CN112461156A - 大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置及检测方法，其中的方法包括如下：S1、选择球面标准镜，设计Hindle‑Shell补偿器；S2、将Hindle‑Shell补偿器放在球面标准镜与球面反射镜之间，调节球面反射镜与Hindle‑Shell补偿器的位置，直至干涉仪的干涉条纹为零条纹，记录为第一检测结果，第一检测结果包括Hindle‑Shell补偿器的系统误差；S3、将球面反射镜替换为被测光学元件，并调节被测光学元件的位置，直至干涉仪的干涉条纹最稀疏或为零条纹，记录为第二检测结果，第二检测结果包括被测光学元件的面形信息和Hindle‑Shell补偿器的系统误差；S4、将第二检测结果与第一检测结果相减，获得被测光学元件的面形信息。本发明能够有效降低检测过程中误差的传递和积累，提高检测精度和检测效率。

Description

大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测技术领域，特别涉及一种大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置及检测方法。

背景技术

由于非球面元件可以在不增加独立像差的情况下，降低光学系统的复杂程度，提高光学系统的成像质量。因此，随着光学加工和检测技术的发展，光学系统中越来越多的采用非球面光学元件，对非球面光学元件面形精度要求也越来越高，口径越来越大。相比于凹非球面光学元件，大口径凸非球面光学元件的检测更加困难。例如，大口径凸非球面检测方法中的轮廓检测法检测精度较低，只适用于研磨阶段；Hindle-Sphere检测法在检测大口径凸非球面光学元件的面形时需要制作大的参考球面，光学元件的镜面需要镀高反射膜，且无法对轴上非球面的中心遮拦位置进行测量，Hindle-Sphere检测法也只适用于检测二次曲面；Null-lens补偿法检测精度高但制作难度大，Null-lens补偿器的参考面为非球面，需要制作新补偿器以用来检测Null-lens补偿器的参考面，因此难以制作大口径的Null-lens补偿器；CGH补偿法在理论上可以用来产生任意形状的波前，但受限于现有光刻技术，难以制作大口径高刻画密度的CGH；子孔径拼接法是将大口径凸非球面光学元件分为多个小的光学区域分别检测，最终再拼接在一起，从而实现大口径凸非球面光学元件的面形检测。但是，当凸非球面口径和非球面偏离量增大时，需要设计的子孔径数量较多，会造成误差的积累，降低检测精度。

发明内容

针对现有的大口径凸非球面检测方法精度低、补偿器制作复杂的问题，本发明提出一种大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置及检测方法，通过设计单个Hindle-Shell补偿器检测大口径凸非球面光学元件的全口径面形，能够有效降低检测过程中误差的传递和积累，提高大口径凸非球面光学元件的检测精度和检测效率。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置，包括干涉仪和沿干涉仪的光束出射方向依次设置的球面标准镜和Hindle-Shell补偿器，Hindle-Shell补偿器的口径大于被测光学元件的口径，Hindle-Shell补偿器的前表面为凸面、后表面为凹球面；干涉仪发出的光束经过球面标准镜转换为球面波后入射到Hindle-Shell补偿器，通过Hindle-Shell补偿器变为与被测光学元件的面形相匹配的波前后入射到被测光学元件，在被测光学元件与Hindle-Shell补偿器之间进行二次反射后，回到干涉仪形成包含被测光学元件的面形信息的干涉条纹。

优选地，大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置还包括Hindle-Shell补偿器凹面一侧的球面反射镜，在检测被测光学元件的面形精度之前，先将被测光学元件替换为球面反射镜，通过Hindle-Shell补偿器的球面波入射到球面反射镜，调节Hindle-Shell补偿器和球面反射镜的位置，直至干涉仪的干涉条纹为零条纹，再将球面反射镜替换为被测光学元件。

优选地，在将球面反射镜替换为被测光学元件后，调节被测光学元件的位置，至干涉仪的干涉条纹最稀疏或为零条纹。

优选地，大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置还包括干涉仪调整装置、补偿器调整装置、球面镜调整装置和光学元件调整装置，干涉仪安装在干涉仪调整装置上，Hindle-Shell补偿器安装在补偿器调整装置上，球面反射镜安装在球面镜调整装置，被测光学元件安装在光学元件调整装置上。

本发明提供还一种利用上述面形检测装置的面形精度检测方法，包括如下步骤：

S1、根据被测光学元件的参数选择球面标准镜和设计Hindle-Shell补偿器；

S2、将Hindle-Shell补偿器同轴放置在球面标准镜与球面反射镜之间，调节球面反射镜与Hindle-Shell补偿器的位置，直至干涉仪的干涉条纹为零条纹，记录为干涉仪的第一检测结果，第一检测结果包括Hindle-Shell补偿器的系统误差；

S3、将球面反射镜替换为被测光学元件，并调节被测光学元件的位置，直至干涉仪的干涉条纹最稀疏或为零条纹，记录为干涉仪的第二检测结果，第二检测结果包括被测光学元件的面形信息和Hindle-Shell补偿器的系统误差；

S4、将第二检测结果与第一检测结果相减，获得被测光学元件的面形信息。

优选地，在步骤S3中，干涉仪发出的光束经过球面标准镜转换为球面波后入射到Hindle-Shell补偿器，通过Hindle-Shell补偿器变为与被测光学元件的面形相匹配的波前入射到被测光学元件，在被测光学元件与Hindle-Shell补偿器之间进行二次反射后，回到干涉仪形成包含被测光学元件的面形信息和Hindle-Shell补偿器的干涉条纹。

优选地，在步骤S1中，球面标准镜的选择如下：

球面标准镜的F/#≤Hindle-Shell补偿器凸面的R/#；其中，F/#＝f/D，f为球面标准镜的焦距、D为球面标准镜的口径；R/#＝r_H/d_H，r_H是Hindle-Shell补偿器凸面顶点的曲率半径，d_H为Hindle-Shell补偿器的口径。

优选地，在步骤S1中，Hindle-Shell补偿器的设计如下：

Hindle-Shell补偿器的口径大于被测光学元件的口径，且Hindle-Shell补偿器的凹面为球面。

本发明能够取得以下技术效果：

1、只需一个Hindle-Shell补偿器，就能实现大口径凸非球面光学元件的全口径面形检测，不存在中心遮拦的问题；

2、Hindle-Shell补偿器的口径只需略大于被测光学元件的口径，且Hindle-Shell补偿器的凹面为球面，易于光学加工；

3、Hindle-Shell补偿器的凹面为球面，Hindle-Shell补偿器的凸面在加工时可以以凹面为基准，能够使得凸面的面形加工更加容易控制；

4、Hindle-Shell补偿器对光学元件的制作材料要求不高，能够降低制作成本。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的补偿器标定装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的大口径凸非球面光学元件的面形检测方法的流程示意图。

其中的附图标记包括：干涉仪1、球面标准镜2、Hindle-Shell补偿器3、球面反射镜4、被测光学元件5、干涉仪调整装置6、补偿器调整装置7、球面镜调整装置8、光学元件调整装置9。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供一种大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置及检测方法，用于对大口径凸非球面光学元件的面形进行检测。为了便于表述，将大口径凸非球面光学元件简称为被测光学元件。

本发明的整体思路是通过设计一个Hindle-Shell补偿器补偿被测光学元件理论形状的法线像差，产生与被测光学元件面形相匹配的波前，从而实现被测光学元件的全口径面形检测，能够有效降低检测过程中误差的传递和积累，提高被测光学元件的检测精度和检测效率。

以下将结合附图分别对本发明实施例提供的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置及与该标定系统对应的标定方法进行详细描述。

图1示出了如本发明一个实施例的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置，包括：沿检测光路依次设置的干涉仪1、球面标准镜2和Hindle-Shell补偿器3，球面标准镜2和Hindle-Shell补偿器3位于干涉仪1与被测光学元件5之间，球面标准镜2相比Hindle-Shell补偿器3更靠近干涉仪1，Hindle-Shell补偿器3相比球面标准镜2更靠近被测光学元件5，即沿干涉仪1的光束出射方向依次设置的球面标准镜、Hindle-Shell补偿器3和被测光学元件5，被测光学元件5的表面正对Hindle-Shell补偿器3的凹面。

本发明在对被测光学元件5进行面形检测之前，需要对Hindle-Shell补偿器3的位置和系统误差进行标定。本发明是通过干涉仪1、球面标准镜2结合球面反射镜4对Hindle-Shell补偿器3进行标定，干涉仪1、球面标准镜2和球面反射镜4构成补偿器标定装置。

图2示出了根据本发明一个实施例的补偿器标定装置的结构。

如图2所示，补偿器标定装置包括干涉仪1、球面标准镜2和球面反射镜4，球面标准镜2、Hindle-Shell补偿器3和球面反射镜4沿干涉仪1的光束出射方向依次设置。

Hindle-Shell补偿器3的凹面作为参考面必须是球面，这样设置的目的是为了保证球面反射镜4反射回的球面波到达Hindle-Shell补偿器3的凹面时，不会因面形不匹配而被反射到其他方向，从而不能形成共路检测光路。

Hindle-Shell补偿器3的标定原理为：首先，调节干涉仪1、球面标准镜2和球面反射镜4的高度，使干涉仪1、球面标准镜2和球面反射镜4的光轴重合；其次，在球面标准镜2和球面反射镜4之间放入Hindle-Shell补偿器3；最后，保持干涉仪1和球面标准镜2的位置不动，调节球面反射镜4与Hindle-Shell补偿器3的位置，直至干涉仪1的干涉条纹为零条纹，完成Hindle-Shell补偿器3的位置和系统误差的标定，记录此时的干涉检测结果作为干涉仪1的第一检测结果。第一检测结果包括Hindle-Shell补偿器3的系统误差。

需要说明的是，基于Hindle-Shell补偿器3的检测法为零位检测法，因此在检测时，需要将干涉条纹调至最少，以获得准确的干涉检测结果。

在完成Hindle-Shell补偿器3的标定后，将球面反射镜4替换为被测光学元件5，开始对被测光学元件5的面形精度进行检测。

继续参看图1，①为Hindle-Shell补偿器3的凸面，②为Hindle-Shell补偿器3的凹面，③为被测光学元件5的表面。

被测光学元件5的面形精度的检测原理为：在将球面反射镜4替换为被测光学元件5后，保持干涉仪1、球面标准镜2和标定后的Hindle-Shell补偿器3的位置不动，调节被测光学元件5的位置，直至干涉仪1的干涉条纹最稀疏或为零条纹，记录此时的干涉检测结果作为干涉仪1的第二检测结果。第二检测结果包括Hindle-Shell补偿器3的系统误差和被测光学元件5的面形信息，将第二检测结果与第一检测结果相减，即可获得被测光学元件5的面形信息。

产生干涉条纹的原理为：干涉仪1出射的光束经球面标准镜2变为球面波，再经Hindle-Shell补偿器3产生与被测光学元件5凸非球面的面形相匹配的波前，入射到表面③且被表面③反射，其反射光束的反向延长线会聚于表面③的焦点处，并垂直入射到Hindle-Shell补偿器3的表面②(为一次反射)，表面②将光束反射回表面③(为二次反射)，最终光束经表面③反射，经过Hindle-Shell补偿器3回到干涉仪1形成干涉条纹。

在对Hindle-Shell补偿器3进行标定时，产生干涉条纹的原理同理可得。

选用Hindle-Shell补偿器3的原因在于：在使用Null-lens补偿器或CGH补偿器检测大口径凸非球面时，很难做到全口径的面形检测，一般会和拼接检测一起使用，这就需要对每一圈子孔径设计单独的Null-lens补偿器或CGH补偿器。由于Null-lens补偿器和CGH补偿器造价很高，这就无形中增加了检测成本，而且Null-lens补偿器还需要对其参考面(非球面)设计新的补偿器，CGH补偿器受限于现有光刻技术，难以制作大口径高刻画密度的CGH。考虑这些因素提出了基于Hindle-Shell补偿器3的检测方法，能够使用一片补偿器完成整个大口径凸非球面的面形检测，且Hindle-Shell补偿器3对光学元件的制作材料要求不高，造价较低，能够降低制作成本。

在本发明的一些实施例中，大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置，还包括干涉仪调整装置6、补偿器调整装置7、球面镜调整装置8、光学元件调整装置9，干涉仪1安装在干涉仪调整装置6上，通过干涉仪调整装置6对干涉仪1的高度进行调节，Hindle-Shell补偿器3安装在补偿器调整装置7上，通过补偿器调整装置7对Hindle-Shell补偿器3的位置和高度进行调节，球面反射镜4安装在球面镜调整装置8，通过球面镜调整装置8对球面反射镜4的位置和高度进行调节，被测光学元件5安装在光学元件调整装置9上，通过光学元件调整装置9对被测光学元件5的位置和高度进行调节。

干涉仪调整装置6、补偿器调整装置7、球面镜调整装置8、光学元件调整装置9均为现有技术，故在此不再赘述。

上述内容详细说明了本发明提供的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置的结构及其工作原理。与上述面形精度检测装置相对应，本发明还提供一种利用面形检测装置对大口径凸非球面光学元件的面形精度进行检测的方法。

图3示出了根据本发明一个实施例的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测方法的流程。

如图3所示，本发明实施例提供的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测方法，包括如下步骤：

S1、根据被测光学元件的参数选择球面标准镜和设计Hindle-Shell补偿器。

下面分别对球面标准镜和Hindle-Shell补偿器的具体设计进行详述。

一、Hindle-Shell补偿器

将Hindle-Shell补偿器的凹面设计为球面，以便使用球面反射镜对其进行标定。还需要对Hindle-Shell补偿器的凸面和凹面的参数进行如下设计：

首先，在ZEMAX中设计采用Hindle-Shell补偿器检测被检测元件的检测光路，设定Hindle-Shell补偿器的表面①的曲率半径、二次曲线常数K、高次项系数A4和A6等为变量；设定Hindle-Shell补偿器的表面②为标准的球面，其曲率半径为变量；设定Hindle-Shell补偿器的表面②与表面③之间的距离为变量。

其次，根据像面波前差为零，设置操作数，对检测光路进行优化，直至获得理想的检测结果(像面波前RMS＝0)。

至此可以获得Hindle-Shell补偿器凸面和凹面(即Hindle-Shell补偿器的前后两个表面)的设计参数，此时Hindle-Shell补偿器出射光束即为与被检测元件面形相匹配的波前。

二、球面标准镜

对球面标准镜的选择为：F/#≤Hindle-Shell补偿器凸面的R/#；其中，F/#＝f/D，f为球面标准镜的焦距、D为球面标准镜的口径；R/#＝r_H/d_H，r_H是Hindle-Shell补偿器凸面顶点的曲率半径，d_H为Hindle-Shell补偿器的口径。

S2、将Hindle-Shell补偿器同轴放置在球面标准镜与球面反射镜之间，调节球面反射镜与Hindle-Shell补偿器的位置，直至干涉仪的干涉条纹为零条纹，记录为干涉仪的第一检测结果，第一检测结果包括Hindle-Shell补偿器的系统误差。

在检测被测光学元件的面形精度之前，需要先对Hindle-Shell补偿器标定，利用球面反射镜标定出Hindle-Shell补偿器的位置和系统误差。

Hindle-Shell补偿器的标定方法为：

首先，调节干涉仪、球面标准镜和球面反射镜的高度，使干涉仪、球面标准镜和球面反射镜的光轴重合；

其次，在球面标准镜和球面反射镜之间放入Hindle-Shell补偿器；

最后，保持干涉仪和球面标准镜的位置不动，调节球面反射镜与Hindle-Shell补偿器的位置，直至干涉仪的干涉条纹为零条纹，完成Hindle-Shell补偿器的位置和系统误差的标定。

记录此时的干涉检测结果作为干涉仪的第一检测结果，第一检测结果中包括Hindle-Shell补偿器的系统误差。

S3、将球面反射镜替换为被测光学元件，并调节被测光学元件的位置，直至干涉仪的干涉条纹最稀疏或为零条纹，记录为干涉仪的第二检测结果，第二检测结果包括被测光学元件的面形信息和Hindle-Shell补偿器的系统误差。

在完成Hindle-Shell补偿器的标定后，将球面反射镜替换为被测光学元件，保持干涉仪、球面标准镜和标定后的Hindle-Shell补偿器的位置不动，调节被测光学元件的位置，直至干涉仪的干涉条纹最稀疏或为零条纹，记录为干涉仪的第二检测结果，第二检测结果包括被测光学元件的面形信息和Hindle-Shell补偿器的系统误差。

S4、将第二检测结果与第一检测结果相减，获得被测光学元件的面形信息。

由于第二检测结果包括被测光学元件的面形信息和Hindle-Shell补偿器的系统误差，而第一检测结果包括Hindle-Shell补偿器的系统误差，因此，将第二检测结果与第一检测结果相减，即可获得被测光学元件的面形信息。

本发明提供的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测方法，其检测精度受很多因素的影响：例如Hindle-Shell补偿器引入的系统误差，为保证检测精度，Hindle-Shell补偿器的制作误差指标如表一所示，其引入的系统误差可以通过标定方法予以去除。对于检测过程中的机械调整误差，通过分析各机械调整误差对检测实验结果的影响，应保证各机械调整误差严格控制在如表二所示的误差范围内，使得各调整误差对检测结果的影响可以忽略不计。

表一Hindle-Shell补偿器的制作误差

表二 检测光路调整误差

在检测大口径凸非球面的过程中，其检测结果还会受到环境振动、空气流动、噪声等因素的影响，因此必须严格控制检测环境，并通过多次测量取平均值的方式，消除环境因素的影响。通过对补偿器制作误差及检测过程中调整误差和环境噪声的严格控制，使该检测方法的面形检测精度能够优于1/60λ(RMS值，λ＝632.8nm)，从而满足大口径凸非球面光学元件的高精度检测要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何如本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置，其特征在于，包括干涉仪和沿所述干涉仪的光束出射方向依次设置的球面标准镜和Hindle-Shell补偿器，所述Hindle-Shell补偿器的口径大于被测光学元件的口径，所述Hindle-Shell补偿器的前表面为凸面、后表面为凹球面；所述干涉仪发出的光束经过所述球面标准镜转换为球面波后入射到所述Hindle-Shell补偿器，通过所述Hindle-Shell补偿器变为与所述被测光学元件的面形相匹配的波前入射到所述被测光学元件，在所述被测光学元件与所述Hindle-Shell补偿器之间进行二次反射后，回到所述干涉仪形成包含所述被测光学元件的面形信息的干涉条纹。

2.如权利要求1所述的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置，其特征在于，还包括所述Hindle-Shell补偿器凹面一侧的球面反射镜，在检测所述被测光学元件的面形精度之前，先将所述被测光学元件替换为所述球面反射镜，通过所述Hindle-Shell补偿器的球面波入射到所述球面反射镜，调节所述Hindle-Shell补偿器和所述球面反射镜的位置，直至所述干涉仪的干涉条纹为零条纹，再将所述球面反射镜替换为所述被测光学元件。

3.如权利要求2所述的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置，其特征在于，在将所述球面反射镜替换为所述被测光学元件后，调节所述被测光学元件的位置，至所述干涉仪的干涉条纹最稀疏或为零条纹。

4.如权利要求1所述的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置，其特征在于，还包括干涉仪调整装置、补偿器调整装置、球面镜调整装置和光学元件调整装置，所述干涉仪安装在所述干涉仪调整装置上，所述Hindle-Shell补偿器安装在所述补偿器调整装置上，所述球面反射镜安装在所述球面镜调整装置，所述被测光学元件安装在所述光学元件调整装置上。

5.一种利用如权利要求1-4中任一项所述的大口径凸非球面光学元件的面形精度检测装置的面形精度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据被测光学元件的参数选择球面标准镜和设计Hindle-Shell补偿器；

S2、将所述Hindle-Shell补偿器同轴放置在球面标准镜与球面反射镜之间，调节所述球面反射镜与所述Hindle-Shell补偿器的位置，直至干涉仪的干涉条纹为零条纹，记录为所述干涉仪的第一检测结果，所述第一检测结果包括所述Hindle-Shell补偿器的系统误差；

S3、将所述球面反射镜替换为被测光学元件，并调节所述被测光学元件的位置，直至所述干涉仪的干涉条纹最稀疏或为零条纹，记录为所述干涉仪的第二检测结果，所述第二检测结果包括所述被测光学元件的面形信息和所述Hindle-Shell补偿器的系统误差；

S4、将所述第二检测结果与所述第一检测结果相减，获得所述被测光学元件的面形信息。

6.如权利要求5所述的面形精度检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述干涉仪发出的光束经过所述球面标准镜转换为球面波后入射到所述Hindle-Shell补偿器，通过所述Hindle-Shell补偿器变为与所述被测光学元件的面形相匹配的波前入射到所述被测光学元件，在所述被测光学元件与所述Hindle-Shell补偿器之间进行二次反射后，回到所述干涉仪形成包含所述被测光学元件的面形信息和所述Hindle-Shell补偿器的干涉条纹。

7.如权利要求6所述的面形精度检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述球面标准镜的选择如下：

所述球面标准镜的F/#≤所述Hindle-Shell补偿器凸面的R/#；其中，F/#＝f/D，f为所述球面标准镜的焦距、D为所述球面标准镜的口径；R/#＝r_H/d_H，r_H是所述Hindle-Shell补偿器凸面顶点的曲率半径，d_H为所述Hindle-Shell补偿器的口径。

8.如权利要求6所述的面形精度检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述Hindle-Shell补偿器的设计如下：

所述Hindle-Shell补偿器的口径大于所述被测光学元件的口径，且所述Hindle-Shell补偿器的凹面为球面。

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