一種長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，包括移動光學(xué)頭和f-θ角度檢測系統(tǒng)，所述移動光學(xué)頭包括尾纖以及形成等效五棱鏡的分束鏡和凹面鏡，其中，所述移動光學(xué)頭設(shè)置為通過所述尾纖將輸入的光束出射，以使所述光束透過所述分束鏡后入射到待測光學(xué)器件的表面上，再經(jīng)所述待測光學(xué)器件的表面反射回所述分束鏡，并通過所述分束鏡將部分反射回的所述光束反射到所述凹面鏡，并通過所述凹面鏡沿垂直于所述待測光學(xué)器件表面對應(yīng)測量點的法線的方向反射至所述f-θ角度檢測系統(tǒng)，以在所述f-θ角度檢測系統(tǒng)中形成測量光斑。本實用新型減少了引入誤差的反射、透射光學(xué)器件的數(shù)目，并減少了測量不同角度時測量光束橫移引入的系統(tǒng)誤差，提高了測量精度。
【專利說明】
一種長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)
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，特別涉及一種長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于X射線具有很強的穿透性，因而在很多應(yīng)用領(lǐng)域均有采用，例如:同步輻射光源、自由電子激光、大型天文望遠(yuǎn)鏡等均會采用長度達(dá)I米左右的大尺寸反射鏡面對X射線進(jìn)行反射或聚焦，為了保證X射線的光學(xué)品質(zhì)(如方向性、相干性)，或為了將X射線聚焦到納米量級的光斑，通常要求這些大尺寸反射鏡面具有納米級的高精度和納弧度級的傾斜度精度。
[0003]對于如此高精度的大尺寸鏡面而言，其加工和檢測都是世界性難題，而檢測又是加工高精度鏡面的前提?；诩?xì)光束掃描測量的長行程面形儀(Long Trace Profile,LTP)是目前檢測此類大尺寸高精度鏡面面形的主要儀器之一，其通過引入一束準(zhǔn)直細(xì)光束對待測光學(xué)器件表面經(jīng)行逐點掃描，然后通過依次測量待測光學(xué)器件表面上各測量點反射光束的角度變化值來對光學(xué)器件面形進(jìn)行檢測。
[0004]雖然長行程面形儀只能對待測面形進(jìn)行一維檢測，只能檢測低頻面形信息，而且檢測過程耗時長，但由于其具有采用非接觸檢測模式、不需要大尺度的光學(xué)參考元件、投入成本相對較低、能對大尺寸高精度面形進(jìn)行檢測等優(yōu)點，在過去的20多年長行程面形儀得到了長足發(fā)展，出現(xiàn)了 1^?-1、1^?-11、1^?^?-1^?(五棱鏡長行程面形儀)、在線1^?、多功能LTP、N0M(納米光學(xué)檢測儀)等基于細(xì)光束掃描檢測原理的長行程面形儀。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(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呔确瓷溏R面的檢測提出了更高的要求，如在第三代同步輻射線站建設(shè)及自由電子激光等領(lǐng)域，為了保證X射線的高通量、高相空間亮度、高相干性，要求所用到的反射鏡面的面形誤差低于0.lurad。
[0006]在對此類高精度、大尺度、大曲率的面形進(jìn)行更高要求檢測時，現(xiàn)有長行程面形儀檢測系統(tǒng)中各光學(xué)元件引入的誤差逐漸顯現(xiàn)出來，成為檢測精度提高的主要制約因素之
O
[0007]已知的是，檢測系統(tǒng)中光學(xué)元件誤差主要表現(xiàn)在兩個方面:1、透射光學(xué)元件折射率不均勻，當(dāng)檢測光束入射到這類光學(xué)元件上時，不同位置的入射光束會產(chǎn)生不同角度的偏折;2、反射光學(xué)元件反射面不理想，測量光束在這類反射面的不同位置會產(chǎn)生與理想反射角度不同的角度偏離。
[0008]在運用長行程面形儀對待測鏡面進(jìn)行檢測時，只有角度的相對變化量是有意義的，如果在測量不同角度時各光學(xué)元件引入的誤差相同或差別很小，對角度的相對變化值而言這類系統(tǒng)誤差是可以忽略的。但在實際測量時，測量光束將隨著測量角度的變化在系統(tǒng)中各光學(xué)器件上產(chǎn)生橫移。如圖1所示的PP-LTP，其包括激光光源I’、固定光學(xué)頭、移動光學(xué)頭以及f-θ角度檢測系統(tǒng)，固定光學(xué)頭包括位相板2’、分束鏡3 ’和平面反射鏡4’，移動光學(xué)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(dāng)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(xué)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(xué)器件距離待測鏡面6’上測量點的幾何光程越遠(yuǎn)，測量光束在該光學(xué)器件上的橫移量越大，正是這種橫移使得系統(tǒng)中各光學(xué)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(xué)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。
[0009]在現(xiàn)實中，完美的光學(xué)器件是沒有的，如果能通過特殊的設(shè)計減少系統(tǒng)中所用到的光學(xué)器件，且對于剩下的光學(xué)器件減少測量光束在該光學(xué)器件上的橫移，則可極大的減少或消除此類系統(tǒng)誤差。因此亟待提供一種這樣的檢測系統(tǒng)。
【實用新型內(nèi)容】
[0010]本實用新型的目的旨在提供一種高精度的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，以減少檢測系統(tǒng)中引入誤差的反射、透射光學(xué)器件的數(shù)目，并減少測量不同角度時測量光束橫移引入的系統(tǒng)誤差。
[0011 ]為實現(xiàn)以上目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案:
[0012]—種長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，包括移動光學(xué)頭和f-θ角度檢測系統(tǒng)，其中，
[0013]所述移動光學(xué)頭包括一尾纖以及形成等效五棱鏡的一分束鏡和一凹面鏡，其中，所述移動光學(xué)頭設(shè)置為通過尾纖將輸入的光束出射，以使所述光束透過所述分束鏡后入射到待測光學(xué)器件的表面上，再經(jīng)所述待測光學(xué)器件的表面反射回所述分束鏡，并通過所述分束鏡為將部分反射回的所述光束反射到所述凹面鏡，并通過所述凹面鏡沿垂直于所述待測光學(xué)器件表面對應(yīng)測量點的法線的方向反射至所述f-θ角度檢測系統(tǒng)，以在所述f-θ角度檢測系統(tǒng)中形成測量光斑。
[0014]優(yōu)選地，所述尾纖的光束出射點經(jīng)所述分束鏡透射成像的像點與所述凹面鏡經(jīng)所述分束鏡反射成像的中心點重合。
[0015]優(yōu)選地，所述凹面鏡與所述尾纖的光束出射點的幾何光程等于所述凹面鏡的焦距，
[0016]進(jìn)一步地，所述f-θ角度檢測系統(tǒng)包括傅里葉變換透鏡和面陣探測器，所述傅里葉變換透鏡設(shè)置為將自所述凹面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。
[0017]進(jìn)一步地，所述面形檢測系統(tǒng)還包括耦合光纖和光源，且所述耦合光纖連接在所述尾纖的入射端與所述光源之間。
[0018]優(yōu)選地，所述光源為非相干光源。
[0019]進(jìn)一步地，所述面形檢測系統(tǒng)還包括光學(xué)平臺和線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學(xué)平臺上，所述移動光學(xué)頭安裝在所述線性平移臺。
[0020]優(yōu)選地，所述f-θ角度檢測系統(tǒng)設(shè)置在所述光學(xué)平臺的側(cè)壁上。
[0021 ]優(yōu)選地，所述移動光學(xué)頭還包括一殼體，所述尾纖、分束鏡和凹面鏡設(shè)置在所述殼體中。
[0022]優(yōu)選地，所述凹面鏡的口徑約為所述測量光斑的兩倍。
[0023]綜上所述，本實用新型的移動光學(xué)頭中的折射、反射光學(xué)器件只有分束鏡及凹面鏡，由于在不同角度測量時凹面鏡的整個光學(xué)面均會用到，因此可以認(rèn)為凹面鏡對于不同角度的測量值引入了相同的誤差，所以凹面鏡引入的系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的相對變化量沒有影響，也就是說，系統(tǒng)中真正引入誤差的只有分束鏡，由此減少了引入系統(tǒng)誤差的光學(xué)元件數(shù)目。此外，在本實用新型的測量過程中，不同角度的測量光束均通過凹面鏡的中心點反射至f-θ角度檢測系統(tǒng)形成測量光斑，因而與現(xiàn)有技術(shù)相比，橫移量的計算參考點由待測光學(xué)器件的測量點轉(zhuǎn)移到了凹面鏡的中心點，由于分束鏡與凹面鏡均位于移動光學(xué)頭中并形成了等效五棱鏡，因而兩者結(jié)構(gòu)緊湊間距較小，從而減少了光束在分束鏡上的橫移量，進(jìn)而減少由橫移引入的系統(tǒng)誤差。
【附圖說明】
[0024]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中pp-LTP的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2a和2b為點光源鏡面反射光學(xué)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；
[0026]圖3為本實用新型的一種長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為本實用新型中的光路傳播示意圖。
【具體實施方式】
[0028]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(xì)描述。
[0029]在本領(lǐng)域中已知的是，如圖2a所示，若將一點光源100放置于孔200的中心處，則點光源100發(fā)出的光束經(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)出的光束。由鏡面反射原理可知，鏡面反射后通過孔200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)散角的錐形光束，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，點光源100的像100A的位置也會隨之改變，但此時點光源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)散角的錐形光束。
[0030]基于上述原理，本實用新型提供了一種高精度長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)。在圖3-4所示的實施例中，該檢測系統(tǒng)包括移動光學(xué)頭1、待測光學(xué)器件2、光學(xué)平臺3、線性平移臺4、光源5、耦合光纖13及f-θ角度檢測系統(tǒng)。其中，f-θ角度檢測系統(tǒng)包括傅里葉變換透鏡7和面陣探測器8，不同方向入射的平行光束經(jīng)傅里葉變換透鏡7后會匯聚到面陣探測器8的不同位置，與傅里葉變換透鏡7的光軸成Θ角入射的光束在面陣探測器8上測量光斑偏離光軸位移為d，它們之間滿足tan(0)=d/f，其中f為傅里葉變換透鏡7的焦距，則通過測量f-θ系統(tǒng)中d的改變量從而可以得到Θ的測量值。
[0031]如圖3所示，光學(xué)平臺3采用現(xiàn)有LTP中常用的凹形光學(xué)平臺，待測光學(xué)器件2水平設(shè)置于光學(xué)平臺3上，線性平移臺4水平設(shè)置于光學(xué)平臺3的側(cè)壁上，移動光學(xué)頭I固定于線性平移臺4上并隨線性平移臺4水平移動以對待測光學(xué)器件2進(jìn)行水平掃描測量(掃描方向如圖3中箭頭所示)，f-0角度檢測系統(tǒng)水平設(shè)置在光學(xué)平臺3側(cè)壁上。
[0032]本實用新型的移動光學(xué)頭I包括殼體12以及安裝在殼體12中的尾纖9、分束鏡10和凹面鏡11。
[0033]如圖4所示，尾纖9作為點光源使用，通過適當(dāng)配置移動光學(xué)頭I中各光學(xué)元件的位置及角度，使得尾纖9的光束出射點經(jīng)分束鏡10透射成像(尾纖9的成像標(biāo)示為圖4中的9A)的像點與凹面鏡11經(jīng)分束鏡10反射成像(圖4中凹面鏡11的像標(biāo)示為11A)的中心點0重合。在本實用新型中，凹面鏡11的口徑較小(一般約為測量光斑的兩倍，即，若需要直徑Imm的測量光斑，則凹面鏡11的口徑約為2_，具體口徑可以根據(jù)實際需要選擇)，所以可以認(rèn)為凹面鏡11反射所成的像IlA相當(dāng)于圖2中的孔200，此時由尾纖9出射的光束14可以看成是由凹面鏡11反射所成的像IlA的中心點出射的光束，因而該光束經(jīng)待測光學(xué)器件2反射后再回到凹面鏡像IlA的光束是一束沿測量點法線方向傳播并具有微小發(fā)散角的錐形光束。
[0034]另外，在本實用新型中，凹面鏡11與分束鏡10被配置為構(gòu)成(等效五棱鏡)類五棱鏡的雙反射面結(jié)構(gòu)，使得該雙反射面結(jié)構(gòu)可用于對入射光束進(jìn)行90°偏轉(zhuǎn);凹面鏡11與尾纖9的光束出射點的幾何光程被設(shè)置為等于凹面鏡11的焦距，使得凹面鏡11可用于對錐形光束進(jìn)行準(zhǔn)直。通過對經(jīng)待測光學(xué)器件2反射后的錐形光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和準(zhǔn)直操作，使得其可以沿垂直相應(yīng)測量點法線的方向入射到圖3所示的f-θ角度檢測系統(tǒng)。
[0035]在使用本實用新型對待測光學(xué)器件2進(jìn)行面形檢測時，結(jié)合圖3和圖4所示，光源5發(fā)出的光束首先經(jīng)耦合光纖13傳播到移動光學(xué)頭I的尾纖9中，再從尾纖9出射并透過分束鏡10的透射束光14到達(dá)待測光學(xué)器件2表面;然后待測光學(xué)器件2將透射光束14反射回分束鏡10，這些光束的一部分(凹面鏡口徑小，光束14反射回的光束不可能全部回到凹面鏡)被分束鏡1反射到凹面鏡11，由于凹面鏡11 口徑小，凹面鏡11經(jīng)分束鏡1反射所成的像11A可以視為相當(dāng)于圖2中的孔，因而基于前述鏡面反射原理可知，反射到凹面鏡11的部分光束在被分束鏡10反射前必然是一束沿待測光學(xué)器件2上相應(yīng)測量點處法線方向傳播并具有微小發(fā)散角的錐形光束15;該錐形光束被凹面鏡11準(zhǔn)直后沿垂直相應(yīng)測量點法線的方向入射到圖3所示的f-θ角度檢測系統(tǒng)，最后經(jīng)過傅里葉變換透鏡7匯聚后入射至面陣探測器8上形成測量光斑，以用于測得待測光學(xué)器件2的表面傾斜角度。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于:
[0037]1、傳統(tǒng)長程面形儀如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，光源5可采用非相干光源，從而可以減少激光衍射對角度測量的影響。
[0038]2、傳統(tǒng)長程面形儀光路中有多個光學(xué)器件，如圖1中包括五棱鏡5’和分束鏡7’，它們具有多個光學(xué)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)中，移動光學(xué)頭I上引起測量光束偏離理想方向的光學(xué)元件只有分束鏡10和凹面鏡11，且凹面鏡11的整個光學(xué)面在測量所有角度時均會用到，可以認(rèn)為凹面鏡11對所有測量角度貢獻(xiàn)同樣的系統(tǒng)誤差，換句話說，凹面鏡11對測量角度的差值不貢獻(xiàn)系統(tǒng)誤差，這減少了引入系統(tǒng)誤差的光學(xué)元件數(shù)目。
[0039]3、傳統(tǒng)長程面形儀橫移計算起點是待測光學(xué)器件上的測量點，所以傳統(tǒng)長程面形儀很難通過減少橫移量的計算參考點與系統(tǒng)光學(xué)元件間的幾何光程達(dá)到減少橫移量的目的；而本系統(tǒng)橫移量計算起點在凹面鏡11的中心處，所以可以通過分束鏡10與凹面鏡11緊湊放置即可減少分束鏡11上的橫移量。
[0040]4、基于激光光源的長程面形儀，由于激光光束的方向漂移會引入指向性誤差;本系統(tǒng)由于不需要引入特定方向的參考光源，所以在本系統(tǒng)中不存在光源指向性誤差問題。
[0041]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，皆落入本實用新型的權(quán)利要求保護(hù)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】
1.一種長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，用于對待測光學(xué)器件的表面進(jìn)行面形檢測，包括移動光學(xué)頭和f-θ角度檢測系統(tǒng)，其特征在于: 所述移動光學(xué)頭包括一尾纖以及形成等效五棱鏡的一分束鏡和一凹面鏡，其中移動光學(xué)頭設(shè)置為通過所述尾纖將輸入的光束出射，使光束透過所述分束鏡后入射到待測光學(xué)器件的表面上，再經(jīng)待測光學(xué)器件的表面反射回所述分束鏡，并通過所述分束鏡將部分反射回的光束反射至所述凹面鏡，并通過所述凹面鏡沿垂直于待測光學(xué)器件表面對應(yīng)測量點的法線的方向反射至所述f-θ角度檢測系統(tǒng)，從而在所述f-θ角度檢測系統(tǒng)中形成測量光斑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述尾纖的光束出射點經(jīng)所述分束鏡透射成像的像點，與所述凹面鏡經(jīng)所述分束鏡反射成像的中心點重合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述凹面鏡與所述尾纖的光束出射點的幾何光程等于所述凹面鏡的焦距。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，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)置為將自所述凹面鏡反射的光束匯聚后傳輸至所述面陣探測器，以在所述面陣探測器上形成所述測量光斑。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，還包括一耦合光纖和一光源，且所述耦合光纖連接在所述尾纖的入射端與所述光源之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為非相干光源。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，還包括一光學(xué)平臺和一線性平移臺，所述線性平移臺位于所述光學(xué)平臺上，所述移動光學(xué)頭安裝在所述線性平移臺上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述f-θ角度檢測系統(tǒng)設(shè)置在所述光學(xué)平臺的側(cè)壁上。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述移動光學(xué)頭還包括一殼體，所述尾纖、分束鏡和凹面鏡設(shè)置在所述殼體中。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長程光學(xué)表面面形檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述凹面鏡的口徑為所述測量光斑的兩倍。
【文檔編號】G01B11/24GK205505989SQ201620139375
【公開日】2016年8月24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(xué)院上海應(yīng)用物理研究所