CN108507488A - 基于轴向扫描的锥镜面形检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于轴向扫描的锥镜面形检测系统及检测方法，检测系统包含：波面测量干涉仪，球面参考镜、汇聚镜、工件台和安装插口，待测锥镜安装在工件台上，其轴线与干涉仪光轴平行，汇聚镜的焦点位于锥镜轴线上，波面测量干涉仪测量锥镜表面法线环带区域的面形，通过工件台在锥镜轴线方向扫描定位，测量对应锥镜不同口径位置的环带面形，完成锥镜全口径面形的测量。具体测量过程：在安装插口安装球面参考镜，将凹锥镜置于工件台上，通过扫描完成凹锥镜面形W1的测量；在安装插口上将球面参考镜更换为汇聚镜，加入凸锥镜，完成凹锥镜和凸锥镜的组合面形W2的测量，凸锥镜的面形为W2‑W1。本发明具有测量精度高、测量成本低的特点。

Description

基于轴向扫描的锥镜面形检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及锥镜面形检测，特别是一种可同时进行凹锥镜和凸锥镜面形的检测系统及检测方法。

背景技术

锥镜作为一种特殊的非球面光学元件，也称作轴对称棱镜，它没有确切的焦点，可以为光学成像系统提供一个长焦深，还可以将准直光束转换为环形光束，在光学成像系统、激光加工，激光束整形、光刻机环形照明产生等方面有着重要的作用。目前，商用Zygo干涉仪、4D干涉仪等均无法直接用于锥镜面形的检测，锥镜面形的检测方法仍然以接触式为主，例如采用三坐标或轮廓仪，这类方法的特点是仅能测量锥镜面形上某一部分轮廓的点，不是真正意义上的面形检测。锥镜的确定性光学加工一直受限于其面形检测技术，影响了其应用范围和成本。

在先技术1(Jun Ma,Christof Pruss,Rihong Zhu,Zhishan Gao,Caojin Yuan,and Wolfgang Osten,"An absolute test for axicon surfaces,"Opt.Lett.36,2005-2007(2011))采用计算全息图作为补偿镜，检测锥镜的面形；该方法需要对每种被测锥镜配套制作补偿镜元件，且测量大口径锥镜时，需要更大口径的补偿镜元件和干涉仪，导致计算全息片的制作难度大、测量成本高。

在先技术2(袁乔，曾爱军，张善华，黄惠杰，轴锥镜面形和锥角的检测方法，中国发明专利201310180723.X)公开了一种锥镜面形测量方法。该方法实际是对锥镜透射波前的测量，测试光路在测试过程中经过了锥镜不同测试区域，虽然测量结果能够评估被测锥镜的面形质量，但测量结果不能用来作为反馈加工的依据；并且该方法不能用来测量凹镜面形。

在先技术3(许嘉俊，贾辛，徐富超，邢廷文，一种凸锥镜的在线检测加工装置及方法，中国发明专利(201510351236.4)采用激光位移传感器通过点扫描的方式检测锥镜面形，对位移传感器及旋转系统的精度提出了很高的要求，增加了系统成本；并且该方法也不能用来测量凹锥镜面形。

在先技术4(Kuchel Michael.Interferometric measurement of rotationallysymmetric aspheric surfaces.SPIE.2009:738916)推出的面向同轴非球面测量的环形子孔径扫描拼接测量系统，具有测量精度高、测量成本低等优点。理论上可用于凹锥镜面形的拼接检测，但该方法无法完成凸锥镜面形的测量。

目前还没有通用的、高精度、低成本的锥镜面形检测装置和方法，尤其是可同时进行凸锥镜和凹锥镜面形的检测装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种锥镜面形检测系统及其测量方法，通用的、高精度、低成本的凹锥镜和凸锥镜面形检测系统及其测量方法。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于轴向扫描的锥镜面形检测系统，其特点在于包含：波面测量干涉仪、安装插口、球面参考镜、汇聚镜、工件台，待测凹锥镜和待测凸锥镜安装在工件台上，所述的工件台运动方向与激光干涉仪的光轴方向平行；所述的安装插口用于球面参考镜和汇聚镜的固定；

所述的锥镜面形检测系统的工作原理是：先将球面参考镜安装至安装插口上，由波面测量干涉仪进行待测凹锥镜面形W1的测量；然后将球面参考镜从安装插口取下，将汇聚镜安装至安装插口上，此时由波面测量干涉仪输出平面光波，经汇聚镜形成汇聚光波入射至待测凸锥镜上，沿待测凸锥镜表面法线环带区域入射的光波，一部分原路返回至波面测量干涉仪，另一部分光波透射至凹锥镜上，沿凹锥镜表面法线环带区域入射的光波，光波原路返回至波面测量干涉仪，与待测凸锥镜的返回光之间形成干涉，由波面测量干涉仪采集干涉图并提取待测凹锥镜和待测凸锥镜的组合面形W2；

所述的待测凸锥镜是锥角大于180-2*arcsin(1/n)的凸锥镜，n为锥镜材料的折射率；所述的待测凹锥镜的锥角与待测凸锥镜的锥角相同；

所述的待测凸锥镜的口径应不大于待测凹锥镜的口径；

利用上述锥镜面形检测系统进行锥镜面形的检测方法，该方法包含以下步骤：

1)将球面参考镜安装至安装插口上，根据球面参考镜的焦点确定工件台的扫描起点位置P，使球面参考镜的焦点接近待测凹锥镜的顶点区域；根据待测凹锥镜的口径确定工件台的扫描终点位置Q，使经过球面参考镜后形成汇聚光波与待测凹锥镜表面相切的的环带位置位于待测凹锥镜最大口径位置；将P和Q之间的距离进行N等分，N为正整数即分为N+1个测量位置；

2)工件台定位至起始点P，并令i＝0；

3)调整测量装置，观察到干涉图，并使得干涉图中干涉环基本对称；

4)使用波面测量干涉仪进行第i次测量，得到第i个干涉环相位结果W_i(x,y)，将W_i(x,y)面形改用极坐标表示，并将极坐标角度θ范围0～2π分成M等分，记为θ_j，j＝1,2…M。对应每个θ_j，求取W_i(ρ,θ)中零相位点位置对应的极坐标ρ_j，于是得到第i个面形测量结果中零相位点的极坐标(θ_j,ρ_j)；

5)根据第i次干涉环中零相位点的像素的极坐标(θ_j,ρ_j)，采用柱面坐标系，计算第i次测量得到的待测凹锥镜面形被测部分的实际坐标Z_i(θ_j,ρ_j)，j＝1,2…M；

6)当i>N+1时，进入步骤7)，当i<N+1时，将工件台沿轴向向下移动至下一测量位置，i＝i+1，返回步骤4)；

7)完成所有N+1个扫描位置对应的干涉环零相位点的锥镜面形的坐标提取，得到N组代表锥镜不同位置处的面形坐标数据Z_i(θ_j,ρ_j)，得到待测凹锥镜的面形Z_i(θ_j,ρ_j)，其中i＝0,1,2…N，j＝1,2…M，记为W1；

8)取下安装插口上的球面参考镜，更换为汇聚镜，并将待测凸锥镜与待测凹锥镜进行匹配放置，再一次确定工件台扫描起点位置P1和扫描终点位置Q1，并将P1和Q1之间的距离进行N等分，N为正整数即分为N+1个测量位置；

9)将工件台定位至起始点P1，使汇聚镜的焦点接近待测凸锥镜的顶点区域，并令i＝0；

10)调整测量装置，通过波面测量干涉仪观察到干涉图，并使干涉图中干涉环基本对称，且中心干涉环带中包含的条纹数最少；

11)使用波面测量干涉仪进行第i次测量，得到第i个干涉环相位结果，W_i(x,y)，将W_i(x,y)面形改用极坐标表示，并将极坐标角度θ范围0～2π分成M等分，记为θ_j，j＝1,2…M。对应每个θ_j，求取W_i(ρ,θ)中零相位点位置对应的极坐标ρ_j，于是得到第i次面形测量结果中零相位点的极坐标(θ_j,ρ_j)；

12)根据第i次干涉环零相位点的像素的极坐标(θ_j,ρ_j)，采用柱面坐标系，计算第i次测量得到的待测凹锥镜和待测凸锥镜组合面形被测部分的实际坐标Z_i(θ_j,ρ_j)，j＝1,2…M；

13)当i>N+1时，进入步骤7)，当i<N+1时，将工件台沿轴向向下移动至下一测量位置，i＝i+1，返回步骤10)；

14)完成所有N+1个扫描位置对应的干涉环零相位点的锥镜面形的坐标提取，得到N组代表锥镜不同位置处的面形坐标数据Z_i(θ_j,ρ_j)，得到待测凹锥镜和待测凸锥镜的组合面形Z_i(θ_j,ρ_j)，其中i＝0,1,2…N，j＝1,2…M，记为W2。

15)待测凸锥镜的面形为W＝W2-W1。

本发明的主要益处在于，只需采用一个球面参考镜作为参考基准，能够分别完成不同口径、不同锥角的凹锥镜和凸锥镜的面形测量。在进行凸锥镜面形测量时，将系统中的球面参考镜替换为普通的汇聚镜，基本不增加测量成本。具有检测系统简单，测量成本低的优点。

附图说明

图1为本发明凹锥镜面形检测结构示意图；

图2为本发明凸锥镜面形检测结构示意图；

图3为锥镜锥角示意图；

图4为凸锥镜与凹锥镜匹配放置示意图；

图5为锥镜面形坐标与干涉图像素坐标的对应关系，其中，a为对应凹锥镜测量情形，b为对应凸锥镜与凹锥镜组合测量情形；

图6为不同扫描位置的干涉图仿真结果，其中，a为对应锥镜口径中心区域的干涉图，b为对应锥镜口径中间区域的干涉图，c为对应最大锥镜口径位置的干涉图；

其中，1、波面测量干涉仪；2、球面参考镜；3、汇聚镜；4、工件台；5、待测凹锥镜；6、待测凸锥镜；7、干涉仪图像采集单元；8、安装插口。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图2，图1为本发明凹锥镜面形检测结构示意图，图2为本发明凸锥镜面形检测结构示意图，由图可见，本发明基于轴向扫描的锥镜面形检测系统包含：波面测量干涉仪1、球面参考镜2、汇聚镜3、工件台4、安装插口8，待测凹锥镜5和待测凸锥镜6安装在工件台4上，所述的工件台4运动方向与激光干涉仪1的光轴方向平行；所述的安装插口8用于球面参考镜2和汇聚镜3的固定；

图1所示的是待测凹锥镜5的面形测量：由波面测量干涉仪1输出平面光波，入射至球面参考镜2，一部分光原路返回至波面测量干涉仪1，另一部分光经球面参考镜2形成汇聚光波入射至待测凹锥镜5上，沿待测凹锥镜5表面法线环带区域入射的光波，原路返回至波面测量干涉仪1，与球面参考镜的反射光之间形成干涉，由波面测量干涉仪1提取干涉图和相位信息。

图2所示的是待测凸锥镜6的面形测量：由波面测量干涉仪1输出平面光波，经汇聚镜3形成汇聚光波入射至待测凸锥镜6上，沿待测凸锥镜6表面法线环带区域入射的光波，一部分原路返回至波面测量干涉仪1，另一部分光波透射至待测凹锥镜5上，沿待测凹锥镜5表面法线环带区域入射的光波，光波原路返回至波面测量干涉仪1，与待测凸锥镜6的返回光之间形成干涉，由波面测量干涉仪1提取干涉图和相位信息；将待测凹锥镜5面形从组合面形中分离出来，得到待测凸锥镜6的面形；

所述的待测凸锥镜6是锥角大于180-2arcsin(1/n)的凸锥镜，n为锥镜材料的折射率；所述的待测凹锥镜5的锥角与待测凸锥镜6的锥角大小相等；

所述的基于上述检测系统的锥镜面形检测方法，包含以下步骤：

1)将球面参考镜2安装至安装插口8上，根据球面参考镜的焦点确定工件台4的扫描起点位置P，使球面参考镜2的焦点接近待测凹锥镜5的顶点区域；根据待测凹锥镜5的口径确定工件台4的扫描终点位置Q，使经过球面参考镜2后形成汇聚光波与待测凹锥镜5表面相切的环带区域位于待测凹锥镜5可测的最大口径位置；将P和Q之间的距离进行N等分，N为正整数即分为N+1个测量位置；

2)工件台4定位至起始点P，并令i＝0；

3)调整测量装置，观察到干涉图，并使得干涉图中干涉环基本对称；

4)使用波面测量干涉仪1进行第i次测量，得到第i个干涉环相位结果W_i(x,y)，将W_i(x,y)面形改用极坐标表示，并将极坐标角度θ范围0～2π分成M等分，记为θ_j，j＝1,2…M。对应每个θ_j，求取W_i(ρ,θ)中零相位点位置对应的极坐标ρ_j，于是得到第i个面形测量结果中零相位点的极坐标(θ_j,ρ_j)；

5)根据第i次干涉环中零相位点的像素的极坐标(θ_j,ρ_j)，采用柱面坐标系，计算第i次测量得到的待测凹锥镜5面形被测部分的实际坐标Z_i(θ_j,ρ_j)，j＝1,2…M；

6)当i>N+1时，进入步骤7)，当i<N+1时，将工件台4沿轴向向下移动至下一测量位置，i＝i+1，返回步骤4)；

7)完成所有N+1个扫描位置对应的干涉环零相位点的锥镜面形的坐标提取，得到N+1组代表锥镜不同位置处的面形坐标数据Z_i(θ_j,ρ_j)，得到待测凹锥镜5的面形Z_i(θ_j,ρ_j)，其中i＝0,1,2…N，j＝1,2…M，记为W1；

8)取下安装插口8上的球面参考镜2，更换为汇聚镜3，并将待测凸锥镜6与待测凹锥镜5进行匹配放置，再一次确定工件台4扫描起点位置P1和扫描终点位置Q1，并将P1和Q1之间的距离进行N等分，N为正整数即分为N+1个测量位置；

9)将工件台4定位至起始点P1，使汇聚镜(3)的焦点接近待测凸锥镜(6)的顶点区域，并令i＝0；

10)调整测量装置，通过波面测量干涉仪1观察到干涉图，并使干涉图中干涉环基本对称，且中心干涉环带中包含的条纹数最少；

11)使用波面测量干涉仪1进行第i次测量，得到第i个干涉环相位结果，W_i(x,y)，将W_i(x,y)面形改用极坐标表示，并将极坐标角度θ范围0～2π分成M等分，记为θ_j，j＝1,2…M。对应每个θ_j，求取W_i(ρ,θ)中零相位点位置对应的极坐标ρ_j，于是得到第i个面形测量结果中零相位点的极坐标(θ_j,ρ_j)；

12)根据第i次干涉环零相位点的像素的极坐标(θ_j,ρ_j)，采用柱面坐标系，计算第i次测量得到的待测凹锥镜5和待测凸锥镜6组合面形被测部分的实际坐标Z_i(θ_j,ρ_j)，j＝1,2…M；

13)当i>N+1时，进入步骤7)，当i<N+1时，将工件台4沿轴向向下移动至下一测量位置，i＝i+1，返回步骤10)；

14)完成所有N+1个扫描位置对应的干涉环零相位点的锥镜面形的坐标提取，得到N+1组代表锥镜不同位置处的面形坐标数据Z_i(θ_j,ρ_j)，得到待测凹锥镜5和待测凸锥镜6的组合面形Z_i(θ_j,ρ_j)，其中i＝0,1,2…N，j＝1,2…M，记为W2。

15)待测凸锥镜6的面形为W＝W2-W1。

图3为锥镜锥角示意图，其中β为锥角。

图4为凸锥镜与凹锥镜匹配放置示意图。凸锥镜与凹锥镜共轴，且凸锥镜的锥角顶点与凹锥镜的锥角顶点对应放置，保证凸透镜的锥面和凹锥镜的锥面之间保留一定的距离，之间不相互接触。

图5所示的是锥镜面形坐标与干涉图像素坐标的对应关系。采用柱面坐标系对锥镜面形进行描述，对特定的方位角theta，干涉图上零相位点的坐标可以表示为R₀，锥镜面形坐标为(ρ，z)。凸锥镜和凹锥镜的坐标可以统一由如下方程组计算得到：

其中：α为干涉图中零相位点位置接收的光波与干涉仪光轴的夹角，f为球面参考镜2或汇聚镜3的焦距，R_z为球面参考镜2或者汇聚镜3的焦点到锥镜顶点的距离，对应图4中OM长度，h0为待测凸锥镜6的高度。旋转theta 360度，即可获取凹锥镜上的切线环带上所有切点的坐标(ρ，theta，z)。

图6所示的是对应不同扫描位置，干涉仪采集到的干涉图的仿真结果。其中，Pos1、Pos2和Pos3位置与图2中对应，分别对应靠近锥镜中心区域、锥镜中间区域、最大口径位置。可以看出，测量位置越靠近锥镜中心区域，干涉图中干涉环的中心条纹越宽；越靠近锥镜边缘区域，干涉图中干涉环的中心条纹越窄。

综上所述，本发明提供了一种基于轴向扫描的凹锥镜和凸锥镜面形检测系统及检测方法，只需采用一个球面参考镜作为参考基准，能够分别完成不同口径、不同锥角的凹锥镜和凸锥镜的面形测量。在进行凸锥镜面形测量时，在安装插口8中将球面参考镜2替换为普通的汇聚镜3，基本不增加测量成本。具有检测系统简单，测量成本低的优点。

Claims (4)

1.一种基于轴向扫描的锥镜面形检测系统，其特征在于包含：波面测量干涉仪(1)、球面参考镜(2)、汇聚镜(3)、工件台(4)、安装插口(8)，待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(6)安装在工件台(4)上，所述的工件台(4)运动方向与激光干涉仪(1)的光轴方向平行；所述的汇聚镜(3)的焦点位于待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(6)的对称轴上；所述的待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(6)的对称轴与激光干涉仪(1)的光轴方向平行，所述的安装插口(8)用于球面参考镜(2)或汇聚镜(3)的固定。

2.根据权利要求书1所述的锥镜面形检测系统，其特征在于所述的待测凸锥镜(6)是锥角大于180-2*arcsin(1/n)的凸锥镜，n为锥镜材料的折射率；所述的凹锥镜(5)的锥角与待测凸锥镜(6)的锥角相同。

3.根据权利要求书1所述的锥镜面形检测系统，其特征在于所述的待测凸锥镜(6)的口径应不大于所述的凹锥镜(5)的口径。

4.利用权利要求1所述的锥镜面形检测系统进行锥镜面形的检测方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

1)将球面参考镜(2)安装在所述的安装插口(8)上，根据球面参考镜的焦点确定工件台(4)的扫描起点位置P，使球面参考镜(2)的焦点接近待测凹锥镜(5)的顶点区域；根据待测凹锥镜(5)的口径确定工件台(4)的扫描终点位置Q，使经过球面参考镜(2)后形成汇聚光波与待测凹锥镜(5)表面相切的的环带位置位于待测凹锥镜(5)最大口径位置；将P和Q之间的距离进行N等分，N为正整数，即分为N+1个测量位置；

2)将工件台(4)定位至起始点P，并令i＝0；

3)调整测量装置，观察到干涉图，并使得干涉图中干涉环基本对称；

4)使用波面测量干涉仪(1)进行第i次测量，得到第i个干涉环相位结果W_i(x,y)，将W_i(x,y)面形改用极坐标表示，并将极坐标角度θ范围0～2π分成M等分，记为θ_j，j＝1,2…M，对应每个θ_j，求取W_i(ρ,θ)中零相位点位置对应的极坐标ρ_j，于是得到第i次面形测量结果中零相位点的极坐标(θ_j,ρ_j)；

5)根据第i次干涉环中零相位点的像素的极坐标(θ_j,ρ_j)，采用柱面坐标系，计算第i次测量得到的待测凹锥镜(5)面形被测部分的实际坐标Z_i(θ_j,ρ_j)，j＝1,2…M；

6)当i>N+1时，进入步骤7)，当i<N+1时，将工件台(4)沿轴向向下移动至下一测量位置，令i＝i+1，返回步骤4)；

7)完成所有N+1个扫描位置对应的干涉环零相位点的锥镜面形的坐标提取，得到N组代表锥镜不同位置处的面形坐标数据Z_i(θ_j,ρ_j)，得到待测凹锥镜(5)的面形Z_i(θ_j,ρ_j)，其中i＝0,1,2…N，j＝1,2…M，记为W1；

8)取下安装插口(8)上的球面参考镜(2)，更换为汇聚镜(3)，并将待测凸锥镜(6)与待测凹锥镜(5)进行匹配放置，再一次确定工件台(4)扫描起点位置P1和扫描终点位置Q1，并将P1和Q1之间的距离进行N等分，N为正整数，即分为N+1个测量位置；

9)将工件台(4)定位至起始点P1，使汇聚镜(3)的焦点接近待测凸锥镜(6)的顶点区域，并令i＝0；

10)调整测量装置，通过波面测量干涉仪(1)观察到干涉图，并使干涉图中干涉环基本对称，且中心干涉环带中包含的条纹数最少；

11)使用波面测量干涉仪(1)进行第i次测量，得到第i个干涉环相位结果，W_i(x,y)，将W_i(x,y)面形改用极坐标表示，并将极坐标角度θ范围0～2π分成M等分，记为θ_j，j＝1,2…M，对应每个θ_j，求取W_i(ρ,θ)中零相位点位置对应的极坐标ρ_j，于是得到第i个面形测量结果中零相位点的极坐标(θ_j,ρ_j)；

12)根据第i次干涉环零相位点的像素的极坐标(θ_j,ρ_j)，采用柱面坐标系，计算第i次测量得到的待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(6)组合面形被测部分的实际坐标Z_i(θ_j,ρ_j)，j＝1,2…M；

13)当i>N+1时，进入步骤7)，当i<N+1时，将工件台(4)沿轴向向下移动至下一测量位置，并令i＝i+1，返回步骤10)；

14)完成所有N+1个扫描位置对应的干涉环零相位点的锥镜面形的坐标提取，得到N+1组代表锥镜不同位置处的面形坐标数据Z_i(θ_j,ρ_j)，得到待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(6)的组合面形Z_i(θ_j,ρ_j)，其中i＝0,1,2…N，j＝1,2…M，记为W2；

15)待测凸锥镜(6)的面形为W＝W2-W1。