CN110686869B - 等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法，本发明采用的检测系统包括激光干涉仪，离轴抛物面反射镜，标准平面反射镜，基准十字分划板，小平面基准反射镜，经纬仪以及带光栅尺的导轨。采用光学非接触式的高精度测量方法，能同时实现等厚离轴抛物面反射镜离轴量、离轴角、等厚角以及焦距的关键特征参量高精度测量，为离轴反射曝光系统的高精度加工及装调奠定了基础。

Description

等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别是一种等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法。
背景技术
大口径衍射光栅在惯性约束核聚变中有重要的应用，特别是高功率啁啾脉冲放大系统中的脉冲压缩光栅。但是通过全息曝光制造大口径、高质量衍射波面的光栅受到了曝光透镜的口径限制。近年来，随着离轴抛物面反射镜的应用越来越广泛，且制造技术越来越成熟，利用大口径离轴抛物面反射镜构成静态干涉场曝光光路制作衍射光栅成为一种可行的新方法，如图1所示。但由于离轴反射光学系统视场很小，且中心光轴部分缺失，无法采用常规同轴穿心的方法实现调整，因而给离轴镜高精度加工、系统精密装调带来困难，无法保证曝光系统的曝光光场质量。若能事先确定离轴抛物面反射镜的关键特征参量，如离轴量、离轴角、等厚角以及焦距，再通过机械精确定位的方式实现初始定位，最后通过计算机辅助装调的方法就可以实现离轴反射系统的精密装调。可见，反射曝光系统的高精度加工及装调的核心难点问题是离轴抛物面反射镜的关键特征参量的精确测量控制。
在实际工程应用中，针对高陡度离轴抛物面，为了减小其加工、检测和装调的难度，通常需要进行等厚处理，即通过坐标系旋转使离轴镜的近轴端和远轴端等高，从而降低矢高变化率。一般是对抛物面母线上离轴量X0对应点求导，求出其切线与X轴的夹角α0，以此角度为坐标系变换的旋转角度，如图2所示，tan(α0)＝Z0/X0，该角度决定了离轴镜背面装调基准与其光轴的夹角，也是系统精密装调的关键参量。一般的检测方法都无法精确给出该角度，如常规的测量方法是在自准直光路中，直接用卷尺近似测量焦点到离轴抛物面反射镜中心的距离，近似量出离轴量，通过三角几何关系算出焦距和离轴角。由于采用卷尺测量，且无法准确定位抛物面的几何位置关系，因此测量精度较差，误差为毫米级，同时该方法无法获得等厚角，该类接触式测量还容易划伤表面；亦有采用经纬仪及光栅尺导轨的测量系统，但该方法采用多个经纬仪(不少于四个)，结构复杂，成本较高，也未能给出等厚角。因此，现有的测量方法都无法同时精确标定等厚角、离轴量、离轴角以及焦距。
发明内容
本发明的目的是提供一种大口径等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法。该方法采用光学非接触式的高精度测量，能同时实现等厚离轴抛物面反射镜离轴量、离轴角、等厚角以及焦距的关键特征参量高精度测量，为离轴反射曝光系统的精密加工及装调奠定基础。
为实现上述技术目的，本发明的技术解决方案如下：
一种等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法，测量系统包括：激光干涉仪、标准平面反射镜、基准十字分划板、第一小平面基准反射镜、第二小平面基准反射镜、第一经纬仪、第二经纬仪和光栅尺导轨，其特点在于：该方法包括以下步骤：
1)标定测量系统光轴基准：
在气浮隔振平台上固定所述的光栅尺导轨(以下简称为导轨)，在所述的导轨的末端放置第一小平面基准反射镜，在导轨的滑块上架设第一经纬仪并前后移动滑块，移动距离不小于理论离轴量，用第一经纬仪瞄准所述的第一小平面基准反射镜的十字靶线中心，根据运动轨迹调整第一经纬仪的方位、俯仰姿态和第一小平面基准反射镜左右、高低位置，直至观察到第一小平面基准反射镜的十字靶线中心与第一经纬仪的十字叉丝中心重合；随后用第一经纬仪监测第一小平面基准反射镜的自准直反射像，调整其方位、俯仰姿态，直至自准直反射像与叉丝重合；通过交替调整，最终使第一经纬仪的光轴与所述的导轨的轴线平行且与所述的第一小平面基准反射镜垂直；将所述的第一经纬仪旋转90°，在适当位置放置所述的标准平面反射镜，调整标准平面反射镜与第一经纬仪自准直，从而确定离轴抛物面反射镜的光轴基准；
2)搭建等厚离轴抛物面反射镜自准直检测光路：
将第二小平面基准反射镜置于待测等厚离轴抛物面反射镜背面的十字线中心位置，将待测的等厚离轴抛物面反射镜放置在所述的标准平面反射镜和所述的导轨一侧之间，利用激光干涉仪出射的细光束大致对准所述的等厚离轴抛物面反射镜的中心，光束经等厚离轴抛物面反射镜反射后入射到标准平面反射镜反射返回，调整所述的激光干涉仪的方位、俯仰姿态，使反射回来的光束与出射光束大致重合，从而使激光干涉仪内部的光路系统与等厚离轴抛物面反射镜光轴大致重合；调整激光干涉仪的焦点位置，使激光干涉仪输出会聚光束的焦点与所述的等厚离轴抛物面反射镜焦点重合；
3)精确标定离轴量：将第一经纬仪与所述的等厚离轴抛物面反射镜背面的第二小平面基准反射镜自准直，然后与导轨末端的第一小平面基准反射镜自准直，从而得到实际的等厚角α，通过与激光干涉仪对猫眼，将基准十字分划板中心置于激光干涉仪的会聚焦点位置，将第一经纬仪与第一小平面基准反射镜自准直，旋转90°后，将第一经纬仪对准基准十字分划板的中心，记下L1；移除第二小平面基准反射镜，并沿导轨移动第一经纬仪，使第一经纬仪对准等厚离轴抛物面反射镜背面的十字线中心，记下L2，则所测的离轴抛物面反射镜的离轴量为：d＝L-t×sinα，其中，L＝L2-L1；t为离轴抛物面反射镜的中心厚度，事先用三坐标测量标定；
4)精确标定离轴角：
移除所述的激光干涉仪，在激光干涉仪的光轴位置放置第二经纬仪，该第二经纬仪通过基准十字分划板和离轴抛物面反射镜以及标准平面反射镜自准直穿心，以保证第二经纬仪的光轴与激光干涉仪光轴重合，将第一经纬仪与第一小平面基准反射镜自准直并旋转90°，对准十字分划板中心；此时旋转第二干涉仪，将第二干涉仪与第一经纬仪打对镜，所述的第二经纬仪旋转的角度就是离轴抛物面反射镜的离轴角φ；
5)计算获得离轴抛物面焦距f：
根据步骤3)和步骤4)测量得到的离轴抛物面反射镜的离轴量d和离轴角φ，通过下列公式计算即可获得离轴抛物面反射镜的焦距f：
tan(φ)＝d/(f-e)＝d/(f-d2/4f)
式中，e为O点矢高。
所述的经纬仪测角精度优于0.5″；所述的光栅尺导轨测量分辨率优于1μm；所述的小平面基准镜的反射面刻有十字线，在用经纬仪自准直的同时，还可以实现内调焦对准。选用的Φ50×10mm基准镜，采用基于自干涉检测的加工方法，其平行度可优于0.5″。
本发明的优点在于：
本发明解决了大口径等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量，为实现离轴反射曝光系统的精密装调，高质量曝光场的获得奠定基础。
附图说明
图1是静态离轴反射干涉场曝光示意图。
图2是等厚离轴抛物面等厚角的示意图。
图3是本发明大口径等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量装置示意图。
其中，1-激光干涉仪，2-基准十字分划板，3-第一小平面基准反射镜，4-第一经纬仪，5-导轨，6-第二小平面基准反射镜，7-待测的等厚离轴抛物面反射镜，8-标准平面反射镜，9-第二经纬仪。
具体实施方式
下面参考附图并结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图3，图3是本发明大口径等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量装置示意图。由图可见，本发明等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法，测量系统包括：激光干涉仪1、标准平面反射镜8、基准十字分划板2、第一小平面基准反射镜3、第二小平面基准反射镜6、第一经纬仪4、第二经纬仪9和光栅尺导轨5，该方法包括以下步骤：
1)标定测量系统光轴基准：
在气浮隔振平台上固定所述的光栅尺导轨(以下简称为导轨)5，在所述的导轨5的末端放置第一小平面基准反射镜3，在导轨5的滑块上架设第一经纬仪4并前后移动滑块，移动距离不小于理论离轴量，用第一经纬仪4瞄准所述的第一小平面基准反射镜3的十字靶线中心，根据运动轨迹调整第一经纬仪4的方位、俯仰姿态和第一小平面基准反射镜3左右、高低位置，直至观察到第一小平面基准反射镜3的十字靶线中心与第一经纬仪4的十字叉丝中心重合；随后用第一经纬仪4监测第一小平面基准反射镜3的自准直反射像，调整其方位、俯仰姿态，直至自准直反射像与叉丝重合；通过交替调整，最终使第一经纬仪4的光轴与所述的导轨5的轴线平行且与所述的第一小平面基准反射镜3垂直；将所述的第一经纬仪4旋转90°，在适当位置放置所述的标准平面反射镜8，调整标准平面反射镜8与第一经纬仪4自准直，从而确定离轴抛物面反射镜7的光轴基准；
2)搭建等厚离轴抛物面反射镜自准直检测光路：
将第二小平面基准反射镜6置于待测等厚离轴抛物面反射镜7背面的十字线中心，将待测的等厚离轴抛物面反射镜7放置在所述的标准平面反射镜8和所述的导轨5一侧之间，利用激光干涉仪1出射的细光束大致对准所述的等厚离轴抛物面反射镜7的中心，光束经等厚离轴抛物面反射镜7反射后入射到标准平面反射镜8反射返回，调整所述的激光干涉仪1的方位、俯仰姿态，使反射回来的光束与出射光束大致重合，从而使激光干涉仪1内部的光路系统与等厚离轴抛物面反射镜7光轴大致重合；调整激光干涉仪1的焦点位置，使激光干涉仪1输出会聚光束的焦点与所述的等厚离轴抛物面反射镜7焦点重合；
3)精确标定离轴量：将第一经纬仪4与所述的等厚离轴抛物面反射镜7背面的第二小平面基准反射镜6自准直，然后与导轨5末端的第一小平面基准反射镜3自准直，从而得到实际的等厚角α，通过与激光干涉仪1对猫眼，将基准十字分划板2中心置于激光干涉仪1的会聚焦点位置，将第一经纬仪4与第一小平面基准反射镜3自准直，旋转90°后，将第一经纬仪4对准基准十字分划板2的中心，记下L1；移除第二小平面基准反射镜6，并沿导轨移动第一经纬仪4，使第一经纬仪4对准等厚离轴抛物面反射镜7背面的十字线中心，记下L2，则所测的离轴抛物面反射镜7的离轴量为：d＝L-t×sinα，其中，L＝L2-L1；t为离轴抛物面反射镜7的中心厚度，事先用三坐标测量标定；
4)精确标定离轴角：
移除所述的激光干涉仪1，在其光轴位置放置第二经纬仪9，该第二经纬仪9通过基准十字分划板2和离轴抛物面反射镜7以及标准平面反射镜8自准直穿心，以保证第二经纬仪9的光轴与激光干涉仪1光轴重合，将第一经纬仪4与第一小平面基准反射镜3自准直并旋转90°，对准十字分划板2中心；此时旋转第二经纬仪9，将第二经纬仪9与第一经纬仪4打对镜，所述的第二经纬仪9旋转的角度就是离轴抛物面反射镜7的离轴角φ；
5)计算获得离轴抛物面焦距f：
根据步骤3)和步骤4)测量得到的离轴抛物面反射镜7的离轴量d和离轴角φ，通过下列公式计算即可获得离轴抛物面反射镜7的焦距f：
tan(φ)＝d/(f-e)＝d/(f-d2/4f)
式中，e为O点矢高。
本实施例，所述的经纬仪测角精度优于0.5″；光栅尺导轨测量分辨率优于1μm；小平面基准镜反射面刻有十字线，在用经纬仪自准直的同时，还可以实现内调焦对准。选用的Φ50×10mm基准镜，为了保证其平行度优于0.5″，可以采用基于自干涉检测的加工方法实现。
所述的检测方法包括以下步骤：
根据指标要求，精确调整等厚离轴抛物面反射镜(7)的离轴量，由此会引起的系统波前误差变化，通过加工修除实现离轴量的精确控制。
根据离轴角的指标要求，精确调整等厚离轴抛物面反射镜(7)的离轴角度，由此会引起的系统波前误差变化，通过加工修除实现离轴角度的精确控制。
最后，可以通过多次测量取平均值的方式，提高测量精度。
实验表明，本发明解决了离轴反射曝光系统加工、装调过程中特征参量的高精度测量，通过采用相对简便的测量系统，能同时实现等厚离轴抛物面反射镜的离轴量、离轴角、等厚角以及焦距关键特征参量的高精度测量，为实现离轴反射曝光系统的精密装调，高质量曝光场的获得奠定基础。

Claims (2)

1.一种等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法，测量系统包括：激光干涉仪(1)、标准平面反射镜(8)、基准十字分划板(2)、第一小平面基准反射镜(3)、第二小平面基准反射镜(6)、第一经纬仪(4)、第二经纬仪(9)和光栅尺导轨(5)，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)标定测量系统光轴基准：
在气浮隔振平台上固定所述的光栅尺导轨(5)，在所述的导轨(5)的末端放置第一小平面基准反射镜(3)，在导轨(5)的滑块上架设第一经纬仪(4)并前后移动滑块，移动距离不小于理论离轴量，用第一经纬仪(4)瞄准所述的第一小平面基准反射镜(3)的十字靶线中心，根据运动轨迹调整第一经纬仪(4)的方位、俯仰姿态和第一小平面基准反射镜(3)左右、高低位置，直至观察到第一小平面基准反射镜(3)的十字靶线中心与第一经纬仪(4)的十字叉丝中心重合；随后用第一经纬仪(4)监测第一小平面基准反射镜(3)的自准直反射像，调整其方位、俯仰姿态，直至自准直反射像与叉丝重合；通过交替调整，最终使第一经纬仪(4)的光轴与所述的导轨(5)的轴线平行且与所述的第一小平面基准反射镜(3)垂直；将所述的第一经纬仪(4)旋转90°，在适当位置放置所述的标准平面反射镜(8)，调整标准平面反射镜(8)与第一经纬仪(4)自准直，从而确定等厚离轴抛物面反射镜(7)的光轴基准；
2)搭建等厚离轴抛物面反射镜自准直检测光路：
将第二小平面基准反射镜(6)置于待测等厚离轴抛物面反射镜(7)背面的十字线中心，将待测的等厚离轴抛物面反射镜(7)放置在所述的标准平面反射镜(8)和所述的导轨(5)一侧之间，利用激光干涉仪(1)出射的细光束大致对准所述的等厚离轴抛物面反射镜(7)的中心，光束经等厚离轴抛物面反射镜(7)反射后入射到标准平面反射镜(8)反射返回，调整所述的激光干涉仪(1)的方位、俯仰姿态，使反射回来的光束与出射光束大致重合，从而使激光干涉仪(1)内部的光路系统与等厚离轴抛物面反射镜(7)光轴大致重合；调整激光干涉仪(1)的焦点位置，使激光干涉仪(1)输出会聚光束的焦点与所述的等厚离轴抛物面反射镜(7)焦点重合；
3)精确标定离轴量：将第一经纬仪(4)与所述的等厚离轴抛物面反射镜(7)背面的第二小平面基准反射镜(6)自准直，然后与导轨(5)末端的第一小平面基准反射镜(3)自准直，从而得到实际的等厚角α，通过与激光干涉仪(1)对猫眼，将基准十字分划板(2)中心置于激光干涉仪(1)的会聚焦点位置，将第一经纬仪(4)与第一小平面基准反射镜(3)自准直，旋转90°后，将第一经纬仪(4)对准基准十字分划板(2)的中心，记下L1；移除第二小平面基准反射镜(6)，并沿导轨移动第一经纬仪(4)，使第一经纬仪(4)对准等厚离轴抛物面反射镜(7)背面的十字线中心，记下L2，则所测的离轴抛物面反射镜(7)的离轴量为：d＝L-t×sinα，其中，L＝L2-L1；t为离轴抛物面反射镜(7)的中心厚度，可事先用三坐标测量标定；
4)精确标定离轴角：
移除所述的激光干涉仪(1)，在其光轴位置放置第二经纬仪(9)，该第二经纬仪(9)通过基准十字分划板(2)和离轴抛物面反射镜(7)以及标准平面反射镜(8)自准直穿心，以保证第二经纬仪(9)的光轴与激光干涉仪(1)光轴重合，将第一经纬仪(4)与第一小平面基准反射镜(3)自准直并旋转90°，对准十字分划板(2)中心；此时旋转第二经纬仪(9)，将第二经纬仪(9)与第一经纬仪(4)打对镜，所述的第二经纬仪(9)旋转的角度就是离轴抛物面反射镜(7)的离轴角φ；
5)计算获得离轴抛物面焦距f：
根据步骤3)和步骤4)测量得到的离轴抛物面反射镜(7)的离轴量d和离轴角φ，通过下列公式计算即可获得离轴抛物面反射镜(7)的焦距f：
tan(φ)＝d/(f-e)＝d/(f-d2/4f)
式中，e为O点矢高。
2.根据权利要求1所述的等厚离轴抛物面反射镜特征参量的高精度测量方法，其特征在于：所述的经纬仪测角精度优于0.5″；所述的光栅尺导轨测量分辨率优于1μm；所述的小平面基准反射镜的反射面刻有十字线，在用经纬仪自准直的同时，还可以实现内调焦对准。
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Title
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