CN1432790A - 长程面形仪 - Google Patents

Abstract

一种长程面形仪，它主要由半导体激光器、光纤、位相板、反射镜、分光镜、五角棱镜、反射镜、傅立叶透镜、面阵CCD和参考反射镜组成，半导体激光器发出的激光束经光纤准直投射至一块位相板上，其衍射光束由反射镜折转形成基准光束被分光镜分为两路：一路经五角棱镜折转90°投射至被测表面，被反射回来的探测光束再经五角棱镜、分光镜、反射镜投射至傅立叶变换透镜，从而在位于FT透镜后焦面的面阵CCD上形成测量光斑，另一路基准光束经由参考反射镜、反射镜直接射至傅立叶透镜，并在面阵CCD上形成参考光斑。

Description

长程面形仪

技术领域

本发明与大尺寸高精度面形测量有关，特别是一种用于表面轮廓的高精度光学检测的长程面形仪。

背景技术

大尺寸反射镜是同步辐射光束线工程和高能激光系统中重要的光学元件，其表面质量和形貌参数将直接影响光束的传输性能，这就不但要求在加工过程中能够控制反射镜的形状及加工精度，在完成输运及安装前后也必须能够保持它的面形。因此其形貌的高精度测量是一个非常重要的科研课题。为了保证同步辐射光束的传输效率，新一代同步辐射源特别是第三代同步辐射源要求镜面的“斜度均方差”不超过1μrad(0.2sec)。因此研究能够胜任测量该反射镜的仪器具有重要的意义。

八十年代初发展起来的用于非球面测量的光笔干涉仪以其独特的优点成为同步射线掠入射反射镜轮廓测量的首选方案。光笔干涉仪最初于1982年由Bieron提出，其原理如图1所示：由激光器发出的光束经分光镜BS₁和平面镜M₁后生成两束光束，再经分光镜BS₂和五角棱镜PP入射到待测光学表面SUT上。从被测表面反射回来的光束，按原光路经PP和BS₂入射至傅立叶变换透镜FT，并在FT焦平面上发生干涉。此干涉图样经显微目镜MO放大后由读出装置RO获取，从而得到测点轮廓信息。图2给出了光笔干涉仪中条纹移动与SUT角度误差的关系：设SUT被测区域相对于光轴垂直面有一角度偏差α，则被SUT反射回来的探测光束对相对于光轴垂直面有2α的角度偏差。FT透镜通过将光束对成像于探测器上而起到角度一位置变换作用。对一焦距为f的理想FT透镜，此时，焦面上的条纹位于偏离主焦点d处，位移d与反射光角度偏差2α满足如下关系：

d＝2αf因此通过测量位移量d的大小，即可推得SUT被测区域斜率或斜率变化。

相对于其它表面形貌测量方法—以泰曼-格林、斐索等类型的传统干涉仪为基础、辅以零校正技术的干涉计量法，剪切干涉法，外差(准外差)全息干涉法等而言，光笔干涉仪应用于大型(光学)工件表面形貌测量时具有以下两个突出优点：

●不需要参考平面

●不需要高质量大孔径入射波前

因而系统易于达到较高的测量精度。

其后，又发展为零光程光笔干涉仪轮廓仪(LTP)，实现了对同步辐射反射镜形貌的高精度测量，五角棱镜轮廓测量方法(ppLTP)，是一个非常成功的测量方法，能够高精度地完全测量出同步辐射反射镜等工件的形貌。但是它仍存在如下的不足：

1.五角棱镜绕扫描方向的滚动，会导致探测器接收面上的干涉条纹在垂直方向移动，这种干涉条纹的移动将会使干涉条纹测量出现误差；

2.该方案对环境噪声如测量现场的温度漂移、空气扰动等不具备抗干扰性；

3.对光源的频率、空间模式、偏振特性等的稳定性要求很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是要克服上述已有技术的不足，提供一种长程面形仪，该仪器要能：

1.消除五角棱镜绕扫描方向滚动导致的探测器接收面上的干涉条纹在垂直方向上的移动，进而消除干涉条纹移动所导致的测量误差；

2.降低系统对环境噪声如测量现场的温度飘移、空气扰动等的影响，提高仪器的抗干扰性；

3.基本消除频率、空间模式、偏振特性等光源参数稳定性对测量精度的影响。

本发明的技术解决方案如下：

一种长程面形仪，其特征在于它采用了一种基于衍射准直的f-θ系统，主要由半导体激光器、光纤、位相板、反射镜、分光镜、五角棱镜、反射镜、傅立叶透镜、面阵CCD和参考反射镜组成，其光束过程是：半导体激光器发出的激光束经光纤准直投射至一块位相板上，其衍射光束由反射镜折转形成基准光束被分光镜分为两路：一路经五角棱镜折转90°投射至被测表面，被反射回来的探测光束再经五角棱镜、分光镜、反射镜投射至傅立叶变换透镜，从而在位于FT透镜后焦面的面阵CCD上形成测量光斑，另一路基准光束经由参考反射镜、反射镜直接射至傅立叶透镜，并在面阵CCD上形成参考光斑；

所说的分光镜、五角棱镜、反射镜和参考反射镜构成光学扫描头，该五角棱镜由导轨导向，步进电机驱动扫描；

附图说明

图1是已有的光笔干涉仪的原理图。

图2是光笔干涉仪中被测表面斜度误差α与条纹移动量d的关系示意图。

图3是本发明长程面形仪的光路图。

具体实施方式

请参阅图3，图3是本发明长程面形仪的光路结构图。本发明长程面形仪主要由半导体激光器1、光纤2、位相板3、反射镜RP₁、分光镜BS、五角棱镜PP、反射镜RP₂、傅立叶透镜FT、面阵CCD探测器和参考反射镜RP组成，其光束的运动过程如下：

半导体激光器1发出的激光束，经单模光纤2准直系统准直，得到方向性更好的测量光束。准直激光束投射至一块位相板3上，其衍射光束由反射镜RP₁折转形成测量基准光束。此基准光束被分光镜BS分为两路：一路经五角棱镜PP折转90°投射至被测表面SUT，探测点相对于基准光束的斜度变化，反射回来的探测光束再经五角棱镜PP、分光镜BS、反射镜RP₂投射至傅立叶变换透镜FT，从而在位于FT透镜后焦面的面阵CCD上形成测量光斑，计算扫描过程中测量光斑图样的相对位移，即可求得被测非球面的轮廓；另一路经由参考反射镜RP及反射镜RP₂，直接入射至FT透镜，而后在面阵CCD上形成参考光斑，用以补偿扫描过程中由于激光器角漂所引入的测量误差。

五角棱镜PP的扫描由导轨导向，由于五角棱镜PP对其俯仰运动误差不敏感，因此测量系统可选用普通型精密滚动导轨。

该半导体激光器1还采用了温度控制和电流控制技术，保障半导体激光器1所发射光束的频率及工作稳定性。

由图可见，本发明继承了ppLTP的优点：使用光纤准直及五角棱镜扫描，保证了激光光束的指向精度；仪器的光学头被固定，消除或抑制了大部分影响测量精度的因素，同时降低了系统的成本。除此之外，本发明还有独特的优点：

1.引入共光程参考光路消除误差

根据参考光的位置变化可补偿测量光束指向性误差以及现场温漂、空气扰动等环境噪声对系统测量精度的影响，该结构的显著特征是参考镜与待测镜(SUT)共光程，且随五角棱镜一同沿导轨运动；并由此具有以下特点：

(1)系统可以完全补偿激光器输出光束的指向性误差；

(2)参考光与测量光共光路，可以使系统对诸如空气扰动、温度漂移等影响光束在大气中传播特性的噪声源具有较强的抗干扰性能。

2.利用面阵CCD采集数据

相对一维列阵探测器，它消除了由于五角棱镜扫描时的滚动引起的条纹平移对干涉条纹测量精度的影响，并且可以实现多激光束同时测量，一次完成轮廓的三维测量。

归纳起来，本发明具有如下特点和优点：

1.有别于国际上已有的各种长程面形仪，本发明的仪器采用位相板衍射光束精确测定束斑位置，大大简化了光学系统。减小了各种环境因素如温度变化、空气扰动等导致的测量误差，有利于该类测量系统精度的进一步提高；(附注：国际上该类仪器是采用两束光干涉的办法来得到测量光束在探测器上的准确位置的，干涉的引入不可避免地使仪器对光源稳定性、现场温度漂移、空气扰动等环境因素非常敏感。由于该类仪器精度非常高，任何微小的扰动都可能影响测量精度，国际上各大实验室在使用该仪器时都有一套很严格的措施。我们的长程面形仪由于采用了衍射技术，对环境因素及光源稳定性的要求大为降低，测量时有人坐在仪器旁边也不会影响精度，当然不能大声说话，仪器也不用放在恒温室里。)

2.基本消除了光源波长变化对测量精度的影响，从而可采用半导体激光器为光源，避免了昂贵的稳频He-Ne激光器，降低了成本、提高了精度；

3.采用面阵CCD探测器，相较目前普遍采用的一维探测器提高了数据处理的灵活性，并可实现条纹位移的实时补偿，提高了精度；

4.平台、支座及导轨基座采用大理石材料，减小了材料内应力及热膨胀对测量精度的影响；

5.相对于干涉轮廓测量法而言，本发明的仪器应用于非球面面形精度测量时继承了顺序扫描法的优点，即不需要与被测非球面相匹配的参考表面和高质量的入射参考波前。

Claims (2)

1.一种长程面形仪，其特征在于它采用了一种基于衍射准直的f-θ系统，主要由半导体激光器(1)、光纤(2)、位相板(3)、反射镜(RP₁)、分光镜(BS)、五角棱镜(PP)、反射镜(RP₂)、傅立叶透镜(FT)、面阵CCD和参考反射镜(RP)组成，其光束的运动过程是：半导体激光器(1)发出的激光束经光纤(2)准直投射至一块位相板(3)上，其衍射光束由反射镜(RP₁)折转形成基准光束被分光镜(BS)分为两路：一路经五角棱镜(PP)折转90°投射至被测表面，被反射回来的探测光束再经五角棱镜(PP)、分光镜(BS)、反射镜(RP₂)投射至傅立叶变换透镜(FT)，从而在位于FT透镜后焦面的面阵CCD上形成测量光斑，另一路基准光束经由参考反射镜(RP)、反射镜(RP₂)直接射至傅立叶透镜(FT)，并在面阵CCD上形成参考光斑。

2.根据权利要求1所述的长程面形仪，其特征在于所说的分光镜(BS)、五角棱镜(PP)、反射镜(RP₂)和参考反射镜(RP)构成光学扫描头，该五角棱镜(PP)由导轨导向，步进电机驱动扫描。

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