CN105674913B - 一种长程光学表面面形检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种长程光学表面面形检测系统，包括移动光学头和f‑θ角度检测系统，所述移动光学头包括尾纤以及形成等效五棱镜的分束镜和凹面镜，其中，所述移动光学头设置为通过所述尾纤将输入的光束出射，以使所述光束透过所述分束镜后入射到待测光学器件的表面上，再经所述待测光学器件的表面反射回所述分束镜，并通过所述分束镜将部分反射回的所述光束反射到所述凹面镜，并通过所述凹面镜沿垂直于所述待测光学器件表面对应测量点的法线的方向反射至所述f‑θ角度检测系统，以在所述f‑θ角度检测系统中形成测量光斑。本发明减少了引入误差的反射、透射光学器件的数目，并减少了测量不同角度时测量光束横移引入的系统误差，提高了测量精度。

Description

一种长程光学表面面形检测系统
技术领域
本发明涉及高精度镜面面形检测领域，特别涉及一种长程光学表面面形检测系统。
背景技术
由于X射线具有很强的穿透性，因而在很多应用领域均有采用，例如：同步辐射光源、自由电子激光、大型天文望远镜等均会采用长度达1米左右的大尺寸反射镜面对X射线进行反射或聚焦，为了保证X射线的光学品质(如方向性、相干性)，或为了将X射线聚焦到纳米量级的光斑，通常要求这些大尺寸反射镜面具有纳米级的高精度和纳弧度级的倾斜度精度。
对于如此高精度的大尺寸镜面而言，其加工和检测都是世界性难题，而检测又是加工高精度镜面的前提。基于细光束扫描测量的长行程面形仪(Long Trace Profile，LTP)是目前检测此类大尺寸高精度镜面面形的主要仪器之一，其通过引入一束准直细光束对待测光学器件表面经行逐点扫描，然后通过依次测量待测光学器件表面上各测量点反射光束的角度变化值来对光学器件面形进行检测。
虽然长行程面形仪只能对待测面形进行一维检测，只能检测低频面形信息，而且检测过程耗时长，但由于其具有采用非接触检测模式、不需要大尺度的光学参考元件、投入成本相对较低、能对大尺寸高精度面形进行检测等优点，在过去的20多年长行程面形仪得到了长足发展，出现了LTP-I、LTP-II、LTP-V、PP-LTP(五棱镜长行程面形仪)、在线LTP、多功能LTP、NOM(纳米光学检测仪)等基于细光束扫描检测原理的长行程面形仪。其中NOM是目前世界上精度最高的面形检测仪器之一。
随着科学技术的发展，新的应用领域对高精度反射镜面的检测提出了更高的要求，如在第三代同步辐射线站建设及自由电子激光等领域，为了保证X射线的高通量、高相空间亮度、高相干性，要求所用到的反射镜面的面形误差低于0.1urad。
在对此类高精度、大尺度、大曲率的面形进行更高要求检测时，现有长行程面形仪检测系统中各光学元件引入的误差逐渐显现出来，成为检测精度提高的主要制约因素之一。
已知的是，检测系统中光学元件误差主要表现在两个方面：1、透射光学元件折射率不均匀，当检测光束入射到这类光学元件上时，不同位置的入射光束会产生不同角度的偏折；2、反射光学元件反射面不理想，测量光束在这类反射面的不同位置会产生与理想反射角度不同的角度偏离。
在运用长行程面形仪对待测镜面进行检测时，只有角度的相对变化量是有意义的，如果在测量不同角度时各光学元件引入的误差相同或差别很小，对角度的相对变化值而言这类系统误差是可以忽略的。但在实际测量时，测量光束将随着测量角度的变化在系统中各光学器件上产生横移。如图1所示的pp-LTP，其包括激光光源1'、固定光学头、移动光学头以及f-θ角度检测系统，固定光学头包括位相板2'、分束镜3'和平面反射镜4'，移动光学头包括五棱镜5'，f-θ角度检测系统包括FT(傅里叶变换)透镜7'和面阵探测器8'。当光束从五棱镜5'垂直入射到待测镜面6'后，若待测镜面6'上测量点处不水平，反射光线将与入射光线成一定角度反射，设此角度为θ角，则五棱镜5'上的距离s即表示θ等于0°与θ不等于0°时反射光束在五棱镜5'的反射面上产生的横移量。从图1可以看出，测量光束是从待测镜面6'上测量点处开始偏移，所以待测镜面6'上的测量点是pp-LTP中各光学元件横移量计算的参考点，因而对于同样的偏转角度，系统中的光学器件距离待测镜面6'上测量点的几何光程越远，测量光束在该光学器件上的横移量越大，正是这种横移使得系统中各光学器件引入了不同点的误差。测量系统中所用到的透射、反射光学器件越多，测量光束产生的横移量越大，则引入的系统误差越大。
在现实中，完美的光学器件是没有的，如果能通过特殊的设计减少系统中所用到的光学器件，且对于剩下的光学器件减少测量光束在该光学器件上的横移，则可极大的减少或消除此类系统误差。因此亟待提供一种这样的检测系统。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种高精度的长程光学表面面形检测系统，以减少检测系统中引入误差的反射、透射光学器件的数目，并减少测量不同角度时测量光束横移引入的系统误差。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种长程光学表面面形检测系统，包括移动光学头和f-θ角度检测系统，其中，
所述移动光学头包括一尾纤以及形成等效五棱镜的一分束镜和一凹面镜，其中，所述移动光学头设置为通过尾纤将输入的光束出射，以使所述光束透过所述分束镜后入射到待测光学器件的表面上，再经所述待测光学器件的表面反射回所述分束镜，并通过所述分束镜为将部分反射回的所述光束反射到所述凹面镜，并通过所述凹面镜沿垂直于所述待测光学器件表面对应测量点的法线的方向反射至所述f-θ角度检测系统，以在所述f-θ角度检测系统中形成测量光斑。
优选地，所述尾纤的光束出射点经所述分束镜透射成像的像点与所述凹面镜经所述分束镜反射成像的中心点重合。
优选地，所述凹面镜与所述尾纤的光束出射点的几何光程等于所述凹面镜的焦距，
进一步地，所述f-θ角度检测系统包括傅里叶变换透镜和面阵探测器，所述傅里叶变换透镜设置为将自所述凹面镜反射的光束汇聚后传输至所述面阵探测器，并在所述面阵探测器上形成所述测量光斑。
进一步地，所述面形检测系统还包括耦合光纤和光源，且所述耦合光纤连接在所述尾纤的入射端与所述光源之间。
优选地，所述光源为非相干光源。
进一步地，所述面形检测系统还包括光学平台和线性平移台，所述线性平移台位于所述光学平台上，所述移动光学头安装在所述线性平移台。
优选地，所述f-θ角度检测系统设置在所述光学平台的侧壁上。
优选地，所述移动光学头还包括一壳体，所述尾纤、分束镜和凹面镜设置在所述壳体中。
优选地，所述凹面镜的口径约为所述测量光斑的两倍。
综上所述，本发明的移动光学头中的折射、反射光学器件只有分束镜及凹面镜，由于在不同角度测量时凹面镜的整个光学面均会用到，因此可以认为凹面镜对于不同角度的测量值引入了相同的误差，所以凹面镜引入的系统误差对测量结果的相对变化量没有影响，也就是说，系统中真正引入误差的只有分束镜，由此减少了引入系统误差的光学元件数目。此外，在本发明的测量过程中，不同角度的测量光束均通过凹面镜的中心点反射至f-θ角度检测系统形成测量光斑，因而与现有技术相比，横移量的计算参考点由待测光学器件的测量点转移到了凹面镜的中心点，由于分束镜与凹面镜均位于移动光学头中并形成了等效五棱镜，因而两者结构紧凑间距较小，从而减少了光束在分束镜上的横移量，进而减少由横移引入的系统误差。
附图说明
图1为现有技术中pp-LTP的光学结构示意图；
图2a和2b为点光源镜面反射光学原理图，其中，图2a为平面镜处于水平位置；图2b为平面镜处于倾斜位置；
图3为本发明的一种长程光学表面面形检测系统的光学结构示意图；
图4为本发明中的光路传播示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
在本领域中已知的是，如图2a所示，若将一点光源100放置于孔200的中心处，则点光源100发出的光束经过平面镜300反射后可以看成是由平面镜300镜面对光源100所成的像100A发出的光束。由镜面反射原理可知，镜面反射后通过孔200中心位置的光束必然沿平面镜300法线方向传播，所以镜面反射后通过孔200的光束是一束沿镜面法线方向传播并具有微小发散角的锥形光束，其发散角的大小由孔200的直径及孔200到平面镜300镜面间的距离决定。若平面镜300发生角度改变，如图2b所示，点光源100的像100A的位置也会随之改变，但此时点光源100发出的光束经过平面镜300反射后依然可以看成是由平面镜300镜面对光源100所成的像100A发出的光束，因此镜面反射回孔200的光束依然是一束沿镜面法线方向传播并具有微小发散角的锥形光束。
基于上述原理，本发明提供了一种高精度长程光学表面面形检测系统。在图3-4所示的实施例中，该检测系统包括移动光学头1、待测光学器件2、光学平台3、线性平移台4、光源5、耦合光纤13及f-θ角度检测系统。其中，f-θ角度检测系统包括傅里叶变换透镜7和面阵探测器8，不同方向入射的平行光束经傅里叶变换透镜7后会汇聚到面阵探测器8的不同位置，与傅里叶变换透镜7的光轴成θ角入射的光束在面阵探测器8上测量光斑偏离光轴位移为d，它们之间满足tan(θ)＝d/f，其中f为傅里叶变换透镜7的焦距，则通过测量f-θ系统中d的改变量从而可以得到θ的测量值。
如图3所示，光学平台3采用现有LTP中常用的凹形光学平台，待测光学器件2水平设置于光学平台3上，线性平移台4水平设置于光学平台3的侧壁上，移动光学头1固定于线性平移台4上并随线性平移台4水平移动以对待测光学器件2进行水平扫描测量(扫描方向如图3中箭头所示)，f-θ角度检测系统水平设置在光学平台3侧壁上。
本发明的移动光学头1包括壳体12以及安装在壳体12中的尾纤9、分束镜10和凹面镜11。
如图4所示，尾纤9作为点光源使用，通过适当配置移动光学头1中各光学元件的位置及角度，使得尾纤9的光束出射点经分束镜10透射成像(尾纤9的成像标示为图4中的9A)的像点与凹面镜11经分束镜10反射成像(图4中凹面镜11的像标示为11A)的中心点o重合。在本发明中，凹面镜11的口径较小(一般约为测量光斑的两倍，即，若需要直径1mm的测量光斑，则凹面镜11的口径约为2mm，具体口径可以根据实际需要选择)，所以可以认为凹面镜11反射所成的像11A相当于图2中的孔200，此时由尾纤9出射的光束14可以看成是由凹面镜11反射所成的像11A的中心点出射的光束，因而该光束经待测光学器件2反射后再回到凹面镜像11A的光束是一束沿测量点法线方向传播并具有微小发散角的锥形光束。
另外，在本发明中，凹面镜11与分束镜10被配置为构成(等效五棱镜)类五棱镜的双反射面结构，使得该双反射面结构可用于对入射光束进行90°偏转；凹面镜11与尾纤9的光束出射点的几何光程被设置为等于凹面镜11的焦距，使得凹面镜11可用于对锥形光束进行准直。通过对经待测光学器件2反射后的锥形光束进行偏转和准直操作，使得其可以沿垂直相应测量点法线的方向入射到图3所示的f-θ角度检测系统。
在使用本发明对待测光学器件2进行面形检测时，结合图3和图4所示，光源5发出的光束首先经耦合光纤13传播到移动光学头1的尾纤9中，再从尾纤9出射并透过分束镜10的透射束光14到达待测光学器件2表面；然后待测光学器件2将透射光束14反射回分束镜10，这些光束的一部分(凹面镜口径小，光束14反射回的光束不可能全部回到凹面镜)被分束镜10反射到凹面镜11，由于凹面镜11口径小，凹面镜11经分束镜10反射所成的像11A可以视为相当于图2中的孔，因而基于前述镜面反射原理可知，反射到凹面镜11的部分光束在被分束镜10反射前必然是一束沿待测光学器件2上相应测量点处法线方向传播并具有微小发散角的锥形光束15；该锥形光束被凹面镜11准直后沿垂直相应测量点法线的方向入射到图3所示的f-θ角度检测系统，最后经过傅里叶变换透镜7汇聚后入射至面阵探测器8上形成测量光斑，以用于测得待测光学器件2的表面倾斜角度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、传统长程面形仪如pp-LTP需要光源1'具有较好的方向性，常用激光来做光源；而本系统对光源方向性没有要求，光源5可采用非相干光源，从而可以减少激光衍射对角度测量的影响。
2、传统长程面形仪光路中有多个光学器件，如图1中包括五棱镜5'和分束镜7'，它们具有多个光学面，而且它们本身又是折射率不均匀的透射体，这些均会因测量光束横移引入系统误差；而在本系统中，移动光学头1上引起测量光束偏离理想方向的光学元件只有分束镜10和凹面镜11，且凹面镜11的整个光学面在测量所有角度时均会用到，可以认为凹面镜11对所有测量角度贡献同样的系统误差，换句话说，凹面镜11对测量角度的差值不贡献系统误差，这减少了引入系统误差的光学元件数目。
3、传统长程面形仪横移计算起点是待测光学器件上的测量点，所以传统长程面形仪很难通过减少横移量的计算参考点与系统光学元件间的几何光程达到减少横移量的目的；而本系统横移量计算起点在凹面镜11的中心处，所以可以通过分束镜10与凹面镜11紧凑放置即可减少分束镜11上的横移量。
4、基于激光光源的长程面形仪，由于激光光束的方向漂移会引入指向性误差；本系统由于不需要引入特定方向的参考光源，所以在本系统中不存在光源指向性误差问题。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种长程光学表面面形检测系统，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，包括移动光学头和f-θ角度检测系统，其特征在于:
所述移动光学头包括一尾纤以及形成等效五棱镜的一分束镜和一凹面镜，其中移动光学头设置为通过所述尾纤将输入的光束出射，使光束透过所述分束镜后入射到待测光学器件的表面上，再经待测光学器件的表面反射回所述分束镜，并通过所述分束镜将部分反射回的光束反射至所述凹面镜，并通过所述凹面镜沿垂直于待测光学器件表面对应测量点的法线的方向反射至所述f-θ角度检测系统，从而在所述f-θ角度检测系统中形成测量光斑。
2.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，所述尾纤的光束出射点经所述分束镜透射成像的像点，与所述凹面镜经所述分束镜反射成像的中心点重合。
3.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，所述凹面镜与所述尾纤的光束出射点的几何光程等于所述凹面镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，所述f-θ角度检测系统包括一傅里叶变换透镜和一面阵探测器，所述傅里叶变换透镜设置为将自所述凹面镜反射的光束汇聚后传输至所述面阵探测器，以在所述面阵探测器上形成所述测量光斑。
5.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，还包括一耦合光纤和一光源，且所述耦合光纤连接在所述尾纤的入射端与所述光源之间。
6.根据权利要求5所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，所述光源为非相干光源。
7.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，还包括一光学平台和一线性平移台，所述线性平移台位于所述光学平台上，所述移动光学头安装在所述线性平移台上。
8.根据权利要求7所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，所述f-θ角度检测系统设置在所述光学平台的侧壁上。
9.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，所述移动光学头还包括一壳体，所述尾纤、分束镜和凹面镜设置在所述壳体中。
10.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测系统，其特征在于，所述凹面镜的口径为所述测量光斑的两倍。
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