本發(fā)明涉及大尺度高精度光學(xué)元件面形檢測，特別涉及一種二維長程面形檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

大尺度光學(xué)表面的應(yīng)用日益廣泛，尤以同步輻射光束線工程和高功率激光系統(tǒng)中的掠入射反射鏡為代表。同步輻射硬X射線光束線上使用的反射鏡長度可以達(dá)到1500mm，且表面質(zhì)量要求很高，面型從平面、柱面到超環(huán)面均有。由于X射線的波長極短，目前的光學(xué)材料只能工作在掠入射狀態(tài)，必須采用很大的入射角(接近90°)才能到較高的反射率，因此同步輻射的光學(xué)元件一般長條狀。

同步輻射用光學(xué)元件使用波段多為硬X射線波段，因?yàn)椴ㄩL很短，因此對表質(zhì)量面要求極高。第三代同步輻射裝置對光學(xué)元件的表面斜率誤差普遍要求小于1μard(RMS)，最高要求小于100nrad(RMS)。如此高精度大尺度的光學(xué)元件加工能力嚴(yán)重依賴于檢測能力，因此高精度大尺度光學(xué)檢測問題一直是國際同步輻射光學(xué)界以及光學(xué)元件加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

同步輻射光學(xué)元件準(zhǔn)直或聚焦時(shí)子午方向曲率半徑往往較大，通常使用數(shù)公里甚至更大，這時(shí)多使用壓彎機(jī)構(gòu)對長反射鏡進(jìn)行子午方向壓彎，形成圓柱或橢圓柱面等形狀。壓彎方向分為向上、側(cè)向和向下三種，即壓彎時(shí)反射鏡的鏡面方向可能有三種取向。壓彎機(jī)構(gòu)的檢測需要在不同壓力下測試壓彎系統(tǒng)壓出的曲率半徑以及面形斜率誤差是否達(dá)標(biāo)，測試過程需要不斷調(diào)整壓彎機(jī)構(gòu)的各種參數(shù)，每次調(diào)整完后需對整個(gè)反射鏡進(jìn)行重新檢測，直到得到理想的壓彎曲率半徑和斜率誤差分布。

現(xiàn)有的面形檢測手段主要有長程面形儀(Long trace profiler-LTP)、干涉儀拼接、夏克-哈特曼(Shark-Hartmann)波前傳感器拼接、干涉儀斜入射法、納弧度測量儀(Nanometer Optical component Measuring Machine-NOM)等。LTP和NOM均為一維掃描測量，區(qū)別為LTP采用自行設(shè)計(jì)的各種光路得到待測表面的斜率信息，檢測精度可達(dá)到0.2μard；NOM將LTP中的部分光路用自準(zhǔn)直儀代替，同樣得到待測表面的斜率信息，檢測精度可達(dá)到50nrad。

干涉儀拼接和Shark-Hartmann拼接方法均采用拼接方法得到大尺度光學(xué)元件的表面信息。干涉儀得到的是表面高度分布信息，斜率分布可以通過對高度信息進(jìn)行微分得到；Shark-Hartmann拼接方法得到的是光學(xué)元件表面的斜率信息，通過對結(jié)果積分可以得到表面高度分布信息。拼接方法嚴(yán)重依賴于使用的拼接算法和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)拼接時(shí)每步掃描需要80％以上的面積重合，因此檢測效率低下。

干涉儀斜入射的方法是使用大口徑的激光面形干涉儀對待測表面進(jìn)行斜入射，以擴(kuò)大待測面積。該方法測量精度依賴于干涉儀本身的精度，同時(shí)由于檢測時(shí)干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡與干涉儀距離過大，無法得到高的檢測精度。因該方法成本較低，檢測時(shí)間較短，多用于工廠生產(chǎn)檢測中，用于檢測表面斜率誤差要求不高的反射鏡。

現(xiàn)有面形檢測方法存在的問題主要有，一維掃描檢測方法如LTP和NOM，檢測結(jié)果只能反映反射鏡面上一條線的表面信息，無法得到二維表面信息。而壓彎機(jī)構(gòu)檢測的一個(gè)重要指標(biāo)——表面扭曲，其反映壓彎時(shí)反射鏡面是否發(fā)生扭曲，這一技術(shù)要求對表面信息進(jìn)行二維測量才能得出。干涉儀和Shack—Hartmann方法由于自身設(shè)備的結(jié)構(gòu)原因，難以檢測壓彎機(jī)構(gòu)，也不適用于表面曲率半徑較小的非平面光學(xué)元件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述已有檢測技術(shù)的不足，提供一種二維長程面形檢測裝置及檢測方法，以通過導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)掃描得到光學(xué)元件表面的二維信息，實(shí)現(xiàn)大尺度光學(xué)元件表面質(zhì)量檢測和高精度壓彎機(jī)構(gòu)檢測。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供一種二維長程面形檢測裝置，用于實(shí)現(xiàn)待測鏡面的面形檢測，其包括單色光光源、二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板、分光棱鏡、導(dǎo)軌、裝設(shè)于導(dǎo)軌上的五角棱鏡、透鏡、直角棱鏡模塊以及面陣探測器；

其中，所述單色光光源設(shè)置為出射一光束，該光束穿過所述二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板入射到所述分光棱鏡，經(jīng)所述分光棱鏡分光后入射到所述五角棱鏡，經(jīng)所述五角棱鏡折射后入射到所述待測鏡面，而后經(jīng)所述待測鏡面反射回所述五角棱鏡，再次經(jīng)所述五角棱鏡折射后依次穿過所述分光棱鏡、所述透鏡和所述直角棱鏡模塊到達(dá)所述面陣探測器，并在所述面陣探測器上形成測量光斑。

優(yōu)選地，所述單色光光源為半導(dǎo)體激光器或氦氖激光器。

優(yōu)選地，所述二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板呈一字型或十字型。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)軌為機(jī)械導(dǎo)軌或氣浮導(dǎo)軌。

優(yōu)選地，所述透鏡為f-θ型透鏡。

優(yōu)選地，所述直角棱鏡模塊包括多個(gè)直角棱鏡。

優(yōu)選地，所述面陣探測器CCD探測器或CMOS型探測器。

本發(fā)明另一方面提供一種二維長程面形檢測方法，該方法利用前述的二維長程面形檢測裝置實(shí)現(xiàn)待測鏡面的面形檢測，包括以下步驟：

步驟S1，首先通過所述單色光光源出射一光束，以使該光束穿過所述二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板入射到所述分光棱鏡，經(jīng)所述分光棱鏡分光后入射到所述五角棱鏡，經(jīng)所述五角棱鏡折射后入射到所述待測鏡面，而后經(jīng)所述待測鏡面反射回所述五角棱鏡，再次經(jīng)所述五角棱鏡折射后依次穿過所述分光棱鏡、所述透鏡和所述直角棱鏡模塊到達(dá)所述面陣探測器，并在所述面陣探測器上形成測量光斑，然后確定所述測量光斑在所述面陣探測器上的位置；

步驟S2，將所述導(dǎo)軌沿所述待測鏡面不斷移動(dòng)，并且每移動(dòng)一次所述導(dǎo)軌則重復(fù)執(zhí)行一次所述步驟S1，以得到所述測量光斑在所述面陣探測器上的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)量；以及

步驟S3，將所述測量光斑的運(yùn)動(dòng)量乘以標(biāo)定的斜率系數(shù)得到所述待測鏡面的斜率分布，并通過對所述斜率進(jìn)行積分得到所述待測鏡面的高度分布。

優(yōu)選地，所述步驟1通過投影輪廓法確定所述測量光斑在所述面陣探測器上的位置。

優(yōu)選地，所述步驟1結(jié)合投影輪廓法與像素細(xì)分法確定所述測量光斑在所述面陣探測器上的位置。

通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

首先，本發(fā)明利用多個(gè)二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板產(chǎn)生遠(yuǎn)場十字暗線陣列，可以得到待測鏡面的二維信息，從而能夠快速實(shí)現(xiàn)對大尺度高精度待測鏡面的二維高精度掃描測量，以得到待測表面的二維斜率分布和高度分布信息；其次，本發(fā)明采用的五角棱鏡的特性是使入射的光束轉(zhuǎn)折90°，當(dāng)五角棱鏡的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)也不會影響出射光的角度，因此本發(fā)明對環(huán)境振動(dòng)不敏感，測量精度受環(huán)境振動(dòng)影響不大；再次，本發(fā)明具有自糾正能力，不需要額外增加參考光束，可以消除導(dǎo)軌或環(huán)境振動(dòng)引起的五角棱鏡晃動(dòng)所帶來的誤差；最后，通過遮擋二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板的部分位相結(jié)構(gòu)，使其僅留一個(gè)單元的位相結(jié)構(gòu)，或者通過軟件將其它單元的位相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的測量光束屏蔽，使其僅留一個(gè)單元的測量光束，可以實(shí)現(xiàn)高精度一維掃描測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明二維長程面形檢測裝置的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中的二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板的遠(yuǎn)場效果圖；

圖4為本發(fā)明中的二維π位相板進(jìn)行一維掃描時(shí)得到的高精度結(jié)果曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1-4，給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地理解本發(fā)明的功能、特點(diǎn)。

如圖1所示，本發(fā)明的二維長程面形檢測裝置包括半導(dǎo)體激光器1、二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2、分光棱鏡3、導(dǎo)軌(未示出)、裝設(shè)于導(dǎo)軌上的五角棱鏡4、透鏡5、直角棱鏡模塊以及CCD探測器11。其中，CCD探測器11也可以采用CMOS型探測器或其它具有高分辨率的面陣探測器；半導(dǎo)體激光器1也可以采用氦氖激光器1或其它單色光光源；二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2可以采用“一”字型、“十”字型或其它類型的幾何結(jié)構(gòu)；透鏡5為針對半導(dǎo)體激光器1的特定波長優(yōu)化設(shè)計(jì)的f-θ型透鏡5；直角棱鏡模塊包括多個(gè)直角棱鏡6、7、8、9、10；導(dǎo)軌可以采用高精度的氣浮導(dǎo)軌，也可以采用普通的機(jī)械式導(dǎo)軌，因?yàn)槲褰抢忡R4的加工精度足夠?qū)ζ涓┭鲞\(yùn)動(dòng)誤差不敏感。

上述檢測裝置的光路原理為：半導(dǎo)體激光器1出射的準(zhǔn)直激光束照射到二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2上，其遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布為中心為十字暗線的光斑(見圖3)；而后該光束經(jīng)分光棱鏡3后，其中一束照射到安裝在導(dǎo)軌上的五角棱鏡4上，經(jīng)由五角棱鏡4轉(zhuǎn)折后照射到待測鏡面12上，并經(jīng)待測鏡面12反射后再次經(jīng)過五角棱鏡4轉(zhuǎn)折照射到分光棱鏡3上，而后經(jīng)過透鏡5后，再經(jīng)直角棱鏡6、7、8、9、10到達(dá)CCD探測器11。當(dāng)導(dǎo)軌帶動(dòng)五角棱鏡4沿待測鏡面12掃描測量時(shí)，測量光斑在CCD探測器11上不斷運(yùn)動(dòng)，通過測量出測量光斑在CCD探測器11上的運(yùn)動(dòng)量，并將運(yùn)動(dòng)量乘以標(biāo)定的斜率系數(shù)，即可得到待測鏡面12的斜率分布，再通過對斜率積分即得到待測表面的高度分布。

前述斜率系數(shù)可以通過已有的設(shè)備或技術(shù)進(jìn)行標(biāo)定，如采用高精度自準(zhǔn)直儀、雙頻激光干涉儀等，也可以采用微位移裝置產(chǎn)生微小角度進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，在本發(fā)明裝置基礎(chǔ)上增設(shè)兩塊反射鏡，一塊用于本發(fā)明自測，一塊用于自準(zhǔn)直儀測量。兩塊反射鏡放置于一個(gè)一維傾斜臺上，調(diào)整傾斜臺角度，讀出自準(zhǔn)直儀反映的角度值，同時(shí)讀出本發(fā)明測量得到的測量光斑運(yùn)動(dòng)量對應(yīng)的像素?cái)?shù)，利用角度值除以像素?cái)?shù)，可得到標(biāo)定斜率系數(shù)。該像素?cái)?shù)乘以標(biāo)定系數(shù)即得到待測鏡面12的斜率信息，進(jìn)一步對斜率進(jìn)行積分可得到待測鏡面12的高度分布信息。每一個(gè)十字暗線的處理算法相同，最終得到待測鏡面12的二維斜率分布和高度分布信息，待測光學(xué)元件的二維尺寸決定于二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2的尺寸。

本發(fā)明采用的二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2為針對半導(dǎo)體激光器1的特定波長的位相調(diào)制器。二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中黑格表示π位相，白格表示0位相，其產(chǎn)生的遠(yuǎn)場衍射圖如圖3所示，通過合適的圖像處理算法可以得到其每一個(gè)十字暗線在CCD探測器上的唯一位置坐標(biāo)。上述圖像處理算法優(yōu)選采用投影輪廓法，具體步驟包括：對測量光斑在垂直的兩個(gè)方向上投影，以得到其輪廓曲線，由于光斑中心為十字暗線，因此兩個(gè)方向的投影均為中心最低的一個(gè)曲線形狀，通過確定輪廓曲線的中心最低點(diǎn)即可就得測量光斑的具體位置。本發(fā)明還可以在投影輪廓法的基礎(chǔ)上輔助以像素細(xì)分算法時(shí)，以進(jìn)一步提高檢測裝置的分辨率。像素細(xì)分算法是利用像素的灰度值信息，確定圖像邊緣像素的具體位置，使邊緣定位更準(zhǔn)確，邊緣位置確定可以使用已有的插值算法或矩陣算法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)僅采用投影輪廓法不輔助像素細(xì)分法時(shí)僅能定位到一個(gè)像素，若結(jié)合像素細(xì)分法后可以定位到0.1個(gè)像素。

在需要時(shí)，通過調(diào)整二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2的結(jié)構(gòu)或軟件算法，本發(fā)明的二維長程面形檢測裝置也可用于一維測量。其中，結(jié)構(gòu)上的調(diào)整是指通過遮擋二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2的部分位相結(jié)構(gòu)，使其僅留一個(gè)單元的位相結(jié)構(gòu)；軟件上的調(diào)整是指通過軟件將其部分單元的位相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的測量光束屏蔽，使其僅留一個(gè)單元的測量光束，從而實(shí)現(xiàn)高精度一維掃描測量

圖4為利用本發(fā)明的二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2對一峰谷值PV為1nm的標(biāo)準(zhǔn)反射鏡進(jìn)行一維掃描得到的測試結(jié)果。該標(biāo)準(zhǔn)鏡出廠檢測結(jié)果PV為1.09nm，RMS為0.22nm；利用本發(fā)明進(jìn)行一維掃描的結(jié)果為PV1.03nm，RMS0.29nm。此檢測結(jié)果說明本發(fā)明具有極高的縱向分辨率和檢測精度。

利用本發(fā)明的檢測裝置實(shí)現(xiàn)二維長程面形檢測的方法包括如下步驟：

步驟S1，首先，通過半導(dǎo)體激光器1出射一光束，以使該光束穿過二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2入射到分光棱鏡3，經(jīng)分光棱鏡3分光后入射到五角棱鏡4，經(jīng)五角棱鏡4折射后入射到待測鏡面12，而后經(jīng)待測鏡面12反射回五角棱鏡4，再次經(jīng)五角棱鏡4折射后依次穿過分光棱鏡3、透鏡5和直角棱鏡6、7、8、9、10到達(dá)CCD探測器11，并在CCD探測器11上形成測量光斑。然后，采用投影輪廓法、或者投影輪廓法與像素細(xì)分法相結(jié)合的方法確定測量光斑在CCD探測器11上的位置；

步驟S2，將導(dǎo)軌沿待測鏡面12不斷移動(dòng)，并且每移動(dòng)一次導(dǎo)軌則重復(fù)執(zhí)行一次步驟S1，以得到測量光斑在CCD探測器11上的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)量；以及

步驟S3，將測量光斑的運(yùn)動(dòng)量乘以標(biāo)定的斜率系數(shù)得到待測鏡面12的斜率分布，并通過對斜率進(jìn)行積分得到待測鏡面12的高度分布。

需要說明的，在進(jìn)行高精度檢測時(shí)，需對環(huán)境氣流及溫度漂移有所控制，因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度升高或降低或有氣流時(shí)，引起的大氣湍流會引入空氣折射率梯度變化，使測量光程發(fā)生變化，從而對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)了高精度的二維掃描測量，不同于傳統(tǒng)的長程面形儀和NOM裝置，本發(fā)明利用二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板2產(chǎn)生遠(yuǎn)場十字暗線陣列，得到待測光學(xué)元件表面的二維信息。

(2)不僅適用于同步輻射使用的大尺度反射鏡表面質(zhì)量檢測，也可以應(yīng)用于其它類型的反射鏡或透射鏡的表面質(zhì)量檢測。

(3)對環(huán)境振動(dòng)不敏感，五角棱鏡4的特性是使入射的光束轉(zhuǎn)折90°，當(dāng)五角棱鏡4的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)也不會影響出射光的角度，而目前商用的機(jī)械或氣浮導(dǎo)軌產(chǎn)生的偏擺角小于10角秒，這么小的角度不會對五角棱鏡4的特性產(chǎn)生影響，因此引入的振動(dòng)則不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

(4)不需要高精度參考光學(xué)元件或高精度參考波前。

(5)因?yàn)椴捎枚S陣列結(jié)構(gòu)π位相板2產(chǎn)生的十字暗線定位，因此激光光源的強(qiáng)度漂移對檢測結(jié)果無影響，因?yàn)楫?dāng)半導(dǎo)體激光器1光強(qiáng)出現(xiàn)漂移時(shí)，通過十字π位相板2后的測量光束光強(qiáng)也會相應(yīng)變化，但中心的十字暗線位置不會變化，僅其對比度會有變化，因此半導(dǎo)體激光器1光強(qiáng)漂移對本發(fā)明的測量結(jié)果不會產(chǎn)生影響。

(6)由于十字π位相板2僅對光源的波長敏感，因此本發(fā)明除了可以使用半導(dǎo)體激光器1外，也可使用非相干性的單色光源。

以上記載的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。