CN104567719A - 一种高空间分辨长程面形检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空间分辨长程面形检测装置及检测方法。本装置包括一扫描光学头，其特征在于，所述扫描光学头包括小孔阵列板、分束镜、透镜阵列、阵列探测器；其中，所述小孔阵列板将输入的平行光束分为若干平行的细光束后入射到所述分束镜；所述分束镜将每一束所述细光束透射输入到所述透镜阵列，所述透镜阵列中的透镜单元分别将对应的所述细光束聚焦到待测物体表面，经所述待测物体表面反射的光束依次经所述透镜阵列、所述分束镜入射到所述阵列探测器。该装置结构简单、性能稳定，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；一般可以达到10线/毫米，甚至更高。

Description

一种高空间分辨长程面形检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及大尺寸镜面物体的面形检测，特别涉及一种基于剪切测量的高空间分辨长程面形检测系统。

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5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。但普遍存在以下两个问题：(1)由于LTP使用准直光束扫描样品，受限于扫描光束的尺寸，采样点的空间频率比较低(最高仅为1线/毫米(line per millimeter))，显然，一些高频的表面面形误差的信息目前还无法有效测量；(2)光学头扫描过程中，存在气浮传输台转动误差、激光指向性误差，虽然LTP中外置反射镜对应的参考光路可以部分消除这些误差，但由于参考光路细长，受到空气扰动的影响非常大，降低了参考光路修正的精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有LTP技术的不足，提供一种测量空间采样率高(或称高空间分辨率)、大面形尺寸物体的基于剪切测量的高空间分辨长程面形检测装置及检测方法，该装置结构简单、性能稳定。

相比于现有的LTP及发明(专利申请号：201310182013.9)，本发明使用透镜聚焦光束扫描样品，提高了采样点的空间分辨率，这种改进要求重新配置光路及位移-原始角度(带有测量误差)转换。具体来说：现有的LTP及发明(专利申请号：201310182013.9)通过透镜-探测器的组合测量透镜焦平面上光斑的位置移动从而得到待测样品折返光束的角度变化，进而获得样品的原始角度数据；而本发明中，被待测样品折返并透过聚焦透镜的光束角度并没有变化，只是光束横向发生位移，通过探测器测量该位移，可以得到样品的原始角度数据。因此这两种配置的基本思路是不同的。

本发明的面形检测系统包括：花岗岩基本工作台；高精度气浮传输台；待测物体；激光器；光纤耦合器；光纤；扫描光学头；信号采集和处理模块。所述扫描光学头安装于所述高精度气浮传输台上，安装于所述高精度气浮传输台上，用于将所述光纤所引入的光束准直、扩束、整形、聚焦后分成三个聚焦光束用于探测所述工作台的待测物体检测区中待测物体表面。经所述待测物体的反射表面折返的光线重新被所述扫描光学头接收并实现测量，经所述信号采集和处理模块处理后，得到待测表面倾斜角度。

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。所述扫描光学头固定在所述高精度气浮传输台的运动导轨上。

所述光学头的主要构成部件包括：光纤准直器、光束扩束器、小孔阵列板、分束镜、透镜阵列、阵列探测器。所述光纤输出的激光经所述光纤准直器准直后，被所述光束扩束器扩展至一定的宽度。该宽光束接着经过所述小孔阵列板后，被整形形成中心间距分别为s₁和s₂的三个平行的细光束，s₁和s₂称为横向剪切量。再经过所述分束镜后，每个细光束被所述的透镜阵列中对应的单元透镜聚焦至待测样品表面不同的三个采样点。折返的各细光束经所述透镜阵列各单元透镜准直后，透过所述分束镜，并被阵列探测器接收，所述探测器阵列将接收到的光线转换为电信号，并传递给所述信号采集和处理模块。

所述透镜阵列的单元透镜与所述小孔阵列板的单元孔一一对应，且所述单元透镜的中心与单元小孔的中心重合。单元透镜的直径应大于单元孔的直径；透镜至待测样品的距离为f。

所述信号采集和处理模块，完成试验数据的采集、处理及最终测量结果的显示。

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(即前面所获取的细光束)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。

在每一个扫描测量位置，光学头导出三个聚焦的光束扫描待测物体的表面，折返的各个光束再次经过各个单元透镜准直，最后入射到探测器阵列表面。采用质心法计算定位各个光束位置，得到包含具有相同激光指向性误差和机械转动误差的位置信息，所述待测物体表面的三个位置的角度倾斜测量值 是第n₀个光束第j个扫描位置的图样位移量，f是透镜焦距，{n₀＝1,2,3,j＝0,1,...N-1}。

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

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，这里，i是虚数的单位。

在上述技术方案中，由于扫描待测物体表面的三个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；一般可以达到10线/毫米，甚至更高。

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示意性地给出了根据本发明总体构思的实施例的基于剪切测量的高空间分辨长程面形检测装置的结构图；其中，1、工作台；2、气浮传输台；11、待测物体；12、激光器；13、光纤耦合器；14、光纤；18、扫描光学头；19、信号采集和处理模块；

图2为对应图1的扫描光学头结构图；其中，21、光纤准直器；22、光束扩束器；23、小孔阵列板；24、分束镜；25、透镜阵列；26、阵列探测器；

图3为对应图2的小孔阵列板结构图；

图4为本发明中信号采集和处理模块的示意框图；

图5为现有LTP结构示意图。

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，该基于剪切测量的高空间分辨长程面形检测装置包括：花岗岩基本工作台1；高精度气浮传输台2；待测物体11；激光器12；光纤耦合器13；光纤14；扫描光学头18；信号采集和处理模块19。

待测物体11和高精度气浮传输台2由花岗岩基本工作台1支撑，扫描光学头18固定在高精度气浮传输台2上。

激光器12射出的激光经过光纤耦合器13后进入光纤14，光纤14将激光传输至扫描光学头13，扫描光学头18对该光束再准直、扩束、整形、聚焦后，分成三个聚焦光束15、16、17，用于探测待测物体11的表面。经待测物体11的反射表面折返的光线重新被扫描光学头18接收并实现测量，经信号采集和处理模块19处理后，得到待测物体11表面倾斜角度。

图2是对应图1的扫描光学头18的结构，具体包括：光纤准直器21、光束扩束器22、小孔阵列板23、分束镜24、透镜阵列25、阵列探测器26。

光纤14输出的激光经光纤准直器21准直后，被光束扩束器22扩展至一定的宽度。该宽光束接着经过小孔阵列板23后，被整形形成中心间距分别为s₁和s₂的三个平行的细光束，s₁和s₂称为横向剪切量。经过分束镜24后，每个细光束被透镜阵列25中对应的单元透镜聚焦至待测样品表面不同的三个采样点。折返的各细光束经透镜阵列25中的对应单元透镜准直后，透过分束镜24，并被阵列探测器26接收，探测器阵列26将接收到的光线转换为电信号，并传递给信号采集和处理模块19。

图3是对应图2的小孔阵列板23的结构图，透镜阵列25的单元透镜与小孔阵列23的单元孔一一对应，且所述单元透镜的中心与单元小孔的中心重合。单元孔的直径应小于单元透镜的直径。

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。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，数据处理后得到待测物体表面精确的倾斜角度。为了精确测量待测物体表面面型，使用如下算法和处理：

1)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19根据剪切向量对应的剪切图重建的待测物体11表面倾斜角度θ_l,exact。

2)在每一个扫描测量位置，光学头导出三个聚焦的光束(15、16、17)扫描待测物体11的表面，折返的各个光束再次经过各个单元透镜准直，最后入射到探测器阵列26表面。采用质心法计算定位各个光束位置的位置，得到包含具有相同激光指向性误差和机械转动误差，待测物体11表面的三个位置的角度倾斜测量值 是第n₀个光束第j个扫描位置的图样位移量，f是透镜焦距，{n₀＝1,2,3,j＝0,1,...N-1}。

3)计算不存在机械转动误差和激光指向性误差的差别函数 $y_j^1={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^2-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1,y_j^2={\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^3-{\mathrm{\θ}}_{j,\mathrm{pre}}^1.$

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，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)

1.一种高空间分辨长程面形检测装置，包括扫描光学头，其特征在于，所述扫描光学头包括小孔阵列板、分束镜、透镜阵列、阵列探测器；其中，所述小孔阵列板将输入的平行光束分为若干平行的细光束后入射到所述分束镜；所述分束镜将每一束所述细光束透射输入到所述透镜阵列，所述透镜阵列中的透镜单元分别将对应的所述细光束聚焦到待测物体表面，经所述待测物体表面反射的光束依次经所述透镜阵列、所述分束镜入射到所述阵列探测器。

2.如权利要器1所述的检测装置，其特征在于所述小孔阵列板将所述平行光束分为中心间距分别为s₁和s₂的三个平行的细光束；其中，通过公式s₁＝vΔt,s₂＝uΔt计算间距s₁和s₂，Δt为同一细光束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所述的检测装置，其特征在于所述扫描位置间距大于所述细光束的宽度。

4.如权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述透镜阵列的单元透镜与所述小孔阵列板的单元孔一一对应，且所述单元透镜的中心与单元小孔的中心重合。

5.如权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述单元透镜的直径大于所述单元孔的直径；所述单元透镜至待测样品的距离为所述单元透镜的焦距。

6.如权利要求1～5任一所述的检测装置，其特征在于，所述扫描光学头还包括一准直器、扩束器；输入的光束依次经所述准直器、扩束器后输入到所述小孔阵列板。

7.如权利要求6所述的检测装置，其特征在于，还包括一光纤激光器；所述光纤激光器输出端依次经一光纤耦合器、光纤将输出激光输入所述准直器。

8.如权利要求6所述的检测装置，其特征在于，还包括一数据采集处理模块，所述数据采集处理模块与所述阵列探测器连接，用于根据采集的数据计算待测物体表面倾斜角度θ_l,exact；还包括一工作台和一传输台，所述传输台位于所述工作台上，所述扫描光学头安装于所述传输台上。

9.一种高空间分辨长程面形检测方法，其步骤为：

1)将输入的平行光束分为中心间距分别为s₁和s₂的三个平行的细光束；其中，通过公式s₁＝vΔt,s₂＝uΔt计算间距s₁和s₂，Δt为同一细光束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；

2)将所述细光束分别经透镜聚焦到待测物体表面不同的三个采样点；

3)经所述待测物体表面反射的光束经所述透镜转为平行光束后入射到探测器；所述探测 器将光信号转换为电信号后发送给信号采集处理模块；

4)所述信号采集处理模块重建的待测物体表面倾斜角度θ_l,exct。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，计算该待测物体表面倾斜角度θ_l,exct的公式为 i是虚数的单位，其中：

所述待测物体表面的三个采样点的角度倾斜测量值为是第n₀个光束第j个扫描位置的图样位移量，f是透镜焦距，{n₀＝1,2,3,j＝0,1,...N-1}。