CN105737758A - 一种长程面形测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长程面形测量仪，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括扫描光学头和f?θ角度检测系统，所述扫描光学头包括面光源、分束镜、单孔屏以及平面反射镜，所述面光源水平放置，所述分束镜倾斜地设置在所述面光源下方，所述单孔屏紧贴在所述分束镜底面，所述平面反射镜倾斜地设置在所述单孔屏下方并与所述分束镜构成类五棱镜结构的双反射面。本发明减少了测量不同角度时测量光束横移引入的系统误差，从而提高了测量精度。

Description

一种长程面形测量仪

技术领域

本发明涉及高精度镜面面形检测领域，特别涉及一种长程面形测量仪。

背景技术

在大型天文望远镜、极紫外光刻、同步辐射光学工程等科学技术领域需要用到长度约1m左右、面形误差低于0.1微弧度的细长形、高精度反射镜面。生产及使用如此高精度的光学器件依赖于高精度的面形检测技术。

基于细光束逐点扫描检测原理的长程面形仪(Long Trace Profile，LTP)是运用于此类高精度光学器件检测的主要仪器之一，其基本思想是引入一束固定角度入射的细光束在待测光学器件上进行逐点扫描，由于光学器件上不同点的法线方向不同，于是反射光按不同的角度反射到长程面形仪的f-θ角度检测系统进行角度测量，从而通过测得不同点的角度相对变化值以获得沿扫描方向上光学器件的面形信息。

虽然长程面形仪的工作原理决定了其只能进行一维的离散点测量，但与其它检测手段相比，长程面形仪具有许多优点，比如：采用非接触检测模式避免了在检测过程中对待测光学器件光学面造成损伤；不需要借助大尺度的光学参考元件从而降低了建设投入成本及减少了可能由此引入的误差；适用范围大，能对大尺寸、高精度面形进行检测等等。在过去的20多年里，长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。

随着科学技术的不断发展，各应用领域对光学元件面形检测精度提出了更高的要求，为了提升长程面形仪的检测能力，传统长程面形仪系统中各种系统误差需要得到修正或消除，在这些系统误差中，最主要的一个是由于长程面形仪系统中所用到的各光学元件不理想造成的，不理想主要表现为：1、反射光学元件与理想光学元件相比存在面形误差；2、折射光学元件折射率不均匀。在进行角度测量时，这些光学元件上的缺陷会导致测量光束偏离理想方向形成角度误差，当测量角度变化时测量光束会在这些光学元件上横移，从而引入元件上不同位置的角度误差。

如果长程面形仪中光学镜面是理想的，测量光束的横移则不会引入误差；同样的如果测量光束在系统中某光学器件上没有横移，则此光学器件对不同角度测量点引入的误差都一样，由于利用长程面形仪进行面形检测时，只有检测结果的相对改变值有意义，所以引入的相同误差不影响测量结果的相对改变量。然而，理想的光学元件是不可能得到的，所以测量系统中光学元件越多，测量光束在这些光学元件上横移量越大，就可能引入较大的系统误差。

图1示出了现有pp-LTP的光学结构示意图，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。

为了减小由横移引入的系统误差，主要有两种途径，一种是减少检测系统中用到的光学元件数量，另一种是减小横移量计算的参考点与检测系统中各光学元件间的距离，因而亟待提供一种这样的测量装置。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种高精度的长程面形测量仪，以通过减少测量角度不同时测量光束引起的横移，从而减小系统误差。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种长程面形测量仪，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括扫描光学头和f-θ角度检测系统，

所述扫描光学头包括面光源、分束镜、单孔屏以及平面反射镜，所述面光源水平放置，所述分束镜倾斜地设置在所述面光源下方，所述单孔屏紧贴在所述分束镜底面，所述平面反射镜倾斜地设置在所述单孔屏下方并与所述分束镜构成类五棱镜结构的双反射面。

进一步地，所述扫描光学头还包括壳体，所述面光源、分束镜、单孔屏以及平面反射镜均设置在所述壳体中。

进一步地，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平面反射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。

优选地，所述面光源为非相干面光源。

优选地，该测量仪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，所述扫描光学头安装在所述线性平移台上。

本发明在测量时，将自待测光学器件表面反射的不同角度的测量光束均经过单孔屏的屏孔处的光束镜，因而应将单孔屏的屏孔中心点作为检测仪中各光学元件横移量的计算参考点。与现有技术中以待测光学器件测量点为横移量计算参考点的方案相比，本发明通过将参考点转移至单孔屏的屏孔中心点而使得各光学元件与参考点之间的距离大大缩短，从而减少了测量光束在各光学元件上的横移量，进而减小了由横移引入的系统误差。此外，本发明中用到的折射、反射光学器件只有分束镜和平面反射镜，但由于分束镜紧贴单孔屏设置，只有处于单孔屏的屏孔处的分束镜区域会被用到，因而待测光学器件上不同测量点反射的光束都将经过分束镜的相同区域，虽然这个区域会引入误差，但该误差对于每个测量点都相同，因而可以认为分束镜对于不同角度的测量值引入了相同的误差，由于引入的相同误差对测量结果的相对变化量没有影响，所以在本发明中分束镜并不贡献系统误差，真正引入误差的只有平面反射镜，由此减少了引入系统误差的光学元件数目。

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为面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面形测量仪的光学结构示意图；

图4a和4b为本发明的扫描光学头中的光路传播示意图，其中，图4a为入射至待测光学器件的光路图，图4b为待测光学器件反射后的光路图。

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。

众所周知，如图2a所示，若将一面光源100水平放置于孔200之后，则面光源100发出的光束通过孔200部分经过平面镜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发出并透过孔像200A的光束。由镜面反射原理可知，镜面反射后通过孔200与孔像200A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细光束，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，面光源100的像100A的位置及孔像200A的位置也会随之改变，但此时面光源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发出并通过孔像200A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细光束。

基于上述原理，本发明提供了一种高精度的长程面形测量仪。在图3所示的实施例中，该测量仪包括扫描光学头(也称移动光学头)1、待测光学器件2、光学平台3、线性平移台4以及由傅里叶变换透镜10和面阵探测器11组成的f-θ角度检测系统。其中，光学平台3采用现有LTP中常见的光学平台实现，线性平移台4水平设置于光学平台3上方，扫描光学头1固定至线性平移台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)。

再请参阅图3，在本实施例中，扫描光学头1包括壳体12及安装在壳体12中的面光源5、分束镜6、单孔屏7、平面反射镜8四部分。其中，面光源5水平放置；分束镜6与面光源成22.5度设置在面光源5下方；单孔屏7紧贴在分束镜6底面；平面反射镜8设置在单孔屏7下方并与分束镜6如此构成类五棱镜(也称等效五棱镜)结构的双反射面，该双反射面可用于对测量光束进行90°偏转。

在对待测光学器件2进行面形检测时，首先如图4a所示，面光源5发出的光束透过分束镜6后，穿过单孔屏7屏孔9的部分光束13被投射到待测光学器件2上。然后如图4b所示，待测光学器件2表面反射回光束14至单孔屏7，但光束14只有投射到单孔屏7的屏孔9部分能通过单孔屏7。根据图2a和2b所示的镜面反射原理，面光源5出射并通过单孔屏7的光束13经待测光学器件2表面反射后能通过单孔屏的光束14必然是一束沿待测光学器件2表面上测量点处法线方向传播并具有微小发散角的细光束。当细光束14通过单孔屏7后，被紧贴单孔屏7放置的分束镜6反射，并再次通过单孔屏7后到达平面反射镜8，平面反射镜8再将入射的光束以垂直于待测光学器件2上测量点处法线方向的角度反射到f-θ角度检测系统以进行角度测量。

此外，在本发明中，面光源5处于测量光路的后侧，因而可以将面光源5与分束镜6尽可能紧凑放置，以减少对面光源5的尺寸要求，扩大光路系统量程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、传统长程面形仪，如图1的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，面光源5可采用非相干面光源，这样有利于减少激光在传播过程中由于空气中的杂质或屏孔衍射引入的衍射干扰。

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3'，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；而在本系统移动光学头中，引起测量光束偏离理想方向的光学元件只有分束镜6和平面反射镜8，但由于单孔屏7与分束镜6紧贴设置，只有处于单孔屏7的屏孔9处的分束镜6区域会被用到，因而在整个测量过程中待测光学器件2上不同测量点反射的光束都将通过分束镜6的相同区域，虽然这个区域会引入误差，但该误差对于每个测量点都相同，因而可以认为分束镜6对于不同角度的测量值引入了相同的误差，所以分束镜6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，分束镜6并不贡献系统误差，由此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；而在本发明中，通过将横移量的计算参考点转移至单孔屏7的屏孔中心点O而使得各光学元件，如与单孔屏7紧凑设置的平面反射镜8，与参考点之间的距离大大缩短，从而减少了测量光束在光学元件上的横移量，进而减小了由横移引入的系统误差。

4、传统长程面形仪的光学结构在测量过程中会伴随有轻微振动，振动会造成测量光束产生偏差；而在本发明中，采用面光源5、分束镜6、单孔屏7构成的光学结构所获得的测量光束14是一束以待测光学器件2上测量点处法线方向传播的具有微小发散角的细光束，在任何振动状态下所述细光束的方向始终指示待测光学器件2上测量点处的法线方向，同时由分束镜6与平面反射镜8组成的类五棱镜双反射面具有较强的抗振性，所以本发明采用的光学结构对于振动特别是来自线性平移台4的振动具有很强的抗振性。

5、在传统的基于激光光源的长程面形仪中，由于激光光束的方向漂移会引入指向性误差；而在本发明中，经过单孔屏7的测量光束是一束以待测光学器件2上测量点处法线方向传播的具有微小发散角的细光束14，该细光束14始终指向待测光学器件2上测量点处法线方向，所以本发明中不存在因光源出射光束角度漂移引入的指向性误差问题。

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。即凡是依据本发明申请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 (5)

1.一种长程面形测量仪，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括扫描光学头和f-θ角度检测系统，其特征在于，

所述扫描光学头包括面光源、分束镜、单孔屏以及平面反射镜，所述面光源水平放置，所述分束镜倾斜地设置在所述面光源下方，所述单孔屏紧贴在所述分束镜底面，所述平面反射镜倾斜地设置在所述单孔屏下方并与所述分束镜构成类五棱镜结构的双反射面。

2.根据权利要求1所述的长程面形测量仪，其特征在于，所述扫描光学头还包括壳体，所述面光源、分束镜、单孔屏以及平面反射镜均设置在所述壳体中。

3.根据权利要求1所述的长程面形测量仪，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平面反射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。

4.根据权利要求1所述的长程面形测量仪，其特征在于，所述面光源为非相干面光源。

5.根据权利要求1所述的长程面形测量仪，其特征在于，该测量仪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，所述扫描光学头安装在所述线性平移台上。