CN110926367A - 长程光学表面面形检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长程光学表面面形检测装置及检测方法，面形检测装置包括检测光路和用于形成测量光斑的f‑θ角度检测系统，检测光路中，直接入射到待测光学器件表面的入射光路上设有双劈尖机构，双劈尖机构包括沿所述入射光路间隔设置的两个单体楔形劈尖，入射光路穿过两个单体楔形劈尖，两个单体楔形劈尖可独立转动以通过转动改变其出射光路的角度并使出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件表面。本发明通过转动劈尖使反射光路沿入射光路原路返回并可结合测量光斑进行判断，待测光学器件的表面面形通过劈尖转动量来获取，光路在各光学元件上的作用位置一致，使传统系统中因横移量引入的各光学元件的角度误差均可完全避免，提高检测精度。

Description

长程光学表面面形检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于长程镜面的面形检测技术领域，具体涉及一种长程光学表面面形检测装置及检测方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，各应用领域对镜面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本身光路系统中所用到的光学元件与理想光学元件之间的微小差异而引入的，主要表现在两方面：

一方面是光路系统中的各反射光学元件面形与理想反射光学元件面形的微小加工差异以及透射光学元件的材质折射率不均匀都会引入系统误差，当测量光束入射到非理想光学元件上时，非理想光学元件会导致出射光束的方向与理想出射方向产生微小的偏离，从而引入角度测量误差；

另一方面是被待测光学器件反射回的光束随着测量角度的变化会在系统中各光学元件上产生横移，距待测面越远，横移量越大，引入测量系统中同一光学元件上不同点处的误差越多，就可能引入更多的系统误差。横移量、加工缺陷还包括像差都在引入角度测量误差。

比如CN105737758A中附图1所示的pp-LTP的光学结构，其检测光路上引入了相板2'、分束镜3'、平面反射镜4'、五棱镜5'、以及f-θ角度检测系统的傅里叶变换透镜7'，这些光学元件都会引入上述的系统误差，所以CN105737758A中通过采用单孔屏的新结构，使引入误差的光学元件仅有平面反射镜、傅里叶变换透镜，减少了引入系统误差的光学元件数目，减少了横移量，提高检测精度。

也有CN105737759A所公开的检测光路结构，将f-θ角度检测系统设置在了移动光学头上，结构更紧凑，减小横移量，使引入误差的光学元件仅有傅里叶变换透镜。

也有CN105758333A所公开的检测光路结构，也是将f-θ角度检测系统设置在了移动光学头上，其引入误差的光学元件仅有分束镜。

也有CN105674913A所公开的检测光路结构，其引入误差的光学元件仅有分束镜、傅里叶变换透镜。

如上可见，现有的长程面形测量技术方案中，都是通过结构的变化达到减少光学元件以及减少引入误差的光学元件的目的，还未能完全地或者说更好地消除系统误差，并且通过f-θ角度检测系统的面阵探测器(CCD)上的测量光斑的落点之间的差值来反馈被测光学器件的表面面形的形式，也都还不可避免地存在面阵探测器像素点的加工不均匀性、光电响应效率不一致、电子线路一致性等带入系统误差的问题，而理论上来说，傅里叶变换透镜与面阵探测器之间的距离越大分辨能力越高，以目前的检测形式，距离越大又会使引入面阵探测器(CCD)上不同点处的误差越多，存在矛盾。

而劈尖干涉所使用到的楔形劈尖在目前的光学产品或试验中常有引用，通过转动可变化光路路径，如CN108317959A、CN109579708A、CN208042993U都有所涉及，申请人考虑将其巧妙应用于长程面形镜面的面形检测中，使长程面形测量设备的精度可以进一步得到提高。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种长程光学表面面形检测装置及检测方法，避免检测光路中的光学元件因面形误差、折射率误差以及横移量带来系统误差的问题，取得减少系统误差引入并提高检测精度的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

长程光学表面面形检测装置，包括检测光路和用于形成测量光斑的f-θ角度检测系统，所述检测光路中，直接入射到待测光学器件表面的入射光路上设有双劈尖机构，所述双劈尖机构包括沿所述入射光路间隔设置的两个单体楔形劈尖，所述入射光路穿过两个单体楔形劈尖，所述两个单体楔形劈尖可独立转动以通过转动改变其出射光路的角度并使出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件表面；待测光学器件的表面面形通过两个单体楔形劈尖的转动量获取。

进一步完善上述技术方案，所述检测光路包括光源、分束镜以及形成等效五棱镜的两平面反射镜，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，所述光源、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器固定设置，所述两平面反射镜和双劈尖机构设于移动光学头上，光源提供的出射光束经分束镜反射至两平面反射镜，经两平面反射镜反射后穿过双劈尖机构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并沿入射光路返回至分束镜，反射回来的光束透过分束镜并通过傅里叶变换透镜传输至所述面阵探测器，在面阵探测器上形成所述测量光斑。

进一步地，所述移动光学头包括壳体，所述两平面反射镜和双劈尖机构均设于所述壳体内。

进一步地，所述移动光学头安装在线性平移台上，所述线性平移台可滑动设于光学平台的上方以便带动移动光学头滑动并检测置于光学平台上的待测光学器件，所述光源、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器固设于光学平台的侧壁。

进一步地，所述光源为平行光源以提供平行光的出射光束。

进一步地，所述光源为非相干光源。

进一步地，两个单体楔形劈尖相邻，两个单体楔形劈尖相对的一面为相互平行的水平玻璃面，相背的一面为形成楔形的斜玻璃面以使两个单体楔形劈尖相邻设置的间距可以更小。

本发明还涉及一种长程光学表面面形检测方法，本方法基于上述的长程光学表面面形检测装置而进行，包括如下步骤：

1)将待测光学器件置于光学平台上；

2)线性平移台带动移动光学头滑动到第一检测点，光源提供的出射光束经待测光学器件的表面反射，在面阵探测器上形成测量光斑；

3)转动两个单体楔形劈尖使其出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件的表面，并通过所述测量光斑是否形成于面阵探测器上的统一设定范围内来判定；

如果测量光斑形成于所述统一设定范围内，则输出两个单体楔形劈尖的转动数据；

如果测量光斑未形成于所述统一设定范围内，则继续转动调节直至测量光斑形成于所述统一设定范围内，然后输出两个单体楔形劈尖的转动数据；

4)线性平移台带动移动光学头滑动到下一个检测点，光源提供的出射光束经待测光学器件的表面反射，在面阵探测器上形成测量光斑；

5)重复步骤3)和4)，直至完成设定的所有检测点对应的两个单体楔形劈尖的转动数据的输出；

6)通过所得到的各转动数据可得出待测光学器件的表面面形。

进一步地，在步骤1)之前，还包括对装置的标定操作，所述标定操作包括通过以入射光路原路返回的反射光路在面阵探测器上形成的测量光斑来确定所述统一设定范围。

进一步地，所述标定操作包括如下步骤：

a)在分束镜上紧贴设置一单孔屏；

b)在光学平台上放置一定标件；

c)光源提供的出射光束穿过单孔屏的屏孔后经分束镜反射至两平面反射镜，经两平面反射镜反射后穿过双劈尖机构入射到定标件的表面上，经定标件的表面反射形成反射光路；

调整定标件的姿态，使反射光路沿入射光路原路返回，穿过单孔屏的屏孔后透过分束镜并通过傅里叶变换透镜传输至面阵探测器，在面阵探测器上形成测量光斑。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的面形检测装置，通过在检测光路中加入双劈尖机构，通过转动双劈尖机构的两个单体楔形劈尖，可改变穿出双劈尖机构的出射光路的角度并使出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件的表面，因为是垂直入射，检测点的反射光路也按其入射光路的路径原路返回，而入射到双劈尖机构之前的入射光路部分始终是一致的，所以，可使不同检测点的反射光路形成的测量光斑的落点一致或均落在设定的落点范围内(绝对的落点一致是不能实现的，所以还是使用落点范围的概念)，待测光学器件的表面面形通过两个单体楔形劈尖的转动量及测量位置来获取。这样，不再直接通过面阵探测器上测量光斑之间的距离差值来反馈面形检测情况，而只是将其作为一个中间参考，只是作为两个单体楔形劈尖转动调节的效果观察点或反馈点，使检测光路始终保持在同一路线上，光束在检测光路上的各个光学元件上的作用位置都是一定的，是相同的一个点或很小的范围内，包括面阵探测器！从根本上克服了检测光路中各光学元件可能引入系统误差的问题，有效减少了系统误差的引入，传统系统中因光束横移量引入的各光学元件(反射镜面、透射体、傅里叶透镜、CCD)的角度误差均可完全避免，提高检测精度。

2、在本发明的检测形式下，因为测量光斑落点一致，傅里叶变换透镜与面阵探测器之间的距离可以更大，而不会引入过多的不同点处误差，克服现有形式中的矛盾，提高所使用的f-θ角度检测系统的分辨能力，对应也提高检测使用时对测量光斑落点一致性的判断精度。

3、通过双劈尖方式测量角度，是通过劈尖角大小来控制系统角度测量范围(若双劈尖顶角均为5mrad，则系统测量范围为±5mrad)，并通过双劈尖将面形角度测量范围(如±5mrad)扩展对应到劈尖角度调节范围0-π，若劈尖转动角度能实现10μrad的角度精度，则系统理论上可在±5mrad的角度测量范围内实现优于50nrad的角度测量精度，且该测量方式不受测量距离限制。而目前已知最高精度长程面形系统，其测量精度只能在约±250μrad范围内实现50nrad的测量精度。

附图说明

图1为具体实施例的长程光学表面面形检测装置的结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为具体实施例中的通过双劈尖机构转动控制测量范围的示意图；

图4为具体实施例中的一个检测点以法线入射并原路反射的效果示意图(实线)；

图5为具体实施例在使用时出射光路的相关角度关系模拟示意图；

图6为具体实施例在使用时的θ角度变换关系图；

图7为具体实施例在使用时的α角度变换关系图；

图8为具体实施例在使用时的θ角差值变换关系图；

图9为具体实施例的标定结构示意图；

其中，光源1，分束镜2，平面反射镜3，双劈尖机构4，单体楔形劈尖41，待测光学器件5，傅里叶变换透镜7，面阵探测器8，光学平台10，线性平移台11，壳体12，单孔屏100，定标件101。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参见图1、图2，具体实施例的长程光学表面面形检测装置，用于对待测光学器件5的表面进行面形检测，包括检测光路和用于形成测量光斑的f-θ角度检测系统，所述检测光路中，直接入射到待测光学器件表面的入射光路上设有双劈尖机构4，所述双劈尖机构4包括沿所述入射光路间隔设置的两个单体楔形劈尖41，所述入射光路穿过两个单体楔形劈尖41，所述两个单体楔形劈尖41可独立转动以通过转动改变其出射光路的角度并使出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件表面，进而可通过两个单体楔形劈尖41的转动量来反馈待测光学器件的表面面形。可以理解的，两个单体楔形劈尖41的转动为沿光轴转动。

本实施例的面形检测装置，通过在现有的检测光路中加入所述的双劈尖机构4，通过转动双劈尖机构4的两个单体楔形劈尖41，可改变穿出双劈尖机构4的出射光路的角度并使出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件的表面，因为是垂直入射，检测点的反射光路也按其入射光路的路径原路返回，而入射到双劈尖机构4之前的入射光路部分始终是一致的，所以，可使不同检测点的反射光路形成的测量光斑的落点一致或均落在设定的落点范围内，此时，测量光斑的落点位置已经不再是直接判断值，只是单体楔形劈尖41的转动调节参考、观察反馈点，而两个单体楔形劈尖41的转动角度才反馈了不同的检测点位置对应的面形偏转角度，从而可得出要检测的待测光学器件的表面面形。

通过两个单体楔形劈尖41的转动量来反馈待测光学器件的表面面形。这样的形式，不再直接通过f-θ角度检测系统上的测量光斑之间的距离差值来反馈面形检测情况，而只是将其作为一个中间参考，只是作为两个单体楔形劈尖41转动调节的效果观察点或反馈点；使检测光路始终保持在同一路线上，光束在检测光路上的各个光学元件上的作为位置是一定的，是相同的一个点或很小的范围内，包括f-θ角度检测系统中的面阵探测器7，在测量不同角度时，测量光束在各光学元件上横移量为零，测量不同角度时光学元件间引入的角度误差相同，测量角度间的相对差值就不存在误差，而角度间的相对差值才是需要的、能反馈待测光学器件的表面面形的测量值。这样，就从根本上克服了检测光路中各光学元件可能引入系统误差的问题，有效减少了系统误差的引入，提高检测精度。通过两个单体楔形劈尖41的转动量来反馈待测光学器件的表面面形的方式，还将可调节范围变换为在0-π弧度值的量程上进行调整，这样就放大了读取精度，细分了读数区间，取得进一步提高检测精度的效果。

目前机械结构能达到的转动精度可以达10μrad的角度精度(比如现有的AEROTECH精密转台，可实现定位精度2arc sec，约10urad，若希望实现更高测量精度，可选用更高定位精度转台)，完全能够支持需要的单体楔形劈尖41的转动调节以及对光路角度的调整，而增设的双劈尖机构4，根据其光路特性，其即使受到振动(现有机械加工控制精度内)也是不会影响其出射光路的转动角度，所以能够保障上述效果，而不引入其它影响检测精度的问题。最后还剩下两个单体楔形劈尖41也存在引入横移量的问题，但因为两个单体楔形劈尖41的距离是可以相邻设置的，所以引入的横移量非常小，对检测精度的影响可以忽略不计，比如，以单体楔形劈尖41的顶角设定为5mrad计算，其出射光偏转角度2.5mrad，以两个单体楔形劈尖41的间距设为1cm计算，引入横移量25μm，而光斑的直径通常为1mm(甚至更大)，所以双劈尖机构4引入的横移量是非常小，并且，两个单体楔形劈尖41的间距完全还可以更小。为了两个单体楔形劈尖41的间距更小，优选两个单体楔形劈尖41相邻，两个单体楔形劈尖41相对的一面为相互平行的水平玻璃面，相背的一面为形成楔形的斜玻璃面以使两个单体楔形劈尖41相邻设置的间距可以更小，如图4。可以理解的，其它叠合方式也是可以使用的。

其中，所述检测光路包括光源1、分束镜2以及形成等效五棱镜的两平面反射镜3，所述f-θ角度检测系统包括一傅里叶变换透镜6和一面阵探测器7，所述光源1、分束镜2、傅里叶变换透镜6以及面阵探测器7固定设置，所述两平面反射镜3和双劈尖机构4设于移动光学头上，光源1提供的出射光束经分束镜2反射至两平面反射镜3，再经两平面反射镜3反射后垂直于经分束镜2反射来的入射光束出射，穿过双劈尖机构4入射到待测光学器件5的表面上，转动调整两个单体楔形劈尖41，使穿过双劈尖机构4的入射光路沿法线方向入射到待测光学器件5的表面上，再经待测光学器件5的表面反射并沿原入射光路返回至分束镜2，反射回来的光束透过分束镜2并通过傅里叶变换透镜6汇聚后传输至所述面阵探测器7，在面阵探测器7上形成所述测量光斑。

这样，给出一种具体的检测光路形式，简单可靠，采用两平面反射镜3代替五棱镜可以避免引入折射率不均匀的问题，当然实施时也可以选择使用五棱镜。

其中，所述移动光学头包括壳体12，所述两平面反射镜3和双劈尖机构4均设于所述壳体12内。所述移动光学头安装在线性平移台11上，所述线性平移台11可滑动设于光学平台10的上方以便带动移动光学头滑动并检测置于光学平台10上的待测光学器件5，所述光源1、分束镜2、傅里叶变换透镜6以及面阵探测器7固设于光学平台10的侧壁上。

这样，提供必要的基础结构，移动光学头、线性平移台11以及光学平台10的连接，均为现有技术，此处不再赘述。

其中，所述光源1为平行光源以使提供的出射光束为平行光，并优选平行非相干细光束。实施时，也可以选择使用相干光，如激光光源来提供出射光束，为平行相干细光束。

通过双劈尖机构4方式测量角度，是通过劈尖顶角大小来控制装置的角度测量范围，光束穿过劈尖始终是朝向其较厚一侧偏转，若劈尖顶角为5mrad，则测量范围为±5mrad，如图3，使两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致，穿过双劈尖机构4的出射光路即达到最大偏转角度5mrad，使用时，通过两个单体楔形劈尖41的转动可以在半锥角5mrad的锥形几何体范围内(任意)改变穿过双劈尖机构4的出射光路的角度，保证在测量范围内能找到以法线入射的入射点，如图4，如果不能，说明待测光学器件5在光学平台10上的摆放姿态不对，超出了量程；所述的入射点与设定的检测点通常不是重合的，通过单体楔形劈尖41的转动角度也可以折算出入射点与设定检测点的相对位置，通过角度与位置间积分可构建待测面形。

使两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致，穿过双劈尖机构4的出射光路即达到最大偏转角度5mrad，保持两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致并同向转动，出射光路则以最大偏转角度周向转动(即以母线形式沿锥形几何体的轴回转)，并可停留于周向上的任意位置。使用时，优选从两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致状态开始，使两个单体楔形劈尖41反向等角度间隔转动，并均转动π弧度(180°)，对应的出射光路从图3(a)中+5mrad状态偏转到图3(b)中-5mrad状态，且偏转过程路径均在同一平面(过锥形几何体的轴)上，便于建立角度关系。通过双劈尖机构4将面形角度测量范围(±5mrad)扩展对应到劈尖角度调节范围0-π(如从π继续转动至2π则出射光路又沿图3中-5mrad回到+5mrad状态，为重复调节)，若劈尖间隔转动角度能实现10μrad的角度精度，则装置可在±5mrad的角度测量范围内实现优于50nrad的角度测量精度，且该测量方式不受测量距离限制。而目前已知最高精度长程面形系统，其测量精度只能在约±250μrad范围内实现50nrad的测量精度，理论上本装置可以在其20倍的测量范围内检测并保证测量精度，并且是至少实现其最佳测量精度。

使用时，相关的角度可以根据现有定量公式计算或建立变换关系模型，请参见图5，设经过两平面反射镜面3出射的光束是沿z轴反方向传播，移动光学头是沿y轴方向扫描测量，光束穿过双劈尖机构4，从双劈尖机构4出来的出射光路经双劈尖机构4从图3(a)中+5mrad状态各自以z轴为回转轴反向等角度间隔转动到图3(b)中-5mrad状态时，θ、α角随双劈尖机构4转角有明确的变换关系，请参见图6、图7，出射光路角度随双劈尖机构4转动变化关系图，可见转动双劈尖机构4后可实现出射光在测量方向上±5mrad范围内变化而在垂直方向变化不大，请参见图8，还可以得到不同测量角度时双劈尖机构4反向每改变10urad时相邻θ角的改变量的差值，可见，在单体楔形劈尖的0-π(测量角度±5mrad)调节范围内，每改变10urad，测量角度θ可实现不大于50nrad的角度误差。

参见图1，本发明还提供一种长程光学表面面形检测方法，本方法基于上述的长程光学表面面形检测装置而进行，包括如下步骤：

1)将待测光学器件5置于光学平台10上；

2)线性平移台11带着移动光学头的壳体12滑动到第一检测点，光源1提供出射光束，经待测光学器件5的表面反射，在面阵探测器7上形成测量光斑，图中虚线光路；

3)转动两个单体楔形劈尖41使其出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件5的表面，并通过所述测量光斑是否形成于面阵探测器7上的统一设定范围内(即所测量光斑是否落在设定的落点范围内)来判定，将图中虚线光路调整至与实线光路重合；

如果测量光斑形成于所述统一设定范围内，则输出(记录)两个单体楔形劈尖41的转动数据(转动角度)；

如果测量光斑未形成于所述统一设定范围内，则根据测量数据继续转动调节直至测量光斑形成于所述统一设定范围内，然后输出两个单体楔形劈尖41的转动数据；实施时，如果测量光斑未形成于所述统一设定范围内，可通过其形成位置判断应该的法线角度方向，从而修正双劈尖机构4的转角，便于两个单体楔形劈尖41的转动调节；

4)线性平移台11带动移动光学头滑动到下一个检测点，光源1提供出射光束，经待测光学器件的表面反射，在面阵探测器上形成测量光斑；

5)重复步骤3)和4)，直至完成设定的所有检测点对应的两个单体楔形劈尖41的转动数据的输出；

不同的检测点对应在面阵探测器7上形成的测量光斑均应落在相同的一个设定的落点范围内(所述统一设定范围)，即落点是一致的，只是绝对的落点一致是不能实现的，结合面阵探测器7的探测方式，将落点限制为在一个较小的设定范围内。

6)通过所得到的各转动数据及测量位置可得出待测光学器件5的表面面形。

参见图9，其中，在步骤1)之前，还包括对装置的标定操作，所述标定操作包括通过以入射光路原路返回的反射光路在面阵探测器上形成的测量光斑来确定所述统一设定范围。具体包括如下步骤：

a)在分束镜2朝向光源1的面上、平行光入射位置紧贴设置一单孔屏100；

b)在光学平台上放置一定标件101；

c)光源1提供的平行光出射光束穿过单孔屏100的屏孔后经分束镜2反射至两平面反射镜3，经两平面反射镜3反射后穿过双劈尖机构4入射到定标件101的表面上，经定标件101的表面反射形成反射光路；根据光路可逆可知，此时，如果反射光路未能以入射光路原路返回，那么其入射到单孔屏100上非屏孔的位置而被阻挡，只有以入射光路原路返回的反射光路才能穿过单孔屏100的屏孔。所以，只需要调整定标件101的姿态，使反射光路沿入射光路原路返回(法线入射姿态)，穿过单孔屏100的屏孔后透过分束镜2并通过傅里叶变换透镜7传输至面阵探测器8，在面阵探测器8上形成测量光斑，通过该测量光斑就可以确定所述统一设定范围。实施时，所述统一设定范围、单孔屏100的屏孔直径大小等根据装置要达到的检测参数指标可以对应选择，不作具体限制。

本方法的效果同前述效果，此处不再赘述。实施时，如果作为一套整体使用设备方便自动化使用，所述双劈尖机构4可以设为圆筒形，圆筒形内提供两个可转动的单体楔形劈尖41，还可以包括自动控制器，自动控制器与面阵探测器7、线性平移台11以及驱动单体楔形劈尖41转动的驱动单元电连接，标定设备，确定测量光斑应该在面阵探测器7上的落点范围；通过预写入的程序以及测量光斑在面阵探测器7上的统一设定范围，自动控制器控制待测光学器件5表面的不同检测点之间的间距，自动控制器判断一个检测点位置对应的测量光斑是否形成于面阵探测器上的统一设定范围内，如果测量光斑未形成于所述统一设定范围内，则通过自动控制器可结合实际落点情况修正并驱动单体楔形劈尖41转动，使测量光斑落在所述统一设定范围内。输出转动角度数据以便作为反馈待测光学器件5表面面形的数据基础。根据不同的标准，通过数据基础折算得到所需判断数据来判定待测光学器件5的表面面形即可。

实测例：单体楔形劈尖41的顶角设定为5mrad，检测第一检测点时双劈尖机构4各自反向改变到±π/6时，检测角度θ为-4.33mrad；检测第二个检测点时，若第二个检测点与第一个检测点θ角度差5urad，则反射回来的光束与入射光束角度差10urad，两个单体楔形劈尖41需转动使得出射光改变约5urad，转动角度可根据2*0.000005/(sin(0.005)*sin(π/6))计算得到，各自转动约4mrad；也就是说，检测第二个检测点时，两个单体楔形劈尖41如果各自调节转动了约4mrad，使得反射光路原路返回，那么第二个检测点与第一个检测点的θ角度差5urad。

实施时，单体楔形劈尖41的顶角设定可以根据测量需要调整，比如需要测量10mrad的量程，则需使用顶角10mrad的劈尖，不作具体限制。

前述通过测量光斑的实际形成位置来修正双劈尖机构4的转角以便于转动调节，可以这样实现：

请再参见图5，由于角度测量范围较小(如±5mrad范围内)，角度满足：

设劈尖顶角为γ，若要通过劈尖调节出射光路角度为(α，θ)，则可计算出：

则双劈尖各自转动角度约δ1，δ2为：

实际检测时若双劈尖调整出射光路角度为(α，θ)，检测点法线与出射光路不一致，光束在f-θ角度检测系统中测量角度为(2Δα，2Δθ)，则可得检测点法线与出射光路方向角度差为：(-Δα，-Δθ)，则检测点法线方向角为(-α-Δα，-θ-Δθ)，于是可以按照上述方法转动劈尖使得出射光路方向为(α+Δα，θ+Δθ)。这样可以为辅助劈尖转动调节提供调节角度参考，也可以采用更精确的根据几何光学理论进行的推导计算(实际应用意义不大)；使用时由于劈尖转动调节以后对应检测位置点发生变化，对应测量角度值也会相应改变，可根据f-θ角度检测系统的数据多次修正劈尖转动角度以取得更准确的检测结果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.长程光学表面面形检测装置，包括检测光路和用于形成测量光斑的f-θ角度检测系统，其特征在于：所述检测光路中，直接入射到待测光学器件表面的入射光路上设有双劈尖机构，所述双劈尖机构包括沿所述入射光路间隔设置的两个单体楔形劈尖，所述入射光路穿过两个单体楔形劈尖，所述两个单体楔形劈尖可独立转动以通过转动改变其出射光路的角度并使出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件表面。

2.根据权利要求1所述长程光学表面面形检测装置，其特征在于：所述检测光路包括光源、分束镜以及形成等效五棱镜的两平面反射镜，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，所述光源、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器固定设置，所述两平面反射镜和双劈尖机构设于移动光学头上，光源提供的出射光束经分束镜反射至两平面反射镜，经两平面反射镜反射后穿过双劈尖机构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并沿入射光路返回至分束镜，反射回来的光束透过分束镜并通过傅里叶变换透镜传输至所述面阵探测器，在面阵探测器上形成所述测量光斑。

3.根据权利要求2所述长程光学表面面形检测装置，其特征在于：所述移动光学头包括壳体，所述两平面反射镜和双劈尖机构均设于所述壳体内。

4.根据权利要求3所述长程光学表面面形检测装置，其特征在于：所述移动光学头安装在线性平移台上，所述线性平移台可滑动设于光学平台的上方以便带动移动光学头滑动并检测置于光学平台上的待测光学器件，所述光源、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器固设于光学平台的侧壁。

5.根据权利要求2所述长程光学表面面形检测装置，其特征在于：所述光源为平行光源以提供平行光的出射光束。

6.根据权利要求5所述长程光学表面面形检测装置，其特征在于：所述光源为非相干光源。

7.根据权利要求1-6任一项所述长程光学表面面形检测装置，其特征在于：两个单体楔形劈尖相邻，两个单体楔形劈尖相对的一面为相互平行的水平玻璃面，相背的一面为形成楔形的斜玻璃面以使两个单体楔形劈尖相邻设置的间距可以更小。

8.长程光学表面面形检测方法，其特征在于：本方法基于权利要求4-6中任一项所述的长程光学表面面形检测装置而进行，包括如下步骤：

1）将待测光学器件置于光学平台上；

2）线性平移台带动移动光学头滑动到第一检测点，光源提供的出射光束经待测光学器件的表面反射，在面阵探测器上形成测量光斑；

3）转动两个单体楔形劈尖使其出射光路以法线入射的形式入射到待测光学器件的表面，并通过所述测量光斑是否形成于面阵探测器上的统一设定范围内来判定；

如果测量光斑形成于所述统一设定范围内，则输出两个单体楔形劈尖的转动数据；

如果测量光斑未形成于所述统一设定范围内，则继续转动调节直至测量光斑形成于所述统一设定范围内，然后输出两个单体楔形劈尖的转动数据；

4）线性平移台带动移动光学头滑动到下一个检测点，光源提供的出射光束经待测光学器件的表面反射，在面阵探测器上形成测量光斑；

5）重复步骤3）和4），直至完成设定的所有检测点对应的两个单体楔形劈尖的转动数据的输出；

6）通过所得到的各转动数据可得出待测光学器件的表面面形。

9.根据权利要求8所述长程光学表面面形检测方法，其特征在于：在步骤1）之前，还包括对装置的标定操作，所述标定操作包括通过以入射光路原路返回的反射光路在面阵探测器上形成的测量光斑来确定所述统一设定范围。

10.根据权利要求9所述长程光学表面面形检测方法，其特征在于：所述标定操作包括如下步骤：

a）在分束镜上紧贴设置一单孔屏；

b）在光学平台上放置一定标件；

c）光源提供的出射光束穿过单孔屏的屏孔后经分束镜反射至两平面反射镜，经两平面反射镜反射后穿过双劈尖机构入射到定标件的表面上，经定标件的表面反射形成反射光路；

调整定标件的姿态，使反射光路沿入射光路原路返回，穿过单孔屏的屏孔后透过分束镜并通过傅里叶变换透镜传输至面阵探测器，在面阵探测器上形成测量光斑。

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