CN105737759A - 一种长程面形测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长程面形测量装置，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括移动光学头，该移动光学头包括面光源、单孔屏、分束镜、傅里叶变换透镜及面阵探测器，所述分束镜紧贴在所述单孔屏的上表面，所述单孔屏设置在所述面光源一侧并与所述面光源呈一倾斜角度，使面光源法线方向光束能通过单孔屏屏孔部分分束镜垂直反射到待测光学器件表面，所述傅里叶变换透镜水平设置在所述分束镜上方，所述面阵探测器水平设置在所述傅里叶变换透镜上方。本发明减少了测量不同角度时测量光束横移引入的***误差，从而提高了测量精度。

Description

一种长程面形测量装置

技术领域

本发明涉及高精度镜面面形检测领域，特别涉及一种长程面形测量装置。

背景技术

在同步辐射、大型天文望远镜、极紫外光刻等领域需要用到长度约1m左右、面形误差低于0.1微弧度的细长形、高精度反射镜面，以将x射线聚焦到纳米尺度的光斑。这类用于聚焦的镜面面形好坏直接决定了x射线光斑的品质，因而需要对其进行精确测量。长程面形仪(LongTraceProfile，简称LTP)是用于检测这种大尺寸、高精度镜面面形的主要仪器之一。

长程面型仪本身是由精密光学元件组成的光学***，其工作原理是将一束特定入射方向的参考光束入射到待测光学器件上，通过测量待测光学器件上不同点处反射光束的角度值，从而实现对待测光学器件的面形检测。由于长程面形仪采用非接触测量模式，在测量过程中不会对待测光学器件的反射表面造成损害，且其测量精度高，能实现大尺寸镜面面形的精确检测。因此，在过去的20多年，长程面形仪取得了巨大的发展，出现了LTP-I、LTP-II、LTP-V、PP-LTP(五棱镜长行程面形仪)、在线LTP、多功能LTP、NOM(纳米光学检测仪)等基于细光束扫描检测原理的长行程面形仪。其中NOM是目前世界上精度最高的面形检测仪器之一。

随着科学技术的不断发展，各应用领域对镜面面形检测提出了更高的要求。为了提升长程面形仪的检测能力，需要对其各种***误差进行修正或消除。在这些***误差中，最主要的一类是由于长程面形仪本身光路***中所用到的光学元件与理想光学元件之间的微小差异而引入的，这主要表现在两方面：

1)光路***中的反射光学元件面形与理想反射光学元件面形的微小差异以及透射光学元件折射率不均匀会引入***误差，因为当测量光束入射到非理想光学元件上时，非理想光学元件会导致出射光束的方向与理想出射方向产生微小的偏离，从而引入角度测量误差；

2)被待测光学器件反射回的光束随着测量角度的变化会在***中各光学元件上产生横移，从而引入测量***中同一光学元件上不同点处的误差。

图1示出了现有pp-LTP的光学结构示意图，其包括激光光源1'、固定光学头、移动光学头以及f-θ角度检测***，固定光学头包括位相板2'、分束镜3'和平面反射镜4'，移动光学头包括五棱镜5'，f-θ角度检测***包括FT(傅里叶变换)透镜7'和面阵探测器8'。当光束从五棱镜5'垂直入射到待测镜面6'后，若待测镜面6'上测量点处不水平，反射光线将与入射光线成一定角度反射，设此角度为θ角，则五棱镜5'上的距离s即表示θ等于0°与θ不等于0°时反射光束在五棱镜5'的反射面上产生的横移量。从图1可以看出，测量光束是从待测镜面6'上测量点处开始偏移，所以待测镜面6'上的测量点是pp-LTP中各光学元件横移量计算的参考点，因而对于同样的偏转角度，***中的光学器件距离待测镜面6'上测量点的几何光程越远，测量光束在该光学器件上的横移量越大，正是这种横移使得***中各光学器件引入了不同点的误差。测量***中所用到的透射、反射光学器件越多，测量光束产生的横移量越大，则引入的***误差越大。

理想的光学元件是不可能得到的，为了减小检测仪中由横移引入的***误差，从上述分析可知主要有两种途径，一种是减少检测***中用到的光学元件数量，另一种是减小横移量计算的参考点与检测***中各光学元件间的距离，因而亟待提供一种这样的测量装置。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种高精度的长程面形测量装置，以通过减少测量角度不同时测量光束引起的横移，从而减小***误差。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种长程面形测量装置，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括移动光学头，

所述移动光学头包括面光源、单孔屏、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器，所述面光源竖直设置，所述分束镜紧贴在所述单孔屏的上表面，所述单孔屏设置在所述面光源一侧并与所述面光源呈一倾斜角度，该角度的大小使面光源法线方向光束通过单孔屏屏孔部分分束镜反射到待测光学器件表面，所述傅里叶变换透镜水平设置在所述分束镜上方，所述面阵探测器水平设置在所述傅里叶变换透镜上方。

进一步地，所述移动光学头还包括壳体，所述面光源、单孔屏、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器均设置在所述壳体中。

进一步地，该测量装置还包括固定光学头及平面反射镜，所述平面反射镜固定在所述移动光学头上，所述固定光学头设置为向所述平面反射镜投射参考光束，并检测经所述平面反射镜反射的光束。

优选地，所述固定光学头为自准直仪或f-θ角度检测***。

优选地，所述面光源为非相干面光源。

进一步地，该测量装置还包括光学平台和线性平移台，所述线性平移台位于所述光学平台上，所述移动光学头安装在所述线性平移台上。

优选当所述面光源竖直设置时，所述单孔屏与所述面光源的倾斜角度为45°。

本发明在测量时，将自待测光学器件表面反射的不同角度的测量光束均通过单孔屏的屏孔，从而以单孔屏的屏孔中心点为测量装置中各光学元件横移量的计算参考点，进而可以认为测量光束是从单孔屏的屏孔处开始偏移。与现有技术中以待测光学器件测量点为横移量计算参考点的方案相比，本发明通过将参考点转移至单孔屏的屏孔中心点而使得各光学元件与参考点之间的距离大大缩短，从而减少了测量光束在各光学元件上的横移量，进而减小了由横移引入的***误差。此外，本发明中用到的折射、反射光学器件只有分束镜和傅里叶变换透镜，但由于分束镜紧贴单孔屏设置，只有处于单孔屏的屏孔处的分束镜区域会被用到，因而待测光学器件上不同测量点反射的光束都将通过分束镜的相同区域，虽然这个区域会引入误差，但该误差对于每个测量点都相同，因而可以认为分束镜对于不同角度的测量值引入了相同的误差，所以分束镜引入的***误差对测量结果的相对变化量没有影响，只有测量结果的相对变化量对表征待测光学器件的面形有意义，也就是说，分束镜不贡献***误差，本发明中真正引入误差的只有傅里叶变换透镜，由此减少了测量装置中引入***误差的光学元件数目。

附图说明

图1为现有技术中pp-LTP的光学结构示意图；

图2a和2b为面光源镜面反射光学原理图，其中，图2a为平面镜处于水平位置，图2b为平面镜处于倾斜位置；

图3为本发明的一种长程面形测量装置的光学结构示意图；

图4a和4b为本发明的光路传播示意图，其中，图4a为入射至待测光学器件的光路图，图4b为待测光学器件反射后的光路图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

众所周知，如图2a所示，若将一面光源100水平放置于孔200之后，则面光源100发出的光束通过孔200部分经过平面镜300反射后可以看成是由平面镜300镜面对光源100所成的像100A发出并透过孔像200A的光束。由镜面反射原理可知，镜面反射后通过孔200与孔像200A中心位置的光束必然沿平面镜300法线方向传播，所以镜面反射后通过孔200的光束是一束沿镜面法线方向传播并具有微小发散角的细光束，其发散角的大小由孔200的直径及孔200到平面镜300镜面间的距离决定。若平面镜300发生角度改变，如图2b所示，面光源100的像100A的位置及孔像200A的位置也会随之改变，但此时面光源100发出的光束经过平面镜300反射后依然可以看成是由平面镜300镜面对光源100所成的像100A发出并通过孔像200A的光束，因此镜面反射回孔200的光束依然是一束沿镜面法线方向传播并具有微小发散角的细光束。

基于上述原理，本发明提供了一种高精度的长程面形测量装置。在图3所示的实施例中，该测量装置包括移动光学头1、待测光学器件2、光学平台3、线性平移台4、平面反射镜11以及固定光学头12。

如图3所示，本发明的光学平台3采用现有LTP中常见的光学平台实现，其中，线性平移台4水平设置于光学平台3上方，移动光学头1固定至线性平移台4上并随线性平移台4水平移动以对待测光学器件2进行水平扫描测量(扫描方向如图3中箭头所示)；固定光学头12固定于光学平台3的一侧壁上，平面反射镜11固定于移动光学头1的壳体10外壁上，其中固定光学头12与平面反射镜11相对设置，以用于向平面反射镜11投射参考光束并检测该参考光束经平面反射镜11反射后的光束，进而修正移动光学头1在测量过程中振动导致的运动误差影响。在本领域中，采用固定光学头12和平面反射镜11修正移动光学头1运动误差的方案属于已知的技术，在此不再赘述其工作原理。此外，本发明中的固定光学头12可以采用现有的自准直仪或f-θ角度检测***实现，在图3中示出的固定光学头12为自准直仪。

再请参阅图3，本发明的移动光学头1包括壳体10及安装在壳体10中的面光源5、单孔屏6、分束镜7、傅里叶变换透镜8以及面阵探测器9。其中，面光源5竖直设置，单孔屏6设置在面光源5一侧并与面光源呈45°角，分束镜7紧贴在单孔屏6的上表面，傅里叶变换透镜8水平设置在分束镜7上方，面阵探测器9水平设置在傅里叶变换透镜8上方。根据本领域的简单几何光学理论可知，面光源5出射的光束经分束镜7反射后可以看成是分束镜对面光源所成的像5A发出的光束。这里要说明的是，单孔屏与面光源也可以其他角度设置。因为分束镜与单孔屏紧贴放置，需要用分束镜将来自于面光源法线方向的光束反射到待测光学镜面，如果面光源竖直放置，则单孔屏最佳角度为45°，但若面光源有一定倾斜，则单孔屏也应该有一定倾斜，只要单孔屏角度调整到保持面光源法线方向光束能反射到待测光学器件表面即可。

在对待测光学器件2进行面形检测时，首先如图4a所示，面光源5发出的部分光束首先通过单孔屏6的屏孔13入射到单孔屏6后的分束镜7上，再由分束镜7反射形成光束14入射到待测光学器件2的表面；然后如图4b所示，光束15从待测光学器件2反射回。根据图2a和2b所示的镜面反射原理，光束14经待测光学器件2表面反射回并通过单孔屏6的光束15必然是一束沿待测光学器件2表面上测量点处法线方向传播的细光束，该细光束15即为***的测量光束，该测量光束通过分束镜7后经傅里叶变换透镜8汇聚到面阵探测器9上而形成测量光斑，根据该测量光斑的重心位置变化数据即可测得待测光学器件2表面的倾斜角度变化值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用的光路***有利于减少测量光束在各光学元件上的横移量。具体来说，传统长程面形仪横移计算起点是待测光学器件上的测量点，所以很难通过减少横移量的计算参考点与***光学元件间的几何光程达到减少横移量的目的；而在本发明中，由于不同角度的测量光束均通过单孔屏6的屏孔13反射至面阵探测器9而形成测量光斑，因而单孔屏6屏孔13的中心点O即为***中各光学器件的横移量计算参考点，与现有技术中以待测光学器件测量点为横移量计算参考点的方案相比，本发明通过将参考点转移至单孔屏6的屏孔中心点O而使得各光学元件，如与单孔屏10紧凑设置的傅里叶变换透镜8，与参考点之间的距离大大缩短，从而减少了测量光束在光学元件上的横移量，进而减小了由横移引入的***误差。

2、本发明采用的光路***减少了产生误差的光学元件。具体来说，传统长程面形仪光路中有多个光学器件，如图1中包括五棱镜5'和分束镜3'，它们具有多个光学面，而且它们本身又是折射率不均匀的透射体，这些均会导致因测量光束横移引入***误差；而在本发明中，引起测量光束偏离理想方向的光学元件只有分束镜7和傅里叶变换透镜9，但由于单孔屏6与分束镜7紧贴设置，只有处于单孔屏6的屏孔13处的分束镜7区域会被用到，因而在整个测量过程中待测光学器件2上不同测量点反射的光束都将通过分束镜7的相同区域，虽然这个区域会引入误差，但该误差对于每个测量点都相同，因而可以认为分束镜7对于不同角度的测量值引入了相同的误差，所以分束镜7引入的***误差对测量结果的相对变化量没有影响，而应该理解，只有测量结果的相对变化量对表征待测光学器件面形有意义，也就是说，本发明中真正引入误差的只有傅里叶变换透镜9，由此减少了引入***误差的光学元件数目。

3、传统长程面形仪，如pp-LTP，需要光源1'具有较好的方向性，常用激光来做光源；而本***对光源方向性没有要求，面光源5可采用非相干面光源，这样有利于减少激光在传播过程中由于空气中的杂质或屏孔衍射引入的衍射光干扰。

4、在传统的基于激光光源的长程面形仪中，由于激光光束的方向漂移会引入指向性误差；而在本发明中，经过单孔屏6的测量光束是一束以待测光学器件2上测量点处法线方向传播的具有微小发散角的细光束15，该细光束15始终指向待测光学器件2上测量点处法线方向，所以本发明中不存在指向性误差问题。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种长程面形测量装置，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括移动光学头，其特征在于，

所述移动光学头包括面光源、单孔屏、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器，所述分束镜紧贴在所述单孔屏的上表面，所述单孔屏设置在所述面光源一侧并与所述面光源呈一倾斜角度，该角度设置为使面光源法线方向光束能通过单孔屏屏孔部分分束镜垂直反射到待测光学器件表面，所述傅里叶变换透镜水平设置在所述分束镜上方，所述面阵探测器水平设置在所述傅里叶变换透镜上方。

2.根据权利要求1所述的长程面形测量装置，其特征在于，所述移动光学头还包括壳体，所述面光源、单孔屏、分束镜、傅里叶变换透镜以及面阵探测器均设置在所述壳体中。

3.根据权利要求1所述的长程面形测量装置，其特征在于，该测量装置还包括固定光学头及平面反射镜，所述平面反射镜固定在所述移动光学头上，所述固定光学头设置为向所述平面反射镜投射参考光束，并检测经所述平面反射镜反射的光束。

4.根据权利要求3所述的长程面形测量装置，其特征在于，所述固定光学头为自准直仪或f-θ角度检测***。

5.根据权利要求1所述的长程面形测量装置，其特征在于，所述面光源为非相干面光源。

6.根据权利要求1所述的长程面形测量装置，其特征在于，该测量装置还包括光学平台和线性平移台，所述线性平移台位于所述光学平台上，所述移动光学头安装在所述线性平移台上。

7.根据权利要求1所述的长程面形测量装置，其特征在于，当所述面光源竖直设置时，所述单孔屏与所述面光源的倾斜角度为45°。