CN105758333A - 一种长程光学表面面形检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长程光学表面面形检测仪，包括移动光学头，所述移动光学头包括尾纤、分束镜、单孔屏、傅里叶变换透镜和面阵探测器，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，并通过所述分束镜使部分反射回的光束透过所述单孔屏的屏孔反射至所述傅里叶变换透镜，该反射的光束通过所述傅里叶变换透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面阵探测器，最后在所述面阵探测器上形成测量光斑。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

一种长程光学表面面形检测仪

技术领域

本发明涉及高精度镜面面形检测领域，特别涉及一种长程光学表面面形检测仪。

背景技术

长度为1m左右、面形误差低于0.1微弧度的大尺度、高精度的高品质光学反射镜面是大型天文望远镜、极紫外光刻、同步辐射光学工程、自由电子激光等科学技术领域中的核心光学元件。这类光学镜面的品质决定了相应科学技术领域光束的品质。基于顺序扫描方法的长程面形仪(LongTraceProfile，简称LTP)是运用于此类大尺寸、高精度光学元件面形检测的主要仪器之一。现有的长程面形仪通过引入一束固定角度入射的测量光束在待测光学器件上进行逐点扫描，然后测量待测光学器件上不同点处的反射光束的角度值，实现对待测光学器件的面形检测。

由于长程面形仪采用非接触测量模式，在测量过程中不会对待测光学器件的反射表面造成损害，且其测量精度高，能实现大尺寸镜面面形的精确检测。因此，在过去的20多年，长程面形仪取得了巨大的发展，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。

随着科学技术的不断发展，各应用领域对光学元件面形检测提出了更高的要求。为了提升长程面形仪的检测能力，需要对其各种系统误差进行修正或消除。在这些系统误差中，最主要的一类是由于长程面形仪光路系统中所用到的光学元件不理想造成的，光学元件不理想主要表现为：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。在利用长程面形仪进行角度测量时，这些反射、折射光学元件将导致测量光束偏离理想的方向，从而引入测量误差，且同一光学元件在不同测量位置引入的误差不同。因此，当测量角度发生变化时，测量光束将在这些光学元件上发生横移，从而导致同一光学元件在测量角度不同时会引入不同的误差。

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可以忽略。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。

从上述分析可知，减小检测仪中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，另一种是减少横移量计算的参考点与检测系统中各光学元件间的距离。基于这样的理论，亟待提供一种系统误差减小的检测系统。

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仪，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括移动光学头，

所述移动光学头包括尾纤、分束镜、单孔屏、傅里叶变换透镜和面阵探测器，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，并通过所述分束镜使部分反射回的光束透过所述单孔屏的屏孔反射至所述傅里叶变换透镜，该反射的光束透过所述傅里叶变换透镜沿垂直于所述待测光学器件表面测量点的法线的方向反射至所述面阵探测器，最后在所述面阵探测器上形成测量光斑。

优选地，所述单孔屏紧贴在所述傅里叶变换透镜的底面。

优选地，所述尾纤的光束出射点经所述分束镜反射所成像的像点与所述单孔屏的屏孔经所述分束镜透射所成像的中心点重合。

进一步地，所述移动光学头还包括壳体，所述尾纤、分束镜、单孔屏、傅里叶变换透镜和面阵探测器均设置在所述壳体中。

进一步地，该检测仪还包括固定光学头及平面反射镜，所述平面反射镜固定在所述移动光学头上，所述固定光学头设置为向所述平面反射镜投射参考光束，并检测经所述平面反射镜反射的光束。

优选地，所述固定光学头为自准直仪或f-θ角度检测系统。

进一步地，该检测仪还包括光纤和光源，且所述光纤连接在所述尾纤的入射端与所述光源之间。

进一步地，所述光源为非相干光源。

优选地，该检测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，所述移动光学头安装在所述线性平移台上。

综上所述，在本发明的测量过程中，不同角度的测量光束均通过单孔屏的屏孔反射至面阵探测器形成测量光斑，因而单孔屏的屏孔中心点即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傅里叶变换透镜，但由于傅里叶变换透镜紧贴单孔屏设置，只有处于单孔屏的屏孔处的傅里叶变换透镜区域会被用到，因而在整个测量过程中待测光学器件上不同测量点反射的光束都将通过傅里叶变换透镜的相同区域，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，因而可以认为傅里叶变换透镜对于不同角度的测量值引入了相同的误差，所以傅里叶变换透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，本发明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。

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仪的光学结构示意图；

图4a和4b为本发明的光路传播示意图，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的长程光学表面面形检测仪。在图3所示的实施例中，该检测仪包括移动光学头1、待测光学器件2、光学平台3、线性平移台4、光源5、固定光学头6以及平面反射镜7。

如图3所示，本发明的光学平台3采用现有LTP中常见的光学平台实现，其中，线性平移台4水平设置于光学平台3上方，移动光学头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)；光源5远离光学平台3设置以减小其发热对测量的影响；固定光学头6固定于光学平台3的一侧壁上，平面反射镜7固定于移动光学头1的壳体14外壁上，其中固定光学头6与平面反射镜7相对而置，以用于向平面反射镜7投射参考光束并检测该参考光束经平面反射镜7反射后的光束，进而修正移动光学头1在测量过程中的运动误差。在本领域中，采用固定光学头6和平面反射镜7修正移动光学头1运动误差的方案属于已知的技术，在此不再赘述其工作原理。此外，本发明中的固定光学头6可以采用现有的自准直仪或f-θ角度检测系统实现，在图3中示出的固定光学头6为自准直仪。

再请参阅图3，本发明的移动光学头1包括壳体14及安装在壳体14中的尾纤8、分束镜9、单孔屏10、傅里叶变换透镜11以及面阵探测器12。其中，面阵探测器12设置在傅里叶变换透镜11上方，单孔屏10紧贴在傅里叶变换透镜11的底面，分束镜9设置在单孔屏10下方并与单孔屏10尽可能接近，以减少分束镜9上光束横移量，尾纤8水平设置在分束镜9的一侧。通过适当配置各光学元件的位置及角度，使尾纤8的光束出射点经分束镜9反射所成像的像点与单孔屏10的屏孔13(如图4a和4b所示)，经分束镜9透射所成像的中心点重合，则根据本领域的简单几何光学理论可知，尾纤8出射的光束即可看成是从单孔屏10的屏孔13中心点O出射的光束。

在对待测光学器件2进行面形检测时，首先如图4a所示，光源5发出的光束首先通过光纤15传播到移动光学头1的尾纤8中，再从尾纤8出射并透过分束镜9形成光束16入射到待测光学器件2的表面；然后如图4b所示，待测光学器件2反射回光束17至分束镜9，光束17在透过分束镜9后再穿过单孔屏10的屏孔13到达傅里叶变换透镜11。由前述分析可知，尾纤8出射的光束可以看成是从单孔屏10的屏孔中心点O出射的光束，而根据图2a和2b所示的镜面反射原理，从单孔屏10的屏孔13中心点O出射的光束16经待测光学器件2表面反射后，通过屏孔13的部分光束17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的锥形细光束17。该锥形细光束17最后通过与单孔屏10紧贴设置的傅里叶变换透镜11汇聚到面阵探测器12上而形成测量光斑，即可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；而在本发明的测量过程中，由于不同角度的测量光束均通过单孔屏10的屏孔13反射至面阵探测器12而形成测量光斑，因而单孔屏10屏孔13的中心点O即为系统中各光学器件的横移量计算参考点，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10的屏孔中心点O而使得各光学元件，如与单孔屏10紧凑设置的分束镜9，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。

3、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，这些均会导致因测量光束横移引入系统误差；而在本发明中，引起测量光束偏离理想方向的光学元件只有分束镜9和傅里叶变换透镜11，但由于单孔屏10与傅里叶变换透镜11紧贴设置，只有处于单孔屏10的屏孔13处的傅里叶变换透镜11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傅里叶变换透镜11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，因而可以认为傅里叶变换透镜11对于不同角度的测量值引入了相同的误差，所以傅里叶变换透镜11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，本发明中真正引入误差的只有分束镜9，由此减少了引入系统误差的光学元件数目。

4、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10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锥形细光束17，该锥形细光束17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指向性误差问题。

5、通常，高频信息是指待测镜面上高度起伏的高频分量，用LTP进行测量时测得的是光斑内的平均值，所以光斑越小，平均的区域越小，高频信息越多，传统LTP光斑直径在几个毫米。而在本发明中，由于测量光束为锥形细光束17，可见在待测光学器件2上的光斑尺寸必定小于单孔屏10的屏孔13尺寸，例如，屏孔13直径为1mm时，待测光学器件2上测量光束光斑直径约为0.5mm，显然0.5mm的光斑直径能获得更多的高频信息，因此有利于进行高频测量。

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 (9)

1.一种长程光学表面面形检测仪，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括移动光学头，其特征在于，

所述移动光学头包括尾纤、分束镜、单孔屏、傅里叶变换透镜和面阵探测器，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，并通过所述分束镜使部分反射回的光束透过所述单孔屏的屏孔反射至所述傅里叶变换透镜，该反射的光束透过所述傅里叶变换透镜沿垂直于所述待测光学器件表面测量点的法线的方向反射至所述面阵探测器，最后在所述面阵探测器上形成测量光斑。

2.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，所述单孔屏紧贴在所述傅里叶变换透镜的底面。

3.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，所述尾纤的光束出射点经所述分束镜反射所成像的像点与所述单孔屏的屏孔经所述分束镜透射所成像的中心点重合。

4.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，所述移动光学头还包括壳体，所述尾纤、分束镜、单孔屏、傅里叶变换透镜和面阵探测器均设置在所述壳体中。

5.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，该检测仪还包括固定光学头及平面反射镜，所述平面反射镜固定在所述移动光学头上，所述固定光学头设置为向所述平面反射镜投射参考光束，并检测经所述平面反射镜反射的光束。

6.根据权利要求5所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，所述固定光学头为自准直仪或f-θ角度检测系统。

7.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，该检测仪还包括光纤和光源，且所述光纤连接在所述尾纤的入射端与所述光源之间。

8.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，所述光源为非相干光源。

9.根据权利要求1所述的长程光学表面面形检测仪，其特征在于，该检测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，所述移动光学头安装在所述线性平移台上。