CN105627944A - 基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法 - Google Patents

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Abstract

基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法属于光学干涉测量技术领域，该方法通过在零位补偿光学系统中引入透射球面波镜头，尽量减少补偿镜和检测误差源数量。同时，将透射球面波镜头的出射面设计为参考面，使透射球面波镜头所有元件均属于共光路部分，大幅降低透射球面波镜头的设计、加工和装配难度。本发明将被检非球面镜面形分为旋转对称部分和非旋转对称部分分别设计标定方案，以提高非球面镜面形检测精度。利用旋转检测法精确标定被检非球面镜的非旋转对称面形，通过高精度标定透射球面波镜头和零位补偿单镜的波前误差和光学参量，引入理想透镜模型，同时利用几何光线追迹计算系统误差的旋转对称项，最终精确获得被检非球面镜面形误差。

Description

基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法
技术领域
本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及一种基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法。
背景技术
当今前沿的光学检测技术已可以支撑球面镜和平面镜加工实现亚纳米量级面形精度，相比之下，非球面镜面形高精度检测仍然比较困难复杂，而零位补偿镜法是实现非球面镜面形高精度检测最常用的技术。用于非球面镜面形检测的零位补偿光学系统通常由几个球面透镜组成，需要标定和校正零位补偿镜每个光学元件的系统误差以提高非球面镜面形检测精度。
现有技术中，通常利用多个球面透镜组成零位补偿光学系统，实现将干涉仪和平面标准镜头的平面波前转换为与被检非球面镜轮廓一致的非球面波前(Y.Takigawa,S.Nakayama,T.Yamamoto,andT.Gemma,“AbsoluteaccuracyevaluationofasphericalnulltestingforEUVLmirrors”,Proc.OfSPIE,Vol.58690Q,2005)。通过标定干涉仪和平面标准镜头系统误差、零位补偿镜每个光学元件面形和光学参量，以标定和校正干涉仪和零位补偿镜在非球面波前中引入的系统误差。零位补偿镜的系统误差与补偿镜光学元件数量成正比，因此，必须尽量减少补偿镜光学元件数量以提高被检非球面镜的面形检测精度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法，该方法结合透射球面波镜头和补偿单镜的零位补偿光学系统，将被检非球面镜面形分为两部分分别标定。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：设计透射球面波镜头的波前误差、加工装配公差、有效口径、数值孔径、后截距和系统总长，使干涉仪平面波前转换为球面波前；将透射球面波镜头出射面设计为干涉腔参考面；此时，透射球面波镜头所有元件均在干涉腔以外，属于共光路部分；除了出射面以外，透射球面波镜头元件表面均需镀干涉仪工作波长下的增透膜，出射面则保留4％反射率；
步骤二：设计补偿单镜的波前误差、加工装配公差、有效口径和前后间距，使透射球面波镜头出射的球面波前转换为与非球面镜轮廓一致的非球面波前；
步骤三：精确标定透射球面波镜头的参考面误差、补偿单镜面形，同时高精度测量透射球面波镜头和补偿单镜的后截距、曲率半径、中心厚度、折射率和材料均匀性；实时监测步骤一和步骤二中的干涉腔环境参量，和评估干涉腔空气折射率和干涉仪激光波长；
步骤四：完成透射球面波镜头和补偿单镜的设计和标定之后，将干涉仪、透射球面波镜头、补偿单镜和被检非球面镜进行集成和装配，实现所有光学分系统的光轴精确重合，并将上述光学分系统之间的空气间隔调整至光学设计值；
步骤五：利用步骤三的标定结果，结合光学设计软件的几何光线追迹功能计算得到旋转对称系统误差。利用步骤一和步骤二中的补偿镜光学参量和步骤三中干涉腔环境参量的测量结果更新零位补偿光学系统设计模型的相应参数，根据补偿单镜面形的旋转对称项模拟实际补偿镜；根据步骤三中获得的透射球面波镜头参考面面形的旋转对称项模拟实际透射球面波镜头；
步骤六：将零位补偿光学系统的标定结果全部引入设计模型后，利用光学设计软件的几何光线追迹功能计算被检非球面镜处的非球面波前与理想非球面波前相比的波前偏差；利用精密六维调整台和旋转法标定被检非球面镜，精确获得零位补偿光学系统的非旋转对称系统误差；将被检非球面镜的原始检测结果减去零位补偿光学系统的旋转对称系统误差和非旋转对称系统误差，即可实现系统误差校正，从而精确获得被检非球面镜的面形。
本发明的有益效果是：本发明提出一种基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法，该方法通过在零位补偿光学系统中引入包含参考面的透射球面波镜头，以尽量减少补偿镜和检测误差源数量。同时，将透射球面波镜头的出射面设计为参考面，使透射球面波镜头所有元件均属于共光路部分，可以大幅降低透射球面波镜头的设计、加工和装配难度。
此外，本发明将被检非球面镜面形分为旋转对称部分和非旋转对称部分分别设计标定方案，以提高非球面镜面形检测精度。利用旋转检测法精确标定被检非球面镜的非旋转对称面形，该标定方法精度高。通过高精度标定透射球面波镜头和零位补偿单镜的波前误差和光学参量，引入理想透镜模型，同时利用几何光线追迹计算系统误差的旋转对称项，最终精确获得被检非球面镜面形。该过程仅负责标定系统误差的旋转对称项，无需考虑方位角定位误差，对容易受应力影响的低阶波前和面形不敏感，因此标定过程更容易，测试精度更高。
附图说明
图1本发明基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的示意图。
图中：1、干涉仪，2、平面标准镜头，3、零位补偿光学系统，4、被检非球面镜，5、精密六维调整台，6、透射球面波镜头，7、补偿单镜和8、理想透镜模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
传统零位补偿光学系统通常将多个球面透镜作为整体进行设计，实现将干涉仪和平面标准镜头(TF)出射的平面波前转换为与被检非球面镜轮廓一致的非球面波前。为了尽量减少零位补偿光学系统的补偿镜元件数量，本发明将其分成两部分(透射球面波镜头和补偿单镜)分别设计。
步骤一：透射球面波镜头负责将干涉仪平面波前转换为符合要求的球面波前，其关键设计指标包括波前误差、加工装配公差、有效口径、数值孔径、后截距和系统总长等。传统的零位补偿光学系统以TF出射面作为干涉腔参考面，本发明则去除TF，将透射球面波镜头出射面设计为干涉腔参考面。此时，透射球面波镜头所有元件均在干涉腔以外，属于共光路部分，因此大幅降低波前误差要求，从而降低设计、加工和装配难度。除了出射面以外，透射球面波镜头元件的其他表面均需镀干涉仪工作波长下的增透膜，出射面则保留4％反射率。
步骤二：补偿单镜负责将透射球面波镜头出射的球面波前转换为与非球面镜轮廓一致的非球面波前，其关键设计指标包括波前误差、加工装配公差、有效口径和前后间距等。相比传统的零位补偿光学系统需要负责将平面波前转换为非球面波前，本发明的补偿单镜只需要负责将球面波前转换为非球面波前，降低了设计难度，使得利用一个补偿镜实现非球面波前转换成为可能。
步骤三：精确标定透射球面波镜头的参考面误差、补偿单镜面形，同时高精度测量透射球面波镜头和补偿单镜的各项光学参量，包括后截距、曲率半径、中心厚度、折射率和材料均匀性。此外，需要实时监测零位补偿光学系统标定和非球面检测过程中的干涉腔环境参量(气压、温度和湿度)，以实时评估干涉腔空气折射率和干涉仪激光波长。
步骤四：完成透射球面波镜头和补偿单镜的设计和标定之后，将干涉仪、透射球面波镜头、补偿单镜和被检非球面镜进行集成和装配，实现所有光学分系统的光轴精确重合，并将上述光学分系统之间的空气间隔调整至最优设计值。
步骤五：利用步骤三的全部标定结果，结合光学设计软件(如，CodeV或Zemax)的几何光线追迹功能可以计算得到旋转对称系统误差。利用补偿镜光学参量和干涉腔环境参量的测量结果更新零位补偿光学系统设计模型的相应参数，将补偿单镜面形的旋转对称项贴在其设计模型的两个表面上，模拟实际补偿镜。为了利用透射球面波镜头的参考面面形标定结果，需要将其设计模型更改为一个等效的理想透镜模型，将步骤三中获得的透射球面波镜头参考面面形的旋转对称项贴在上述理想透镜模型上，以模拟实际透射球面波镜头。
步骤六：将零位补偿光学系统的标定结果全部引入设计模型后，利用光学设计软件的几何光线追迹功能计算被检非球面镜处的非球面波前与理想非球面波前相比的波前偏差，即零位补偿光学系统的旋转对称系统误差。利用精密六维调整台和旋转法标定被检非球面镜，可以精确获得零位补偿光学系统的非旋转对称系统误差。将被检非球面镜的原始检测结果减去零位补偿光学系统的旋转对称系统误差和非旋转对称系统误差，即可实现系统误差校正，从而精确获得被检非球面镜的面形。

Claims (1)

1.基于零位补偿光学系统检测非球面镜面形的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：设计透射球面波镜头的波前误差、加工装配公差、有效口径、数值孔径、后截距和系统总长，使干涉仪平面波前转换为球面波前；将透射球面波镜头出射面设计为干涉腔参考面；此时，透射球面波镜头所有元件均在干涉腔以外，属于共光路部分；除了出射面以外，透射球面波镜头元件表面均需镀干涉仪工作波长下的增透膜，出射面则保留4％反射率；
步骤二：设计补偿单镜的波前误差、加工装配公差、有效口径和前后间距，使透射球面波镜头出射的球面波前转换为与非球面镜轮廓一致的非球面波前；
步骤三：精确标定透射球面波镜头的参考面误差、补偿单镜面形，同时高精度测量透射球面波镜头和补偿单镜的后截距、曲率半径、中心厚度、折射率和材料均匀性；实时监测步骤一和步骤二中的干涉腔环境参量，和评估干涉腔空气折射率和干涉仪激光波长；
步骤四：完成透射球面波镜头和补偿单镜的设计和标定之后，将干涉仪、透射球面波镜头、补偿单镜和被检非球面镜进行集成和装配，实现所有光学分系统的光轴精确重合，并将上述光学分系统之间的空气间隔调整至光学设计值；
步骤五：利用步骤三的标定结果，结合光学设计软件的几何光线追迹功能计算得到旋转对称系统误差。利用步骤一和步骤二中的补偿镜光学参量和步骤三中干涉腔环境参量的测量结果更新零位补偿光学系统设计模型的相应参数，根据补偿单镜面形的旋转对称项模拟实际补偿镜；根据步骤三中获得的透射球面波镜头参考面面形的旋转对称项模拟实际透射球面波镜头；
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