一種長程面形測量儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種長程面形測量儀，用于對待測光學器件的表面進行面形檢測，其包括掃描光學頭和f?θ角度檢測系統(tǒng)，所述掃描光學頭包括面光源、分束鏡、單孔屏以及平面反射鏡，所述面光源水平放置，所述分束鏡傾斜地設(shè)置在所述面光源下方，所述單孔屏緊貼在所述分束鏡底面，所述平面反射鏡傾斜地設(shè)置在所述單孔屏下方并與所述分束鏡構(gòu)成類五棱鏡結(jié)構(gòu)的雙反射面。本實用新型減少了測量不同角度時測量光束橫移引入的系統(tǒng)誤差，從而提高了測量精度。
【專利說明】
一種長程面形測量儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及高精度鏡面面形檢測領(lǐng)域，特別涉及一種長程面形測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在大型天文望遠鏡、極紫外光刻、同步輻射光學工程等科學技術(shù)領(lǐng)域需要用到長度約Im左右、面形誤差低于0.1微弧度的細長形、高精度反射鏡面。生產(chǎn)及使用如此高精度的光學器件依賴于高精度的面形檢測技術(shù)。
[0003]基于細光束逐點掃描檢測原理的長程面形儀(Long Trace Profile，LTP)是運用于此類高精度光學器件檢測的主要儀器之一，其基本思想是引入一束固定角度入射的細光束在待測光學器件上進行逐點掃描，由于光學器件上不同點的法線方向不同，于是反射光按不同的角度反射到長程面形儀的f-θ角度檢測系統(tǒng)進行角度測量，從而通過測得不同點的角度相對變化值以獲得沿掃描方向上光學器件的面形信息。
[0004]雖然長程面形儀的工作原理決定了其只能進行一維的離散點測量，但與其它檢測手段相比，長程面形儀具有許多優(yōu)點，比如:采用非接觸檢測模式避免了在檢測過程中對待測光學器件光學面造成損傷;不需要借助大尺度的光學參考元件從而降低了建設(shè)投入成本及減少了可能由此引入的誤差;適用范圍大，能對大尺寸、高精度面形進行檢測等等。在過去的20多年里，長程面形儀得到了長足發(fā)展，出現(xiàn)了LTP-1、LTP-11、LTP-V、PP-LTP(五棱鏡長行程面形儀)、在線LTP、多功能LTP、N0M(納米光學檢測儀)等基于細光束掃描檢測原理的長程面形儀。其中NOM是目前世界上精度最高的面形檢測儀器之一。
[0005]隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鈱W元件面形檢測精度提出了更高的要求，為了提升長程面形儀的檢測能力，傳統(tǒng)長程面形儀系統(tǒng)中各種系統(tǒng)誤差需要得到修正或消除，在這些系統(tǒng)誤差中，最主要的一個是由于長程面形儀系統(tǒng)中所用到的各光學元件不理想造成的，不理想主要表現(xiàn)為:1、反射光學元件與理想光學元件相比存在面形誤差；
2、折射光學元件折射率不均勻。在進行角度測量時，這些光學元件上的缺陷會導致測量光束偏離理想方向形成角度誤差，當測量角度變化時測量光束會在這些光學元件上橫移，從而引入元件上不同位置的角度誤差。
[0006]如果長程面形儀中光學鏡面是理想的，測量光束的橫移則不會引入誤差；同樣的如果測量光束在系統(tǒng)中某光學器件上沒有橫移，則此光學器件對不同角度測量點引入的誤差都一樣，由于利用長程面形儀進行面形檢測時，只有檢測結(jié)果的相對改變值有意義，所以引入的相同誤差不影響測量結(jié)果的相對改變量。然而，理想的光學元件是不可能得到的，所以測量系統(tǒng)中光學元件越多，測量光束在這些光學元件上橫移量越大，就可能引入較大的系統(tǒng)誤差。
[0007]圖1示出了現(xiàn)有pp-LTP的光學結(jié)構(gòu)示意圖，其包括激光光源I’、固定光學頭、移動光學頭以及f-θ角度檢測系統(tǒng)，固定光學頭包括位相板2’、分束鏡3’和平面反射鏡4’，移動光學頭包括五棱鏡5’，f-θ角度檢測系統(tǒng)包括FT(傅里葉變換)透鏡7’和面陣探測器8’。當光束從五棱鏡5 ’垂直入射到待測鏡面6 ’后，若待測鏡面6 ’上測量點處不水平，反射光線將與入射光線成一定角度反射，設(shè)此角度為Θ角，則五棱鏡5’上的距離s即表示Θ等于0°與Θ不等于0°時反射光束在五棱鏡5’的反射面上產(chǎn)生的橫移量。從圖1可以看出，測量光束是從待測鏡面6 ’上測量點處開始偏移，所以待測鏡面6 ’上的測量點是pp-LTP中各光學元件橫移量計算的參考點，因而對于同樣的偏轉(zhuǎn)角度，系統(tǒng)中的光學器件距離待測鏡面6’上測量點的幾何光程越遠，測量光束在該光學器件上的橫移量越大，正是這種橫移使得系統(tǒng)中各光學器件引入了不同點的誤差。測量系統(tǒng)中所用到的透射、反射光學器件越多，測量光束產(chǎn)生的橫移量越大，則引入的系統(tǒng)誤差越大。
[0008]為了減小由橫移引入的系統(tǒng)誤差，主要有兩種途徑，一種是減少檢測系統(tǒng)中用到的光學元件數(shù)量，另一種是減小橫移量計算的參考點與檢測系統(tǒng)中各光學元件間的距離。因而亟待提供一種這樣的測量裝置。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]本實用新型的目的旨在提供一種高精度的長程面形測量儀，以通過減少測量角度不同時測量光束引起的橫移，從而減小系統(tǒng)誤差。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案:
[0011 ] 一種長程面形測量儀，用于對待測光學器件的表面進行面形檢測，其包括掃描光學頭和f-θ角度檢測系統(tǒng)，
[0012]所述掃描光學頭包括面光源、分束鏡、單孔屏以及平面反射鏡，所述面光源水平放置，所述分束鏡傾斜地設(shè)置在所述面光源下方，所述單孔屏緊貼在所述分束鏡底面，所述平面反射鏡傾斜地設(shè)置在所述單孔屏下方并與所述分束鏡構(gòu)成類五棱鏡結(jié)構(gòu)的雙反射面。
[0013]進一步地，所述掃描光學頭還包括殼體，所述面光源、分束鏡、單孔屏以及平面反射鏡均設(shè)置在所述殼體中。
[0014]進一步地，所述f-θ角度檢測系統(tǒng)包括一傅里葉變換透鏡和一面陣探測器，所述傅里葉變換透鏡設(shè)置為將自所述平面反射鏡反射的光束匯聚后傳輸至所述面陣探測器，并在所述面陣探測器上形成所述測量光斑。
[0015]優(yōu)選地，所述面光源為非相干面光源。
[0016]優(yōu)選地，該測量儀還包括光學平臺和線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學平臺上，所述掃描光學頭安裝在所述線性平移臺上。
[0017]本實用新型在測量時，將自待測光學器件表面反射的不同角度的測量光束均經(jīng)過單孔屏的屏孔處的光束鏡，因而應(yīng)將單孔屏的屏孔中心點作為檢測儀中各光學元件橫移量的計算參考點。與現(xiàn)有技術(shù)中以待測光學器件測量點為橫移量計算參考點的方案相比，本實用新型通過將參考點轉(zhuǎn)移至單孔屏的屏孔中心點而使得各光學元件與參考點之間的距離大大縮短，從而減少了測量光束在各光學元件上的橫移量，進而減小了由橫移引入的系統(tǒng)誤差。此外，本實用新型中用到的折射、反射光學器件只有分束鏡和平面反射鏡，但由于分束鏡緊貼單孔屏設(shè)置，只有處于單孔屏的屏孔處的分束鏡區(qū)域會被用到，因而待測光學器件上不同測量點反射的光束都將經(jīng)過分束鏡的相同區(qū)域，雖然這個區(qū)域會引入誤差，但該誤差對于每個測量點都相同，因而可以認為分束鏡對于不同角度的測量值引入了相同的誤差，由于引入的相同誤差對測量結(jié)果的相對變化量沒有影響，所以在本實用新型中分束鏡并不貢獻系統(tǒng)誤差，真正引入誤差的只有平面反射鏡，由此減少了引入系統(tǒng)誤差的光學元件數(shù)目。
【附圖說明】
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中pp-LTP的光學結(jié)構(gòu)不意圖；
[0019]圖2a和2b為面光源鏡面反射光學原理圖，其中，圖2a為平面鏡處于水平位置，圖2b為平面鏡處于傾斜位置；
[0020]圖3為本實用新型的一種長程面形測量儀的光學結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4a和4b為本實用新型的掃描光學頭中的光路傳播示意圖，其中，圖4a為入射至待測光學器件的光路圖，圖4b為待測光學器件反射后的光路圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖，給出本實用新型的較佳實施例，并予以詳細描述。
[0023]眾所周知，如圖2a所示，若將一面光源100水平放置于孔200之后，則面光源100發(fā)出的光束通過孔200部分經(jīng)過平面鏡300反射后可以看成是由平面鏡300鏡面對光源100所成的像100A發(fā)出并透過孔像200A的光束。由鏡面反射原理可知，鏡面反射后通過孔200與孔像200A中心位置的光束必然沿平面鏡300法線方向傳播，所以鏡面反射后通過孔200的光束是一束沿鏡面法線方向傳播并具有微小發(fā)散角的細光束，其發(fā)散角的大小由孔200的直徑及孔200到平面鏡300鏡面間的距離決定。若平面鏡300發(fā)生角度改變，如圖2b所示，面光源100的像100A的位置及孔像200A的位置也會隨之改變，但此時面光源100發(fā)出的光束經(jīng)過平面鏡300反射后依然可以看成是由平面鏡300鏡面對光源100所成的像100A發(fā)出并通過孔像200A的光束，因此鏡面反射回孔200的光束依然是一束沿鏡面法線方向傳播并具有微小發(fā)散角的細光束。
[0024]基于上述原理，本實用新型提供了一種高精度的長程面形測量儀。在圖3所示的實施例中，該測量儀包括掃描光學頭(也稱移動光學頭)1、待測光學器件2、光學平臺3、線性平移臺4以及由傅里葉變換透鏡10和面陣探測器11組成的f-θ角度檢測系統(tǒng)。其中，光學平臺3采用現(xiàn)有LTP中常見的光學平臺實現(xiàn)，線性平移臺4水平設(shè)置于光學平臺3上方，掃描光學頭I固定至線性平移臺4上并隨線性平移臺4水平移動以對待測光學器件2進行水平掃描測量(掃描方向如圖3中箭頭所示)。
[0025]再請參閱圖3，在本實施例中，掃描光學頭I包括殼體12及安裝在殼體12中的面光源5、分束鏡6、單孔屏7、平面反射鏡8四部分。其中，面光源5水平放置;分束鏡6與面光源成22.5度設(shè)置在面光源5下方;單孔屏7緊貼在分束鏡6底面;平面反射鏡8設(shè)置在單孔屏7下方并與分束鏡6如此構(gòu)成類五棱鏡(也稱等效五棱鏡)結(jié)構(gòu)的雙反射面，該雙反射面可用于對測量光束進行90°偏轉(zhuǎn)。
[0026]在對待測光學器件2進行面形檢測時，首先如圖4a所示，面光源5發(fā)出的光束透過分束鏡6后，穿過單孔屏7屏孔9的部分光束13被投射到待測光學器件2上。然后如圖4b所示，待測光學器件2表面反射回光束14至單孔屏7，但光束14只有投射到單孔屏7的屏孔9部分能通過單孔屏7。根據(jù)圖2a和2b所示的鏡面反射原理，面光源5出射并通過單孔屏7的光束13經(jīng)待測光學器件2表面反射后能通過單孔屏的光束14必然是一束沿待測光學器件2表面上測量點處法線方向傳播并具有微小發(fā)散角的細光束。當細光束14通過單孔屏7后，被緊貼單孔屏7放置的分束鏡6反射，并再次通過單孔屏7后到達平面反射鏡8，平面反射鏡8再將入射的光束以垂直于待測光學器件2上測量點處法線方向的角度反射到f-θ角度檢測系統(tǒng)以進行角度測量。
[0027]此外，在本實用新型中，面光源5處于測量光路的后側(cè)，因而可以將面光源5與分束鏡6盡可能緊湊放置，以減少對面光源5的尺寸要求，擴大光路系統(tǒng)量程。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于:
[0029]1、傳統(tǒng)長程面形儀，如圖1的pp-LTP，需要光源I’具有較好的方向性，常用激光來做光源；而本系統(tǒng)對光源方向性沒有要求，面光源5可采用非相干面光源，這樣有利于減少激光在傳播過程中由于空氣中的雜質(zhì)或屏孔衍射引入的衍射干擾。
[°03°] 2、傳統(tǒng)長程面形儀光路中有多個光學器件，如圖1中包括五棱鏡5’和分束鏡3’，它們具有多個光學面，而且它們本身又是折射率不均勻的透射體，這些均會因測量光束橫移引入系統(tǒng)誤差;而在本系統(tǒng)移動光學頭中，引起測量光束偏離理想方向的光學元件只有分束鏡6和平面反射鏡8，但由于單孔屏7與分束鏡6緊貼設(shè)置，只有處于單孔屏7的屏孔9處的分束鏡6區(qū)域會被用到，因而在整個測量過程中待測光學器件2上不同測量點反射的光束都將通過分束鏡6的相同區(qū)域，雖然這個區(qū)域會引入誤差，但該誤差對于每個測量點都相同，因而可以認為分束鏡6對于不同角度的測量值引入了相同的誤差，所以分束鏡6引入的系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的相對變化量沒有影響，也就是說，分束鏡6并不貢獻系統(tǒng)誤差，由此減少了引入系統(tǒng)誤差的光學元件數(shù)目。
[0031]3、傳統(tǒng)長程面形儀橫移計算起點是待測光學器件上的測量點，所以很難通過減少橫移量的計算參考點與系統(tǒng)光學元件間的幾何光程達到減少橫移量的目的；而在本實用新型中，通過將橫移量的計算參考點轉(zhuǎn)移至單孔屏7的屏孔中心點O而使得各光學元件，如與單孔屏7緊湊設(shè)置的平面反射鏡8，與參考點之間的距離大大縮短，從而減少了測量光束在光學元件上的橫移量，進而減小了由橫移引入的系統(tǒng)誤差。
[0032]4、傳統(tǒng)長程面形儀的光學結(jié)構(gòu)在測量過程中會伴隨有輕微振動，振動會造成測量光束產(chǎn)生偏差;而在本實用新型中，采用面光源5、分束鏡6、單孔屏7構(gòu)成的光學結(jié)構(gòu)所獲得的測量光束14是一束以待測光學器件2上測量點處法線方向傳播的具有微小發(fā)散角的細光束，在任何振動狀態(tài)下所述細光束的方向始終指示待測光學器件2上測量點處的法線方向，同時由分束鏡6與平面反射鏡8組成的類五棱鏡雙反射面具有較強的抗振性，所以本實用新型采用的光學結(jié)構(gòu)對于振動特別是來自線性平移臺4的振動具有很強的抗振性。
[0033]5、在傳統(tǒng)的基于激光光源的長程面形儀中，由于激光光束的方向漂移會引入指向性誤差;而在本實用新型中，經(jīng)過單孔屏7的測量光束是一束以待測光學器件2上測量點處法線方向傳播的具有微小發(fā)散角的細光束14，該細光束14始終指向待測光學器件2上測量點處法線方向，所以本實用新型中不存在因光源出射光束角度漂移引入的指向性誤差問題。
[0034]以上所述的，僅為本實用新型的較佳實施例，并非用以限定本實用新型的范圍，本實用新型的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本實用新型的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本實用新型權(quán)利要求保護范圍。本實用新型未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種長程面形測量儀，用于對待測光學器件的表面進行面形檢測，其包括掃描光學頭和f-θ角度檢測系統(tǒng)，其特征在于， 所述掃描光學頭包括面光源、分束鏡、單孔屏以及平面反射鏡，所述面光源水平放置，所述分束鏡傾斜地設(shè)置在所述面光源下方，所述單孔屏緊貼在所述分束鏡底面，所述平面反射鏡傾斜地設(shè)置在所述單孔屏下方并與所述分束鏡構(gòu)成類五棱鏡結(jié)構(gòu)的雙反射面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程面形測量儀，其特征在于，所述掃描光學頭還包括殼體，所述面光源、分束鏡、單孔屏以及平面反射鏡均設(shè)置在所述殼體中。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程面形測量儀，其特征在于，所述f-θ角度檢測系統(tǒng)包括一傅里葉變換透鏡和一面陣探測器，所述傅里葉變換透鏡設(shè)置為將自所述平面反射鏡反射的光束匯聚后傳輸至所述面陣探測器，并在所述面陣探測器上形成測量光斑。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程面形測量儀，其特征在于，所述面光源為非相干面光源。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程面形測量儀，其特征在于，該測量儀還包括光學平臺和線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學平臺上，所述掃描光學頭安裝在所述線性平移臺上。
【文檔編號】G01B11/24GK205642307SQ201620138630
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年2月24日
【發(fā)明人】彭川黔, 何玉梅, 王劼
【申請人】中國科學院上海應(yīng)用物理研究所