham WA 98227-0010 USA.)；(2)而且可测的最高面形误差空间频率为1线/毫米(lineper millimeter)，可反映表面面形误差的信息非常少；(3)光学头扫描过程中，气浮传输台转动误差非常大，量级在几个微弧度，虽然可以使用参考镜补偿该误差，但这增加了系统结构和计算的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是克服现有LTP技术的不足，提供一种测量空间采样率高(或称高空间分辨率)、大面形尺寸物体的高空间分辨高精度长程面形检测系统，该系统结构简单、性能稳定。

该面形检测系统包括：花岗岩基本工作台、高精度气浮传输台、激光光源组件、分束棱镜、扫描光学头、光学元件支座、信号采集处理单元。

所述高精度气浮传输台由所述花岗岩基本工作台支撑、待测物体位于花岗岩基本工作台的待测物体检测区。所述光学元件支座固定在所述高精度气浮传输台的运动导轨上，所述扫描光学头固定在所述光学元件支座上。所述激光光源组件射出的稳定指向且准直的光线经过所述分束棱镜水平偏折后，传输方向与所述气浮传输台扫描方向一致，并入射到所述扫描光学头，所述扫描光学头将该水平光束偏折成竖直且聚焦的光束，聚焦位置在所述待测物体表面，经所述待测物体表面反射的光线逆方向原路返回，分别经过所述扫描光学头和所述分束棱镜，透射的光线进入所述信号采集处理单元。

信号采集处理单元包括一探测器阵列，所述探测器阵列将接收到的光线转换为电信号后进入所述信号采集和处理模块，所述信号采集和处理模块实现试验数据的采集、处理，获得与待测表面倾斜角度有关的反射光束横向位移量。

在上述技术方案中，所述扫描光学头的运动可以是连续飞行运动模式，也可是停止-测量-扫描运动模式。

在上述技术方案中，所述扫描光学头使用了五棱镜，可以有效降低扫描过程中所述高精度气浮传输台转动误差的影响。

在上述技术方案中，由于入射到所述扫描光学头等光学元件的光束是宽光束(光源14输出光束的宽度大于3mm)，远大于传统LTP所使用的细光束(宽度1mm，LTP如果采用宽光束，则单点扫描的区域覆盖范围较大，对应的空间分辨率较低，小于1line/mm，LTP不会选用宽光束。)，由于入射到扫描光学头等光学元件的光束是宽光束，远大于传统LTP所使用的细光束，对于具有相同相关长度和表面粗糙度(高度变化的均方根值)的粗糙表面，当入射到光学元件上的光束是宽光束时，那么产生的光束方向误差更小，即宽光束下测量光路中各光学元件表面形貌误差对最终测量结果的影响更小，这样有效降低了测量光路中各光学元件表面形貌误差对最终测量结果的影响。

在上述技术方案中，由于扫描待测物体表面的激光光束是聚焦光斑(而非LTP所使用的是平行光束扫描)，尺寸在微米量级，所以可以实现高空间分辨的采样测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)能够对待测表面进行高空间频率采样测量；可以拓展更高频率(＞1线/毫米)的面形误差的测量；

2)能够有效降低扫描过程中，测试光路中光学元件形貌误差和气浮导轨运动误差对测量结果的影响，提高测量精度；

3)能够测量大尺寸的物体，特别适合同步辐射束线上光学元件的检测。

附图说明

图1为根据本发明总体构思的实施例的高空间分辨高精度长程面形检测系统的结构图；

图2为对应图1的激光光源组件结构图；

图3为对应图1的扫描光学头结构图；

图4为扫描光学头转动误差在不同扫描距离上对测量精度的影响曲线图；

图5为本发明中信号采集和处理模块的示意框图；

图6为现有LTP结构示意图。

其中，11、待测物体，12、花岗岩基本工作台，13、高精度气浮传输台，14、激光光源组件，15、分束棱镜，16、扫描光学头，17、探测器阵列，18、光学元件支座，19、信号采集和处理模块，21、激光器，22、光纤耦合器，23、单模保偏光，24、光纤准直器，31、平面反射镜，32、平面反射镜，33、等效五棱镜，34、聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。

实施例1：

参照图1，该高空间分辨高精度长程面形检测系统包括：待测物体11、花岗岩基本工作台12、高精度气浮传输台13、激光光源组件14、分束棱镜15、扫描光学头16、探测器阵列17、光学元件支座18、信号采集和处理模块19。

待测物体11位于花岗岩基本工作台12的检测区，高精度气浮传输台13由花岗岩基本工作台12支撑，光学元件支座18固定在高精度气浮传输台13的运动导轨上，所述扫描光学头16固定在所述光学元件支座18上。

激光光源组件14射出的稳定指向且准直的光线经过分束棱镜15水平偏折后，运动方向与高精度气浮传输台13扫描方向一致，并入射到扫描光学头16，扫描光学头16将该水平光束偏折成竖直且聚焦的光束，聚焦位置在待测物体表面11，经待测物体11表面反射的光线逆方向原路返回，分别经过扫描光学头16和分束棱镜15，透射的光线进入探测器阵列17，探测器阵列17将接收到的光线转换为电信号后进入所述信号采集和处理模块19，所述信号采集和处理模块实现试验数据的采集、处理，获得与待测表面倾斜角度有关的反射光束横向位移量。

图2给出了激光光源组件14具体结构，为了提供稳定指向且准直激光光束，激光光源组件构成部件包括激光器21、单模保偏光23、用于将激光耦合到光纤的光纤耦合器22以及用于将光纤输出激光准直的光纤准直器24。

图3是对应图1的扫描光学头16的结构，具体包括：由平面反射镜31和平面反射镜32组成的等效五棱镜33，两个反射镜之间的夹角为45°；聚焦透镜34使用非球面的低像差透镜组。五棱镜33可以有效消除与高精度气浮传输台13的导轨转动误差对准直光束的影响。

在本实施例中，设定透镜焦距＝1m，扫描光学头16转动误差θ＝10μrad，通过计算，图4为本发明实施例的扫描光学头转动误差在不同扫描距离上对测量精度的影响曲线图；扫描光学头16转动误差10μrad会产生0.033μrad的测量误差，进一步地计算表明测量误差是与扫描光学头16转动误差成正比。

信号采集和处理模块19实现试验数据的采集、处理及最终测量结果的显示，信号采集和处理模块19对采集的光束强度分布数据使用质心法计算定位光束位置的变化，得到待测物体倾斜角度。如图4所示，示意性给出了测量装置嵌入式信号处理模块框图，电信号经过驱动电路的信号放大等处理后，被数据采集卡采集及模数转换。为了精确定位光束的位置，可以使用质心法，即计算

$x=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{i,j}{x}_{i,j}/\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j},$ $y=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{i,j}{y}_{i,j}/\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j},$

其中I_i，j是第(i，j)像素点的光信号强度，x_i，j和y_i，j是第(i，j)像素点的空间坐标，M和N是用于数据处理的图像横向和纵向像素数目。最终可以获得表面的倾斜角度为：

$\mathrm{\θ}=\frac{x}{2f}$

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。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 (10)

1.一种高精度高空间分辨长程面形检测系统，其特征在于包括工作台、传输台、激光光源、扫描光学头、分束棱镜、信号采集处理单元；所述扫描光学头安装于所述传输台上；所述分束棱镜用于将所述激光光源输出的光线偏折入射到所述扫描光学头、且入射方向与所述传输台扫描方向一致；所述扫描光学头用于将该入射光束偏折且聚焦到所述工作台的待测物体检测区中待测物体表面；所述待测物体检测区中待测物体表面反射的光线依次经所述扫描光学头、所述分束棱镜进入所述信号采集处理单元。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光学扫描头通过一光学元件支架安装于所述传输台上；其中，所述光学元件支架固定安装于所述传输台的运动导轨上，所述光学扫描头安装于所述光学元件支架上。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述激光光源输出的激光为宽光束激光。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述宽光束激光的光束宽度大于3mm。

5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述分束棱镜将所述激光光源输出的光线偏折水平入射到所述扫描光学头；所述扫描光学头将该入射光束偏折为竖直且聚焦的光线入射到所述工作台的待测物体检测区中待测物体表面。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述扫描光学头为包括一聚焦透镜和一五棱镜或等效五棱镜；其中，所述聚焦透镜位于所述扫描光学头朝向待测物体检测区的一侧。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述等效五棱镜包括平面反射镜(31)和平面反射镜(32)，且两平面反射镜之间的夹角为45°。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述聚焦透镜为非球面的低像差透镜组。

9.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述传输台为气浮传输台；所述扫描光学头的运动为连续飞行运动模式或停止-测量-扫描运动模式。

10.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述信号采集处理单元利用采集的光束强度分布数据，采用质心法计算定位光束位置的变化，得到待测物体表面的倾斜角度。

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