CN104034279A - 一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置及方法，从激光器发射的光经过滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片、经过衰减片后经分光镜透射，再经反射镜反射的光再经分光镜反射，再经第一光学调整架，第二聚光镜组照射到小孔。小孔产生的一部分衍射光照射到待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过会聚光学单元，再由光学探测器收集。待测镜面放置在第二光学调整架上，可以沿待测镜法线方向进行移动，进行环孔径拼接测量，同时可以控制第一光学调整架旋转和平移，对待测镜面进行扫描拼接测量。

Description

一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置及方法
技术领域
本发明属于光学面形检测技术领域，具体涉及一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置及方法。
背景技术
点衍射干涉仪是利用小孔衍射产生标准参考球面波来进行干涉测量，子孔径拼接测量方法是把待测面分成一个个子口径进行拼接测量，可以提高检测的横向分辨率。
点衍射干涉仪(Point Diffraction Interferometer，PDI)的提出解决了高精度测量中参考面加工的难题，其主要特点在于不采用传统的参考面，而从波动光学的观点出发，利用小孔衍射来产生理想参考球面波，从而消除了参考面加工水平对测量精度的限制，使面向亚纳米量级的高精度测量成为可能。
1933年，W.Linnk首次提出可以用小孔衍射产生的理想球面波作为干涉仪的参考波面，形成了点衍射干涉仪理论的雏形，但由于受到当时技术水平的限制，并没有真正应用到测量上。1975年，R.N.Smartt和W.H.Steel在其发表的文章中正式阐述了点衍射干涉仪的原理及其应用，奠定了现代点衍射干涉仪发展的基础。他们所发明的点衍射干涉仪，其主要部分是一个透过率为1％的薄膜，上面含有一个很小的针孔(pinhole)，较低的透过率是为了使两束光的光强接近。当会集的被测光经过薄膜平板时，透射的被测光除了能量下降之外，波面形状基本不发生变化；而在有像差的弥散斑区域，位于焦点附近的小孔发生衍射，产生了理想的标准球面波，成为测量中的参考光波，与透过的被测光波形成干涉条纹，通过分析干涉条纹的形状就可以得到被测波前的信息。这种干涉仪结构和原理非常简单，同时由于采用了共光路结构，环境因素的影响比较小；其缺点是光能利用率太低，同时不能进行移相测量，导致其精度很难得到提高。
1996年，美国劳伦斯—伯克利国家实验室的H.Medecki、E.Tejnil等人提出了移相点衍射干涉仪(Phase-shifting Point-diffraction interferometer,PS-PDI)的概念，即在点衍射干涉仪的基础上引入一个衍射光栅作为分光元件，并将像平面的半透明掩膜改为不透明掩膜，使得点衍射干涉仪性能获得了很大提高。这种点衍射干涉仪的基本结构，当照明球面波入射到移相光栅之后形成了不同的衍射级次，它们经过被测系统后会聚到像平面的不同位置，在像面上放置一个空间滤波器，使得携带被测系统信息的零级衍射光经方孔直接通过，而一级衍射光经过小孔衍射滤波产生理想参考球面波，其他级次都被吸收，探测器(CCD)上得到的是这两束光的干涉条纹。当上下移动光栅时，两束光之间就会有位相差变化，这样就可以进行移相干涉测量。
为了不断满足对EUV(极紫外)光刻系统的测量要求，1996年以来，劳伦斯－伯克利国家实验室的研究者采用13.4nm的同步辐射光源成功研制了EUV相移点衍射干涉仪，其对EUV系统的RMS测量精度达到亚纳米量级，为极紫外光刻技术的发展扫清了障碍。
从上世纪末开始，日本研究者也开始了对点衍射干涉仪的研究。为了对EUV光刻系统进行检测，日本超先进电子技术研究协会(Association of Super-Advanced ElectronicsTechnology,ASET)和Nikon等公司对点衍射干涉仪进行了研究，其采用的一种点衍射干涉仪采用一个具有小孔的反射板，小孔衍射球面波的一部分作为参考光波，而另一部分光经过被测面和反射面的两次反射，与参考光发生干涉。由于此结构不是共光路系统，所以对光源的相干性以及环境的稳定性要求很高，所有测量都要在隔振、充氦气的环境中完成。
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。
从点衍射干涉仪的发展及使用原理可以看出，点衍射干涉仪是用小孔产生理想衍射球面波的原理进行测量，由于探测器分辨率有限，随着检测口径的增大，测量分辨率减小。目前越来越复杂的面形要求更高的横向分辨率。在已有的点衍射干涉仪中增加拼接装置可以进扩展测量的横向分辨率，可以测量更为复杂的非球面镜和自由曲面。
在本发明中，加入了三个可以旋转和平移的光学调整架。通过调整架的旋转和平移可以分别进行环孔径拼接测量和子孔径拼接测量。使得传统的点衍射干涉仪可以测量更大口径的面形和得到更为复杂的面形信息，扩展了检测的横向分辨率。
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利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置及方法，以实现提高点衍射干涉仪的测量横向分辨率，和大口径和复杂面形测量。
为达成所述目的，本发明提供一种检测小孔衍射球面波光学面形的检测装置，包括：激光器、滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片、衰减片、分光镜、反射镜、移相器、第一光学调整架、第二聚光镜组、小孔基板、第二光学调整架、第三光学调整架、CCD探测器和计算机；
激光器，用于发出激光作为照明光源；
滤波孔，利用衍射效应用于将激光器发出的光散射；
第一聚光镜，用于收集滤波孔发出的散射光；
空间滤波器，用于将聚光镜收集的光过滤掉杂散光；
扩束镜，用于将空间滤波器过滤的点光源的光变为平行光；
λ/2波片，用于旋转经过扩束镜形成的平行光的偏振方向；
λ/4波片，用于和λ/2波片结合来调节产生圆偏振光；
衰减片，用于调整光强；
分光镜，用于光束传播方向控制，该分光镜将经过衰减片的光透射，将经过反射镜反射的光反射；
反射镜，用于将光束反射，该反射镜用来产生移相的效应；
移相器，和反射镜相连，由计算机控制移相器的移动，产生移相；
第一光学调整架，与第二聚光镜组，小孔基板相连，可以控制第二聚光镜组，小孔进行移动和旋转，用于拼接测量；
第二聚光镜组，将分光镜反射的光会聚到小孔基板中的小孔上。
小孔基板，基板中打有小孔，用于产生衍射球面波，同时小孔基板除小孔外镀有反射膜，用于反射测试光；
第二光学调整架，上面放置待测镜，可以调节待测镜移动和倾斜。
第三光学调整架，上面放置第三聚光镜组，用于将干涉光投射到CCD探测器上，形成并记录干涉图案。计算机与CCD探测器连接，计算机存储并处理CCD探测器记录干涉图案。可以用计算机控制第二光学调整架的移动，进行环孔径拼接，同时可以用计算机控制第一光学调整架的移动，对第二光学调整架上的待测镜进行扫描式拼接测量；
其中：滤波孔放置在激光器的出光口，第一聚光镜放置在滤波孔和空间滤波器中间，滤波孔放置的位置为第一聚光镜物面位置，空间滤波器放置在第一聚光镜像面位置；空间滤波器同时放置在扩束镜的前焦点，λ/2波片、λ/4波片、衰减片依次放置在扩束镜后面，其中滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片、衰减片的中心都在同一光轴上，λ/2波片、λ/4波片平行于扩束镜；衰减片垂直于光轴，分光镜的中心在光轴上，与光轴成45°角，分光镜后面放置反射镜，反射镜与移相器相连；第一光学调整架平行于光轴，第一光学调整架中心对准分光镜中心；第一光学调整架用于固定第二聚光镜组和小孔基板，同时可以旋转和移动。第二光学调整架放置在小孔基板中小孔产生的衍射波面一侧，上面放置待测镜；第三光学调整架上面放置第三聚光镜组，用于收集干涉光并透射到CCD探测器上；CCD探测器放在第三光学调整架后面；计算机与CCD探测器连接。
进一步的，所述分光镜主要使一个方向入射的光束反射，一个方向入射的光束透射，可以用棱镜镀膜制作，也可以用平面镜镀膜来实现。
进一步的，所述第一光学调整架与第二聚光镜组和小孔基板固定，同时可以旋转和移动。
进一步的，小孔基板中的小孔可以不镀膜，可以镀增透膜，也可以镀衰减膜，同时小孔基板除小孔外可以镀反射膜。
进一步的，所述反射镜可以采用平面镜，可以采用平面镜组，可以采用棱镜，也可以是以上光学元件的组合。
进一步的，所述第二光学调整架上面放置待测镜，可以旋转和移动。
进一步的，所述第三光学调整架与第三聚光镜组和CCD探测器固定，同时也可以旋转和移动。
为达成所述目的，本发明提供一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测方法，该检测方法使用上述的检测装置，该检测方法采用环孔径拼接测量法，利用第二光学调整架移动，具体检测步骤如下：
步骤S1：将待测镜放置在第二光学调整架上；激光器发射的光经过滤波孔，光束发散后经过第一聚光镜，第一聚光镜会聚光到一个空间滤波器，滤掉杂光，再经过一个扩束镜进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片透射后经分光镜透射，经过分光镜透射的光再经过反射镜反射，反射镜由移相器连接用于产生相位变化，反射镜反射的光再经分光镜反射，分光镜反射的光经第一光学调整架，第二聚光镜组照射到小孔基板中小孔。小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过第三光学调整架上的第三聚光镜组，再由CCD探测器收集。待测镜面放置在第二光学调整架上，利用移相法解出此时的干涉条纹，并记录此时的环孔径数据B1。
步骤S2：待测镜面放置在第二光学调整架上，可以沿待测镜法线方向进行移动，进行环孔径拼接测量，同时利用移相法解出干涉条纹，同时依次记录不同环孔径数据，B2,B3…Bn。
步骤S3：根据解出的面形信息B1,B2…Bn，使用拼接算法解出整体面形B。
另外，针对大口径面形，面形不易移动，该检测方法采用扫描孔径拼接测量法，移动小孔对面形进行拼接测量，具体检测步骤如下：
步骤S1：将待测镜放置在第二光学调整架上；激光器发射的光经过滤波孔，光束发散后经过第一聚光镜，第一聚光镜会聚光到一个空间滤波器，滤掉杂光，再经过一个扩束镜进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片透射后经分光镜透射，经过分光镜透射的光再经过反射镜反射，反射镜由移相器连接用于产生相位变化，反射镜反射的光再经分光镜反射，分光镜反射的光经第一光学调整架，第二聚光镜组照射到小孔基板中小孔。小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过第三光学调整架上的第三聚光镜组，再由CCD探测器收集。待测镜面放置在第二光学调整架上，利用移相法解出此时的干涉条纹，并记录此时的子孔径数据C1。
步骤S2：待测镜面放置在第二光学调整架上不动，移动和转动第一光学调整架，由于第二聚光镜组和小孔基板固定在第一光学调整架上，相当于小孔进行了移动和旋转，因此利用小孔产生的衍射球面波对待测镜面进行扫描拼接测量。同时需要调整第三光学调整架，使第三聚光镜组和CCD探测器能够接收到干涉条纹信息。可同时利用移相法解出干涉条纹，同时依次记录不同子孔径数据，C2,C3…Cn。
步骤S3：根据解出的面形信息C1,C2…Cn，使用拼接算法解出整体面形C。
本发明的有益效果：加入了三个可以旋转和平移的光学调整架。通过调整架的旋转和平移可以分别进行环孔径拼接测量和子孔径拼接测量。使得传统的点衍射干涉仪可以测量更大口径的面形和得到更为复杂的面形信息，扩展了检测的横向分辨率。
附图说明
图1为本发明一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置的结构示意图；
图2为小孔衍射波与待测镜面干涉示意图；
图3为环孔径拼接过程中一个环示意图；
图4为环孔径拼接过程中多个环测量结果示意图；
图5为本发明环孔径拼接光学面形的检测方法过程流程图；
图6为本发明扫描拼接光学面形测量过程示意图；
图7为针对大口径面形本发明环孔径拼接光学面形的检测方法过程流程图。
图中，1为激光器、2为滤波孔、3为第一聚光镜、4为空间滤波器、5为扩束镜、6为λ/2波片、7为λ/4波片、8为衰减片、9为分光镜、10为反射镜、11为移相器、12为第一光学调整架、13为第二聚光镜组、14为小孔基板、15为第二光学调整架、16为第三光学调整架、17为CCD探测器和18为计算机。
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表示本发明一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置的结构示意图，由激光器1、滤波孔2、第一聚光镜3、空间滤波器4、扩束镜5、λ/2波片6、λ/4波片7、衰减片8、分光镜9、反射镜10、移相器11、第一光学调整架12、第二聚光镜组13、小孔基板14、第二光学调整架15、第三光学调整架16、CCD探测器17和计算机18。其中：滤波孔2放置在激光器1的出光口，第一聚光镜3放置在滤波孔2和空间滤波器4中间，滤波孔2放置的位置为第一聚光镜3物面位置，空间滤波器4放置在第一聚光镜3像面位置；空间滤波器4同时放置在扩束镜5的前焦点，λ/2波片6、λ/4波片7、衰减片8依次放置在扩束镜5后面，其中滤波孔2、第一聚光镜3、空间滤波器4、扩束镜5、λ/2波片6、λ/4波片7、衰减片8的中心都在同一光轴上，λ/2波片6、λ/4波片7平行于扩束镜5；衰减片8垂直于光轴，分光镜9的中心在光轴上，与光轴成45°角，分光镜9后面放置反射镜10，反射镜10与移相器11相连；第一光学调整架12平行于光轴，第一光学调整架12中心对准分光镜9中心；第一光学调整架12用于固定第二聚光镜组13和小孔基板14，同时可以旋转和移动。第二光学调整架15放置在小孔基板14中小孔产生的衍射波面一侧，上面放置待测镜；第三光学调整架16上面放置第三聚光镜组，用于收集干涉光并透射到CCD探测器17上；CCD探测器17放在第三光学调整架16后面；计算机18与CCD探测器17连接。
激光器1，用于发出激光作为照明光源；滤波孔2，利用衍射效应用于将激光器1发出的光散射；第一聚光镜3，用于收集滤波孔2发出的散射光；空间滤波器4，用于将聚光镜3收集的光过滤掉杂散光；扩束镜5，用于将空间滤波器4过滤的点光源的光变为平行光；λ/2波片6，用于旋转经过扩束镜5形成的平行光的偏振方向；λ/4波片7，用于和λ/2波片6结合来调节产生圆偏振光；衰减片8，用于调整光强；分光镜9，用于光束传播方向控制，该分光镜9将经过衰减片8的光透射，将经过反射镜10反射的光反射；反射镜10，用于将光束反射，该反射镜10用来产生移相的效应；移相器11，和反射镜10相连，由计算机18控制移相器11的移动，产生移相；第一光学调整架12，与第二聚光镜组13，小孔基板14相连，可以控制第二聚光镜组13，小孔基板14进行移动和旋转，用于拼接测量；第二聚光镜组13，将分光镜9反射的光会聚到小孔基板14中的小孔上。小孔基板14，基板中打有小孔，用于产生衍射球面波，同时小孔基板除小孔外镀有反射膜，用于反射测试光；第二光学调整架15，上面放置待测镜，可以调节待测镜移动和倾斜。第三光学调整架16，上面放置第三聚光镜组，用于将干涉光投射到CCD探测器17上，形成并记录干涉图案。计算机18与CCD探测器17连接，计算机18存储并处理CCD探测器17记录干涉图案。可以用计算机控制第二光学调整架15的移动，进行环孔径拼接，同时可以用计算机控制第一光学调整架12的移动，对第二光学调整架15上的待测镜进行扫描式拼接测量；
所述分光镜9主要使一个方向入射的光束反射，一个方向入射的光束透射，可以用棱镜镀膜制作，也可以用平面镜镀膜来实现。
所述第一光学调整架12与第二聚光镜组13和小孔基板14固定，同时可以旋转和移动。
小孔基板14中的小孔可以不镀膜，可以镀增透膜，也可以镀衰减膜，同时小孔基板除小孔外可以镀反射膜。
所述反射镜10可以采用平面镜，可以采用平面镜组，可以采用棱镜，也可以是以上光学元件的组合。
所述第二光学调整架15上面放置待测镜，可以旋转和移动。
所述第三光学调整架16与第三聚光镜组和CCD探测器17固定，同时也可以旋转和移动。
检测面形时可以采用环孔径拼接测量法，在测量时采用图1所示的测量装置，激光器1发射的光经过滤波孔2，光束发散后经过第一聚光镜3，第一聚光镜3会聚光到一个空间滤波器4，滤掉杂光，再经过一个扩束镜5进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片6，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片7将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片8透射后经分光镜9透射，经过分光镜9透射的光再经过反射镜10反射，反射镜10由移相器11连接用于产生相位变化，反射镜10反射的光再经分光镜9反射，分光镜9反射的光经第一光学调整架12，第二聚光镜组13照射到小孔基板14中小孔。小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架15上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉过程原理如图2所示。图2表示通常的点衍射干涉仪，通过小孔产生衍射球面波，一部分波面照射到待测镜面上反射产生含有待测镜误差的波前，这部分波面信息经过小孔基板反射后，与原先衍射球面波的另一部分进行干涉后会产生所需要的干涉条纹。干涉条纹经过第三光学调整架16上的第三聚光镜组，再由CCD探测器17收集，如图3所示。待测镜面放置在第二光学调整架15上，可以沿待测镜法线方向进行移动，进行环孔径拼接测量，如图4所示。通过利用第二光学调整架15移动，图5示出本发明环孔径拼接光学面形的检测方法过程流程图，具体步骤如下：
步骤S1：将待测镜放置在第二光学调整架15上；激光器1发射的光经过滤波孔2，光束发散后经过第一聚光镜3，第一聚光镜3会聚光到一个空间滤波器4，滤掉杂光，再经过一个扩束镜5进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片6，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片7将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片8透射后经分光镜9透射，经过分光镜9透射的光再经过反射镜10反射，反射镜10由移相器11连接用于产生相位变化，反射镜10反射的光再经分光镜9反射，分光镜9反射的光经第一光学调整架12，第二聚光镜组13照射到小孔基板14中小孔。小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架15上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过第三光学调整架16上的第三聚光镜组，再由CCD探测器17收集。待测镜面放置在第二光学调整架15上，利用移相法解出此时的干涉条纹，并记录此时的环孔径数据B1，如图3所示。
步骤S2：待测镜面放置在第二光学调整架15上，可以沿待测镜法线方向进行移动，进行环孔径拼接测量，同时利用移相法解出干涉条纹，依次记录不同环孔径数据，B2,B3…Bn，如图4所示。
步骤S3：根据解出的面形信息B1,B2…Bn，使用拼接算法解出整体面形B。
针对大口径面形，面形不易移动，该检测方法采用扫描孔径拼接测量法，在测量时采用图1所示的测量装置。激光器1发射的光经过滤波孔2，光束发散后经过第一聚光镜3，第一聚光镜3会聚光到一个空间滤波器4，滤掉杂光，再经过一个扩束镜5进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片6，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片7将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片8透射后经分光镜9透射，经过分光镜9透射的光再经过反射镜10反射，反射镜10由移相器11连接用于产生相位变化，反射镜10反射的光再经分光镜9反射，分光镜9反射的光经第一光学调整架12，第二聚光镜组13照射到小孔基板14中小孔。小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架15上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过第三光学调整架16上的第三聚光镜组，再由CCD探测器17收集。待测镜面放置在第二光学调整架15上不动，移动和转动第一光学调整架12，由于第二聚光镜组13和小孔基板14固定在第一光学调整架12上，相当于小孔进行了移动和旋转，因此利用小孔产生的衍射球面波对待测镜面进行扫描拼接测量。同时需要调整第三光学调整架16，使第三聚光镜组和CCD探测器17能够接收到干涉条纹信息。移动小孔对面形进行拼接测量，如图6所示。图7示出本发明环孔径拼接光学面形的检测方法过程流程图，具体检测步骤如下：
步骤S1：将待测镜放置在第二光学调整架15上；激光器1发射的光经过滤波孔2，光束发散后经过第一聚光镜3，第一聚光镜3会聚光到一个空间滤波器4，滤掉杂光，再经过一个扩束镜5进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片6，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片7将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片8透射后经分光镜9透射，经过分光镜9透射的光再经过反射镜10反射，反射镜10由移相器11连接用于产生相位变化，反射镜10反射的光再经分光镜9反射，分光镜9反射的光经第一光学调整架12，第二聚光镜组13照射到小孔基板14中小孔。小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架15上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过第三光学调整架16上的第三聚光镜组，再由CCD探测器17收集。待测镜面放置在第二光学调整架15上，利用移相法解出此时的干涉条纹，并记录此时的子孔径数据C1。
步骤S2：待测镜面放置在第二光学调整架15上不动，移动和转动第一光学调整架12，由于第二聚光镜组13和小孔基板14固定在第一光学调整架12上，相当于小孔进行了移动和旋转，因此利用小孔产生的衍射球面波对待测镜面进行扫描拼接测量。同时需要调整第三光学调整架16，使第三聚光镜组和CCD探测器17能够接收到干涉条纹信息。可同时利用移相法解出干涉条纹，同时依次记录不同子孔径数据，C2,C3…Cn。
步骤S3：根据解出的面形信息C1,C2…Cn，使用拼接算法解出整体面形C。
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)

1.一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测装置，其特征在于，该装置包括：激光器(1)、滤波孔(2)、第一聚光镜(3)、空间滤波器(4)、扩束镜(5)、λ/2波片(6)、λ/4波片(7)、衰减片(8)、分光镜(9)、反射镜(10)、移相器(11)、第一光学调整架(12)、第二聚光镜组(13)、小孔基板(14)、第二光学调整架(15)、第三光学调整架(16)、CCD探测器(17)和计算机(18)；
激光器(1)，用于发出激光作为照明光源；
滤波孔(2)，利用衍射效应用于将激光器(1)发出的光散射；
第一聚光镜(3)，用于收集滤波孔(2)发出的散射光；
空间滤波器(4)，用于将聚光镜(3)收集的光过滤掉杂散光；
扩束镜(5)，用于将空间滤波器(4)过滤的点光源的光变为平行光；
λ/2波片(6)，用于旋转经过扩束镜(5)形成的平行光的偏振方向；
λ/4波片(7)，用于和λ/2波片(6)结合来调节产生圆偏振光；
衰减片(8)，用于调整光强；
分光镜(9)，用于光束传播方向控制，该分光镜(9)将经过衰减片(8)的光透射，将经过反射镜(10)反射的光反射；
反射镜(10)，用于将光束反射，该反射镜(10)用来产生移相的效应；
移相器(11)，和反射镜(10)相连，由计算机(18)控制移相器(11)的移动，产生移相；
第一光学调整架(12)，与第二聚光镜组(13)，小孔基板(14)相连，可以控制第二聚光镜组(13)，小孔基板(14)进行移动和旋转，用于拼接测量；
第二聚光镜组(13)，将分光镜(9)反射的光会聚到小孔基板(14)中的小孔上；
小孔基板(14)，基板中打有小孔，用于产生衍射球面波，同时小孔基板除小孔外镀有反射膜，用于反射测试光；
第二光学调整架(15)，上面放置待测镜，可以调节待测镜移动和倾斜；
第三光学调整架(16)，上面放置第三聚光镜组，用于将干涉光投射到CCD探测器(17)上，形成并记录干涉图案；计算机(18)与CCD探测器(17)连接，计算机(18)存储并处理CCD探测器(17)记录干涉图案；可以用计算机控制第二光学调整架(15)的移动，进行环孔径拼接，同时可以用计算机控制第一光学调整架(12)的移动，对第二光学调整架(15)上的待测镜进行扫描式拼接测量；
其中：滤波孔(2)放置在激光器(1)的出光口，第一聚光镜(3)放置在滤波孔(2)和空间滤波器(4)中间，滤波孔(2)放置的位置为第一聚光镜(3)物面位置，空间滤波器(4)放置在第一聚光镜(3)像面位置；空间滤波器(4)同时放置在扩束镜(5)的前焦点，λ/2波片(6)、λ/4波片(7)、衰减片(8)依次放置在扩束镜(5)后面，其中滤波孔(2)、第一聚光镜(3)、空间滤波器(4)、扩束镜(5)、λ/2波片(6)、λ/4波片(7)、衰减片(8)的中心都在同一光轴上，λ/2波片(6)、λ/4波片(7)平行于扩束镜(5)；衰减片(8)垂直于光轴，分光镜(9)的中心在光轴上，与光轴成45°角，分光镜(9)后面放置反射镜(10)，反射镜(10)与移相器(11)相连；第一光学调整架(12)平行于光轴，第一光学调整架(12)中心对准分光镜(9)中心；第一光学调整架(12)用于固定第二聚光镜组(13)和小孔基板(14)，同时可以旋转和移动；第二光学调整架(15)放置在小孔基板(14)中小孔产生的衍射波面一侧，上面放置待测镜；第三光学调整架(16)上面放置第三聚光镜组，用于收集干涉光并透射到CCD探测器(17)上；CCD探测器(17)放在第三光学调整架(16)后面；计算机(18)与CCD探测器(17)连接。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述分光镜(9)主要使一个方向入射的光束反射，一个方向入射的光束透射，可以用棱镜镀膜制作，也可以用平面镜镀膜来实现。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述第一光学调整架(12)与第二聚光镜组(13)和小孔基板(14)固定，同时可以旋转和移动。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：小孔基板(14)中的小孔可以不镀膜，可以镀增透膜，也可以镀衰减膜，同时小孔基板除小孔外可以镀反射膜。
5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述反射镜(10)可以采用平面镜，可以采用平面镜组，可以采用棱镜，也可以是以上光学元件的组合。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述第二光学调整架(15)上面放置待测镜，可以旋转和移动。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述第三光学调整架(16)与第三聚光镜组和CCD探测器(17)固定，同时也可以旋转和移动。
8.一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测方法，该检测方法使用权利要求1至7任一项所述的检测装置，其特征在于：该检测方法采用环孔径拼接测量法，利用第二光学调整架(15)移动，具体检测步骤如下：
步骤S1：将待测镜放置在第二光学调整架(15)上；激光器(1)发射的光经过滤波孔(2)，光束发散后经过第一聚光镜(3)，第一聚光镜(3)会聚光到一个空间滤波器(4)，滤掉杂光，再经过一个扩束镜(5)进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片(6)，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片(7)将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片(8)透射后经分光镜(9)透射，经过分光镜(9)透射的光再经过反射镜(10)反射，反射镜(10)由移相器(11)连接用于产生相位变化，反射镜(10)反射的光再经分光镜(9)反射，分光镜(9)反射的光经第一光学调整架(12)，第二聚光镜组(13)照射到小孔基板(14)中小孔；小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架(15)上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过第三光学调整架(16)上的第三聚光镜组，再由CCD探测器(17)收集；待测镜面放置在第二光学调整架(15)上，利用移相法解出此时的干涉条纹，并记录此时的环孔径数据B1；
步骤S2：待测镜面放置在第二光学调整架(15)上，可以沿待测镜法线方向进行移动，进行环孔径拼接测量，同时利用移相法解出干涉条纹，同时依次记录不同环孔径数据，B2,B3…Bn；
步骤S3：根据解出的面形信息B1,B2…Bn，使用拼接算法解出整体面形B。
9.一种利用小孔衍射波面拼接测量面形的检测方法，该检测方法使用权利要求1至7任一项所述的检测装置，其特征在于：针对大口径面形，面形不易移动，该检测方法采用扫描孔径拼接测量法，移动小孔对面形进行拼接测量，具体检测步骤如下：
步骤S1：将待测镜放置在第二光学调整架(15)上；激光器(1)发射的光经过滤波孔(2)，光束发散后经过第一聚光镜(3)，第一聚光镜(3)会聚光到一个空间滤波器(4)，滤掉杂光，再经过一个扩束镜(5)进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片(6)，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片(7)将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片(8)透射后经分光镜(9)透射，经过分光镜(9)透射的光再经过反射镜(10)反射，反射镜(10)由移相器(11)连接用于产生相位变化，反射镜(10)反射的光再经分光镜(9)反射，分光镜(9)反射的光经第一光学调整架(12)，第二聚光镜组(13)照射到小孔基板(14)中小孔；小孔产生的一部分衍射光照射到第二光学调整架(15)上的待测镜面，待测镜面的反射光经小孔边框反射后与小孔的另一部分衍射波面产生干涉条纹，干涉条纹经过第三光学调整架(16)上的第三聚光镜组，再由CCD探测器(17)收集；待测镜面放置在第二光学调整架(15)上，利用移相法解出此时的干涉条纹，并记录此时的子孔径数据C1；
步骤S2：待测镜面放置在第二光学调整架(15)上不动，移动和转动第一光学调整架(12)，由于第二聚光镜组(13)和小孔基板(14)固定在第一光学调整架(12)上，相当于小孔进行了移动和旋转，因此利用小孔产生的衍射球面波对待测镜面进行扫描拼接测量；同时需要调整第三光学调整架(16)，使第三聚光镜组和CCD探测器(17)能够接收到干涉条纹信息；可同时利用移相法解出干涉条纹，同时依次记录不同子孔径数据，C2,C3…Cn；
步骤S3：根据解出的面形信息C1,C2…Cn，使用拼接算法解出整体面形C。
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