CN103292728A - 一种高精度长程面形检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度长程面形检测系统及检测方法，包括光学头，所述光学头用于将激光光源输出的光线分为参考光束和采样光束，所述采样光束经一分束装置分为沿所述光学头采样移动方向上相互平行采样光间距分别为s₁和s₂三路平行光，s₁和s₂称为横向剪切量，且每一路采样光的光路中设有一光学开关。所述参考光束依次经一反射镜、所述光学头返回输入到信号采集处理模块；所述采样光束经所述分束装置、所述光学头返回输入到信号采集处理模块；所述信号采集处理模块根据剪切向量对应的剪切图重建的待测物体表面倾斜角度。本发明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。

Description

一种高精度长程面形检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及大尺寸镜面物体的面形检测，特别涉及一种高精度长程面形检测系统及检测方法。

背景技术

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。

目前普遍使用的测量手段是基于双细光束干涉的长程面形仪(Long Trace Profiler，以下简称LTP)，这种基于一维扫描的长程测量设备普遍存在测量精度低的问题。LTP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4所示，LTP的基本工作原理是：激光器产生的准直光束用于扫描物体，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。但是现有LTP在扫描待测物体表面的过程中，光学扫描导轨的转动误差及LTP中的光学元件表面形貌误差等误差源依然对检测结果影响较大。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(参考文献：Rommeveaux，A.，L.Assoufid，et al.(2007).Second metrology round-robin of APS，ESRFand SPring-8 laboratories of elliptical and spherical hard-x-ray mirrors，San Diego，CA，USA，SPIE.p.2278-2280(1995)；Qian，S.and K.Qian(2010).Study and considerations of nanometerand nano-radian surface profiler，SPIE，P.O.BOX 10Bellingham WA 98227-0010 USA.)，因此必须改进装置，进一步提高装置测量精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有LTP技术的不足，提供一种高精度长程面形检测系统及检测方法，本系统可实现对大面形尺寸物体的高精度面形检测，该系统结构简单、性能稳定。

该面形检测系统包括：待测物体、激光光源、分束棱镜、分束镜、平面反射镜、聚焦透镜、光学开关、信号采集处理模块(包括探测器阵列、信号采集与处理模模块)。

所述激光光源用于提供单波长激光光束或设定间距且相互平行的准直双激光光束。该双激光光束经过所述分束棱镜反射的光作为校准的参考光束，经过所述分束棱镜透射的光作为扫描所述待测物体表面的采样光束，参考光束经过垂直放置的所述平面反射镜反射后返回，经过所述分束棱镜透射和所述聚焦透镜透射后，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与处理模块，参考光束被用于校准剩余的激光指向性误差；采样光束被两个所述分束镜和一个所述平面反射镜分解成沿所述光学头采样移动方向上间距分别为s₁和s₂三路平行光，s₁和s₂称为横向剪切量，每个光束对应一个所述待测物体表面上的扫描位置和一个所述光学开关，所述三个光学开关分时开/关实现对所述待测物体表面上的三个扫描位置分别测量，采样光束经过所述分束棱镜反射和所述聚焦透镜透射后，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与处理模块。所述信号采集与处理模块实现试验数据的采集、处理和显示。

重建待测物体表面的具体方法为：

设置横向剪切量s₁和s₂等分别等于

s₁＝vΔt，s₂＝uΔt

其中，Δt、v和u是预先设定，Δt为同一采样光路相邻两个扫描位置间距(扫描位置间距大于光束宽度)，v和u是两个自然数，它们之间没有共同的除数，且N＝vu是所述待测物体表面形貌重建采样点数目，

与

是两个剪切图的剪切测量点数(每一个剪切量对应一个剪切图)；信号采集处理模块根据剪切向量对应的剪切图重建的待测物体表面倾斜角度θ_l，exact。在每一个扫描位置处，将参考光束和采样光束的干涉图样位移量Δx换算成对应的角度θ＝Δx/2f，f是透镜焦距。每个扫描位置的采样光角度

减去对应时刻的参考光角度

得到消除了激光指向性误差但包含相同机械转动误差的所述待测物体表面角度倾斜测量值

其中{n＝1，2，3，j＝0，1，…N-1}。

计算不存在机械转动误差的差别函数 $y_j^1={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^2-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1,y_j^2={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^3-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1,$

计算扩展函数

$r_j^n=\left\{\begin{array}{c}{y}_j^n,j=\mathrm{0,1},...,m_{s_n}-1\\ -\underset{l=1}{\overset{N/b_n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{j-{\mathrm{lb}}_n}^n,j=m_{s_n},...,N-1\end{array}\right.,n=\mathrm{1,2};b_1=v,b_2=u.$

并计算

的傅立叶级数展开系数为

定义权重函数

并定义

这里，i是虚数的单位。计算两组剪切重建的组合为

最后重建的待测物体表面倾斜角度θ_l，exct， ${\mathrm{\θ}}_{l,\mathrm{exct}}=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{g}}_j\exp \left(i\frac{2\mathrm{\πjl}}{N}\right),l=\mathrm{0,1},...,N-1,$ 这里，i是虚数的单位。

在上述技术方案中，所述激光光源，主要构成部件包括激光器、单模保偏光纤、用于将激光耦合到光纤的光纤耦合器、用于将光纤输出激光准直的光纤准直器以及用于提供间距短且相互平行的准直双激光光束的分束器；所述分束器可以是由一个分光棱镜和两个直角棱镜组成的零光程差分光结构，也可以是利用一个台阶型平板制成的π相位板，所述π相位板的两个半区域相差π位相。

在上述技术方案中，所述光学开关，可以是液晶开关，也可以是斩波器，三个光路所对应的光学开关时序打开/关闭，一个时刻只能有一个光路是打开的。

在上述技术方案中，所述信号采集与处理模块包括驱动电路、微处理器、显示屏；所述驱动电路完成信号放大的功能；所述微处理器包括用于模数转换和数据采集的数据采集卡，还包括用于控制信号采集和计算倾斜角度的软件程序；所述显示屏用于显示测量数据和倾斜角度计算结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)由于待测物体的角度倾斜本身比较小，又由于光学头与待测物体间距非常小，因此横向位移非常小；经过理论计算，我们发现很小的横向位移产生的测量误差非常小，因此本发明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；

2)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示意性地给出了根据本发明总体构思的实施例的高精度面形检测系统的结构图；

图2示意性地给出了对应图1的激光光源结构图；

图3为本发明中信号采集与处理模块的示意框图；

图4为现有LTP结构示意图；

其中，1、光学头(光学扫描头)，2、传输台，3、工作台，11、待测物体，12、激光光源，13、分束棱镜，14、平面反射镜，15、聚焦透镜，16、分束镜，17、分束镜，18、分束镜，19、光学开关，20、光学开关，21、光学开关，22、探测器阵列，23、信号采集与处理模模块，25、光纤耦合器，26、单模保偏光纤，27、光纤准直器，28、分束器，29、分光棱镜29，30、直角棱镜，31、直角棱镜。

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，该高精度面形检测系统包括：待测物体11、激光光源12、分束棱镜13、分束镜(16和17)、平面反射镜(14和18)、聚焦透镜15、光学开关(19，20和21)、探测器阵列22、信号采集与处理模模块23。

激光光源12用于提供间距短且相互平行的准直双激光光束。该双激光光束经过所述分束棱镜13反射的光作为校准的参考光束，参考光束经过垂直放置的平面反射镜14反射后返回，经过分束棱镜13透射和聚焦透镜15透射后，探测器阵列22将接收到的光线转换为电信号后进入所述信号采集与处理模块23，参考光束被用于校准剩余的激光指向性误差；经过分束棱镜13透射的光作为扫描所述待测物体表面11的采样光束，采样光束被分束镜16，分束镜17和平面反射镜18分解成间距分别为s₁和s₂三路平行光，s₁和s₂称为横向剪切量，每个光束对应一个待测物体11表面上的扫描位置和一个光开关(19，20和21)，三个光开关(19，20和21)分时开/关实现三个扫描位置分别测量，采样光束经过分束棱镜13反射和聚焦透镜15透射后，探测器阵列22将接收到的光线转换为电信号后进入所述信号采集与处理模块23。

图2给出了激光光源12具体结构，主要构成部件包括激光器24、用于将激光耦合到光纤的光纤耦合器25、单模保偏光纤26、用于将光纤输出激光准直的光纤准直器27以及用于提供间距短且相互平行的准直双激光光束的分束器28；分束器28是由一个分光棱镜29和两个直角棱镜(30，31)组成的零光程差分光结构。

信号采集与处理模块23完成试验数据的采集、处理及最终测量结果的显示。如图3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。为了精确测量待测物体表面面型，使用如下算法和处理：

设置横向剪切量s₁和s₂等分别等于

s₁＝vΔt，s₂＝uΔt

其中，Δt、v和u是预先设定，Δt为相邻两个扫描位置间距(扫描位置间距大于光束宽度)，v和u是两个自然数，它们之间没有共同的除数，且N＝vu是所述待测物体表面形貌重建采样点数目，

与

是两个剪切图的剪切测量点数。在每一个扫描位置处，将参考光束和采样光束的干涉图样位移量Δx换算成对应的角度θ＝Δx/2f，f是透镜焦距。每个扫描位置的采样光角度

减去对应时刻的参考光角度得到消除了激光指向性误差但包含相同机械转动误差的所述待测物体表面角度倾斜测量值

其中{n＝1，2，3，j＝0，1，…N-1}。

计算不存在机械转动误差的差别函数 $y_j^1={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^2-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1,$ $y_j^2={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^3-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1,$

计算扩展函数

$r_j^n=\left\{\begin{array}{c}{y}_j^n,j=\mathrm{0,1},...,m_{s_n}-1\\ -\underset{l=1}{\overset{N/b_n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{j-{\mathrm{lb}}_n}^n,j=m_{s_n},...,N-1\end{array}\right.,n=\mathrm{1,2};b_1=v,b_2=u.$

并计算

的傅立叶级数展开系数为

定义权重函数

并定义

这里，i是虚数的单位。计算两组剪切重建的组合为

最后重建的待测物体表面倾斜角度θ_l，exct， ${\mathrm{\θ}}_{l,\mathrm{exct}}=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{g}}_j\exp \left(i\frac{2\mathrm{\πjl}}{N}\right),l=\mathrm{0,1},...,N-1.$ 这里，i是虚数的单位。

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)

1.一种高精度长程面形检测系统，包括光学头，所述光学头用于将激光光源输出的光线分为参考光束和采样光束，其特征在于所述采样光束经一分束装置分为沿所述光学头采样移动方向上多路相互平行采样光，且每一路采样光的光路中设有一光学开关。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述分束装置将所述采样光分为三路相邻间距分别为s₁和s₂的采样光；三所述光学开关分时开/关对待测物体表面上的三个扫描位置分别测量，同一个时刻只有一个采样光的光路打开；其中，通过公式s₁＝vΔt，s₂＝uΔt计算间距s₁和s₂，Δt为同一束采样光相邻两个扫描位置间距，v和u是两个自然数且之间没有共同的除数，且N＝vu，N是待测物体表面形貌重建采样点数目。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述扫描位置间距Δt大于所述激光光源输出的光线光束宽度。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述分束装置包括分束镜(16)、分束镜(17)、反射镜(18)、光学开关(19)、光学开关(20)、光学开关(21)；分束镜(16)、光学开关(19)构成采样光路a，所述分束镜(16)用于将所述采样光束一部分反射至所述分束镜(17)，所述光学开关(19)设置于所述分束镜(16)下方控制采样光路a的光路开关；分束镜(17)、光学开关(20)构成采样光路b，所述分束镜(17)用于将输入的采样光束一部分反射至所述反射镜(18)，所述光学开关(20)设置于所述分束镜(17)下方控制采样光路b的光路开关；反射镜(18)、光学开关(21)构成采样光路c，所述光学开关(21)设置于所述反射镜(18)下方控制采样光路c的光路开关。

5.如权利要求1～4任一权利要求所述的系统，其特征在于所述光学头包括一分束棱镜和一聚焦透镜；所述分束棱镜将所述激光光源输出的光线分为所述参考光束和所述采样光束；所述参考光束依次经一反射镜、所述分束棱镜、所述聚焦透镜后输入到信号采集处理模块；所述采样光束依次经所述分束装置、所述分束棱镜、所述聚焦透镜后输入到所述信号采集处理模块。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述反射镜的反射面与所述分束棱镜的参考光束输出面平行；所述反射镜位于所述光学头内。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述信号采集处理模块包括探测器阵列、信号采集与处理模模块；其中，所述探测器阵列将接收到的光线转换为电信号，所述探测器阵列与所述信号采集与处理模块通过信号线连接。

8.如权利要求1～4任一权利要求所述的系统，其特征在于所述光学开关为液晶开关或斩波器。

9.如权利要求1～4任一权利要求所述的系统，其特征在于所述激光光源输出的光线为一束单波长光束或具有设定间隔且相互平行的双激光光束。

10.一种高精度长程面形检测方法，其步骤为：

1)光学头将激光光源输出的光线分为参考光束和采样光束；

2)所述采样光束经一分束装置分为沿所述光学头采样移动方向上三路相互平行且相邻间距分别为s₁和s₂的采样光；其中，通过公式s₁＝vΔt，s₂＝uΔt计算间距s₁和s₂，Δt为同一束采样光相邻两个扫描位置间距，v和u是两个自然数且之间没有共同的除数，且N＝vu，N是待测物体表面形貌重建采样点数目；

3)在每一路采样光的光路中设有一光学开关；三所述光学开关分时开/关对待测物体表面上的三个扫描位置分别测量，同一个时刻只有一个采样光的光路打开；

4)所述参考光束依次经一反射镜、所述光学头返回输入到信号采集处理模块；所述采样光束经所述分束装置、所述光学头返回输入到信号采集处理模块；

5)所述信号采集处理模块根据公式

重建的待测物体表面倾斜角度θ_l，exact，l＝0，1，…，N-1；

其中， ${\tilde{g}}_j=\frac{w_{s_1}\left(j\right){\tilde{f}}_j^1+w_{s_2}\left(j\right){\tilde{f}}_j^2}{w_{s_1}\left(j\right)+w_{s_2}\left(j\right)},j=\mathrm{0,1},...,N-1;$

$r_j^n=\left\{\begin{array}{c}{y}_j^n,j=\mathrm{0,1},...,m_{s_n}-1\\ -\underset{l=1}{\overset{N/b_n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{j-{\mathrm{lb}}_n}^n,j=m_{s_n},...,N-1\end{array}\right.,n=\mathrm{1,2};m_{s_1}=v(u-1),m_{s_2}=u(v-1);$

$y_j^1={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^2-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1,$ $y_j^2={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^3-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1,$

为每个扫描位置的采样光角度减去对应时刻的参考光角度 ${\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{ref}}^n,n=\mathrm{1,2,3}.$

Images