CN108507489B - 大口径锥镜面形检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径锥镜面形检测***及检测方法，测量***包含：波面测量干涉仪，第一安装插口、第二安装插口、工件台、平面参考镜、第一计算全息片和第二计算全息片，待测锥镜安装在工件台上，其轴线与干涉仪光轴平行，平面参考镜安装在第一安装插口，平面参考镜、第一计算全息片、第二计算全息片与波面测量干涉仪平行。通过工件台在锥镜轴线方向扫描定位，波面测量干涉仪测量对应锥镜不同环带位置的面形，通过拼接完成锥镜全口径面形的测量。本发明具有测量效率高、测量口径范围大的特点。

Description

大口径锥镜面形检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种大口径锥镜面形检测***及检测方法。

背景技术

锥镜作为一种特殊的非球面光学元件，也称作轴对称棱镜，可以将准直光束转换为环形光束，在光学成像***、激光加工，激光束整形、光刻机环形照明产生等方面有着重要的作用。目前，商用Zygo干涉仪、4D干涉仪等均无法直接用于锥镜面形的检测，锥镜面形的检测方法仍然以接触式为主，例如采用三坐标或轮廓仪，这类方法的特点是仅能测量锥镜面形上某一部分轮廓的点，不是真正意义上的面形检测。锥镜的确定性光学加工一直受限于其面形检测技术，影响了其应用范围和成本。

在先技术1(Jun Ma,Christof Pruss,Rihong Zhu,Zhishan Gao,Caojin Yuan,and Wolfgang Osten,"An absolute test for axicon surfaces,"Opt.Lett.36,2005-2007(2011))采用计算全息图作为补偿镜，检测锥镜的面形；但该方法仅限于小口径锥镜的测量。当进行大口径锥镜面形的测量时时，需要更大口径的计算全息片和干涉仪，增加了测量成本和计算全息片的制作难度。

在先技术2(Kuchel Michael.Interferometric measurement of rotationallysymmetric aspheric surfaces.SPIE.2009:738916)推出的面向同轴非球面测量的环形子孔径扫描拼接测量***，理论上也可以用于锥镜面形的拼接检测。通过沿轴向移动待测非球面镜，使球面检测波与待测镜的不同环带相切产生环形干涉条纹，记录干涉图及形成干涉图的位置，进行反向计算，得到待测镜面形。该方法具有测量精度高的特点，但是这种方法仅限于浅度旋转对称非球面的测量。该方法应用于锥镜面形的测量时，每次能有效测量的锥镜区域很小，导致拼接测量次数多，测量效率低。

在先技术3(许嘉俊，贾辛，徐富超，邢廷文，一种凸锥镜的在线检测加工装置及方法，中国发明专利(201510351236.4)采用激光位移传感器通过点扫描的方式检测锥镜面形，对位移传感器及旋转***的精度提出了很高的要求，增加了***成本；并且该方法也不能用来测量凹锥镜面形。

目前还没有高效的、高精度的大口径锥镜面形测量装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种大口径锥镜面形检测***及检测方法，该方法具有测量效率高、精度高的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种大口径锥镜面形检测***，其特点在于包含：波面测量干涉仪、第一安装插口、第二安装插口、工件台、平面参考镜、第一计算全息片、第二计算全息片；待测凹锥镜和待测凸锥镜安装在工件台上，所述的第一安装插口用于第一计算全息片和平面参考镜的安装，所述的第二安装插口用于第一计算全息片和第二计算全息的安装；所述的工件台运动方向与激光干涉仪的光轴方向平行；所述的第一计算全息片、第二计算全息片与波面测量干涉仪平行；所述的待测凹锥镜和待测凸锥镜的对称轴与波面测量干涉仪的光轴方向平行。

将所述的平面参考镜安装至第一安装插口，第一计算全息片安装至第二安装插口，进行待测凹锥镜的面形测量。此时，由波面测量干涉仪输出平面光波，入射至平面参考镜，一部分光原路返回至波面测量干涉仪，另一部分光透射至第一计算全息片上，经第一计算全息片产生与待测锥镜相匹配的衍射光波，该光波入射至待测凹锥镜表面，经待测凹锥镜反射，原路返回至波面测量干涉仪，与平面参考镜的返回光之间形成干涉，由波面测量干涉仪采集干涉图并提锥镜面形信息；

将所述的第二计算全息片安装至第二安装插口，并将第一安装插口上的平面参考镜取下，进行待测凸锥镜的测量。此时，由波面测量干涉仪输出平面光波垂直入射至经第二计算全息片，经第二计算全息片产生的衍射光波，垂直入射至待测凸锥镜表面，一部分原路返回至波面测量干涉仪，另一部分光波透射，垂直入射至待测凹锥镜表面，经待测凹锥镜的反射，原路返回至波面测量干涉仪，与待测凸锥镜表面的返回光波之间形成干涉，由波面测量干涉仪采集干涉图并提取锥镜面形信息；

所述的待测凸锥镜是顶角大于180-2arcsin(1/n)的凸锥镜，n为待测凸锥镜的材料的折射率；所述的待测凹锥镜的顶角与待测凸锥镜的顶角相同；

所述的待测凸锥镜的口径应不大于待测凹锥镜的口径；

所述的第一计算全息片和第二计算全息片为圆形光栅，其中第一计算全息片的周期为第二计算全息片的周期的

其中λ为波面测量干涉仪的工作波长，β为待测凹锥镜和待测凸锥镜的锥角，n为待测凸锥镜的材料的折射率；

利用上述大口径锥镜面形检测装置进行大口径锥镜面形检测方法，其特点在于该方法包含以下步骤：

1)将平面参考镜安装至第一安装插口，第一计算全息片安装至第二插口，根据第一计算全系片口径，确定扫描起始位置P和每次能有效测量锥镜区域的口径大小D_sub，使经过第一计算全息片后的环形光波中心区域对应锥镜顶点；根据D_sub大小确定合适的拼接距离ΔX,再由ΔX确定相应的扫描距离h，使相邻两次测量对应的锥镜区域存在一定的重叠区域；根据待测锥镜的实际口径D和拼接距离ΔX,确定实际需要的拼接测量次数N；

2)工件台定位至起始位置P，并令i＝1；

3)调整测量装置，观察到干涉图，并使干涉图中干涉环基本对称且条纹数最少；

4)使用波面测量干涉仪进行第i次测量，得到待测凹锥镜拼接测量的子孔径数据Si(x,y)，Si(x,y)对应待测凹锥镜处于测量范围内的环带区域；

5)将子孔径数据Si(x,y)转换为极坐标系表示Si(θ1,ρ1)，再将Si(θ1,ρ1)映射到待测凹锥镜面形被测部分的实际面形Wi(θ2,ρ2)，最后再一次将Wi(θ2,ρ2)转换到用直角坐标系表示，得到Wi(X,Y)；

6)当i>N时，进入步骤7)，当i<N时，将工件台沿轴向向下移动h，i＝i+1，返回步骤3)；

7)完成所有N次扫描所对应待测凹锥镜环带区域的子孔径数据Wi(X,Y)的测量。在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数可由如下方程组计算得到：

W_i+1(X,Y)-W_i(X,Y)＝a_i+b_iX+c_iY+d_i(X²+Y²)

对于N个子孔径数据，一共有N-1个上述方程组，得到N-1拼接修正系数。

8)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y)的拼接计算，得到待测凹锥镜的面形，记为W1；

9)取下平面参考镜和第一计算全息片，将第二计算全息片安装至第二安装插口上，将待测凸锥镜加入测量***，与待测凹锥镜匹配放置，使待测凸锥镜的锥角顶点与待测凹锥镜的锥角顶点相对应，再一次确定工件台扫描起点位置P、扫描距离h和扫描次数N；

10)重复步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)，直至得到待测凸锥镜和待测凹锥镜组合面形拼接测量时N-1组拼接修正系数；

11)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y)的拼接计算，拼接得到待测凸锥镜和待测凹锥镜的组合面形，记为W2；

12)待测凸锥镜的面形W＝W2-W1。

本发明的技术效果，通过使用计算全息片，扩大锥镜测量的有效区域，仅通过数次拼接完成大口径凹锥镜的面形测量；

在进行凸锥镜面形测量时，去除平面参考镜，选择顶角、口径与凸锥镜相同的凹锥镜作为参考镜，即可完成凸锥镜面形的测量。具有测量***简单、测量效率高、测量口径范围大的特点。

附图说明

图1为凹锥镜面形拼接检测示意图；

图2为凸锥镜面形拼接检测示意图；

图3为锥镜的锥角示意图；

图4为凸锥镜和凹锥镜匹配放置示意图；

图5为确定工作台初始位置P示意图；

图6为基于计算全息片的锥镜拼接检测原理；

其中，1—波面测量干涉仪；2—第一安装插口；3—第二安装插口；4、工件台；5、待测凹锥镜；6、待测凸锥镜；7、平面参考镜；8、第一计算全息片；9、第二计算全息片。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明大口径锥镜面形检测***，其特征在于包含：波面测量干涉仪1、第一安装插口2、第二安装插口3、工件台4、平面参考镜7、第一计算全息片8、第二计算全息片9；待测凹锥镜5和待测凸锥镜6安装在工件台4上，所述的工件台4运动方向与激光干涉仪1的光轴方向平行；所述的第一计算全息片8、第二计算全息片9与波面测量干涉仪1平行；所述的待测凹锥镜5和待测凸锥镜6的对称轴与波面测量干涉仪1的光轴方向平行；所述的第一安装插口2用于平面参考镜7的安装，所述的第二安装插口3用于计算全息片的安装。

将所述的平面参考镜7安装至第一安装插口2，第一计算全息片8安装至第二安装插口3，进行待测凹锥镜5的面形测量。此时，由波面测量干涉仪1输出平面光波，入射至平面参考镜7，一部分光经平面参考镜7反射，原路返回至波面测量干涉仪1，另一部分光透射至第一计算全息片8上，经第一计算全息片8产生与待测锥镜相匹配的衍射光波，该光波入射至待测凹锥镜5表面，经待测凹锥镜5反射光波，原路返回至波面测量干涉仪1，与平面参考镜7的返回光之间形成干涉，由波面测量干涉仪1采集干涉图并提锥镜面形信息；

将所述的第二计算全息片9安装至第二安装插口3，并将第一安装插口2上的平面参考镜7取下，进行待测凸锥镜6的测量。此时，由波面测量干涉仪1输出平面光波垂直入射至第二计算全息片9，经第二计算全息7产生的衍射光波，垂直入射至待测凸锥镜6表面，一部分经待测凸锥镜6反射，原路返回至波面测量干涉仪1，另一部分光波透射，垂直入射至待测凹锥镜5表面，经待测凹锥镜5的反射，原路返回至波面测量干涉仪1，与待测凸锥镜6表面的返回光波之间形成干涉，由波面测量干涉仪1采集干涉图并提取锥镜面形信息；

所述的待测凸锥镜6是顶角大于180-2arcsin(1/n)的凸锥镜，n为待测凸锥镜6的材料的折射率；所述的待测凹锥镜5的顶角与待测凸锥镜6的顶角相同；

所述的待测凸锥镜6的口径应不大于待测凹锥镜5的口径；

所述的第一计算全息片8和第二计算全息片9为圆形光栅，其中第一计算全息片8的周期为

第二计算全息片9的周期的

其中λ为波面测量干涉仪1的工作波长，β为待测凹锥镜5和待测凸锥镜6的锥角，n为待测凸锥镜6的材料的折射率；

下面结合图1和图2，大口径扫描的锥镜面形检测方法做具体说明。该方法主要包含以下步骤：

1)将平面参考镜7安装至第一安装插口2，第一计算全息片8安装至第二插口3，根据第一计算全系片8口径，确定扫描起始位置P和每次能有效测量锥镜区域的口径大小D_sub，使经过第一计算全息片8后的环形光波中心区域对应锥镜顶点；根据D_sub大小确定合适的拼接距离ΔX，再由ΔX确定相应的扫描距离h，使相邻两次测量对应的锥镜区域存在一定的重叠区域；根据待测锥镜的实际口径D和拼接距离ΔX,确定实际需要的拼接测量次数N。

2)工件台4定位至起始位置P，并令i＝1；

3)调整测量装置，观察到干涉图，并使干涉图中干涉环基本对称且条纹数最少；

4)使用波面测量干涉仪1进行第i次测量，得到待测凹锥镜5拼接测量的子孔径数据Si(x,y)，Si(x,y)对应待测凹锥镜5处于测量范围内的环带区域；

5)将子孔径数据Si(x,y)转换为极坐标系表示Si(θ1,ρ1)，再将Si(θ1,ρ1)映射到待测凹锥镜5面形被测部分的实际面形Wi(θ2,ρ2)，最后再一次将Wi(θ2,ρ2)转换到用直角坐标系表示，得到Wi(X,Y)；

6)当i>N时，进入步骤7)，当i<N时，将工件台4沿轴向向下移动h，i＝i+1，返回步骤3)；

7)完成所有N次扫描所对应待测凹锥镜5环带区域的子孔径数据Wi(X,Y)的测量，在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数可由如下方程组计算得到：

W_i+1(X,Y)-W_i(X,Y)＝a_i+b_iX+c_iY+d_i(X²+Y²)

对于N个子孔径数据，一共有N-1个上述方程组，得到N-1拼接修正系数；

8)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y)的拼接计算，得到待测凹锥镜5的面形，记为W1；

9)取下平面参考镜7和第一计算全息片8，将第二计算全息片9安装至第二安装插口3上，将待测凸锥镜6加入测量***，与待测凹锥镜5匹配放置(参见图4)，使待测凸锥镜6的锥角顶点与待测凹锥镜5的锥角顶点相对应，再一次确定工件台4扫描起点位置P、扫描距离h和扫描次数N；

10)重复步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)，直至得到待测凸锥镜6和待测凹锥镜5组合面形拼接测量时N-1组拼接修正系数；

11)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y)的拼接计算，拼接得到待测凸锥镜6和待测凹锥镜5的组合面形，记为W2；

12)待测凸锥镜6的面形W＝W2-W1。

图3为锥镜锥角示意图；

图4为凸锥镜与凹锥镜匹配放置示意图。凸锥镜与凹锥镜共轴，且凸锥镜的锥角顶点与凹锥镜的锥角顶点对应放置，保证凸透镜的锥面和凹锥镜的锥面之间保留一定的距离，之间不相互接触。

下面结合图5和图6说明第一计算全息片8和待测凹锥镜5的面形拼接测量原理，以及拼接测量的起点位置、扫描距离和终点位置的确定方法。用于凸锥镜检测的第二计算全息片9和待测凸锥镜6的面形拼接测量原理相似，其中第二计算全息片9的位置需要考虑待测凸锥镜6的折射影响。

图5所示的是根据计算全息片的口径确定其初始位置示意图。待测凹锥镜5口径与第一计算全息片8口径之间满足下列关系：

D_CGH≥D/sin²(β/2) (1)

其中，D为待测凹锥镜5的口径，D_CGH为第一计算全息片8的口径，β为待测凹锥镜5的锥角。可以看出，第一计算全息片的口径始终大于锥镜口径；锥角越大，相同口径的锥镜，所需的第一计算全息片的口径也越大。

在图5中，待测凹锥镜5与第一计算全息片8之间的距离d需要满足如下关系：

其中，D为待测凹锥镜5的口径，β为待测凹锥镜5的锥角。当d取临界值

时，此时第一计算全息片8的口径D_CGH对应最小值D/sin²(β/2)。当d增大时，第一计算全息片8的口径D_CGH与d之间满足如下关系：

其中，D为待测凹锥镜5的测量口径。

假设待测凹锥镜5口径D为140mm，锥角β为120度，则根据公式(1)，计算第一计算全息片的最小口径为186.67mm，即第一计算全息片和波面测量干涉仪的口径为186.67mm。增大第一计算全息片与待测凹锥镜5的距离，虽然计算全息片的有效区域宽度不变，但计算第一全息片口径也会增大，需要相应口径的波面测量干涉仪。大口径的计算全息片和波面测量干涉仪增加了测量成本，通过拼接方式进行成本控制。

图6所示为待测凹锥镜5面形的拼接测量过程。待测凹锥镜5每个子孔径的有效测量口径(在X方向的投影)为：

根据上式确定锥镜面形拼接测量中，每个子孔径对应的锥镜的有效测量口径D_sub，并将D_sub替代公式(3)中的D，得到待测凹锥镜5与第一计算全息片8之间的距离d，由此确定拼接测量时待测凹锥镜5的起始位置P。

在拼接测量过程中，沿待测凹锥镜5对称轴方向移动，使待测凹锥镜5远离第一计算全息片8，对应移动距离为h，则拼接距离(待测凹锥镜5有效测量区域在X方向的平移量)为：

根据公式(5)和拼接距离ΔX，确定扫描距离h。

拼接距离ΔX由检测***口径确定。假设波面测量干涉仪1为100mm口径的干涉仪***，实际测量时取90mm口径，第一计算全息片8与波面测量干涉仪1的口径大小相同。根据公式(4)，首次测量的子孔径对应口径为67.5mm的待测凹锥镜5中心区域。此时，然后待测凹锥镜5沿对称轴移动，相应的每个子孔径测量的待测凹锥镜5区域是宽度为33.75mm的环带区域。为了保证一定的重叠区域(30％左右)，拼接距离ΔX为23mm，沿待测凹锥镜5对称轴的移动距离h为53.12mm，通过3次测量完成待测凹锥镜5面形的子孔径拼接检测，待测凹锥镜5沿其对称轴方向移动范围为106.24mm。根据待测锥镜的口径D、拼接距离ΔX，确定扫描次数N。

仍以图6为例，对子孔径测量数据Si(x，y)转换到相应的待测锥镜实际被测面形Wi(X，Y)的映射进行说明。

对于第i个子孔径，子孔径测量数据Si(x，y)为直角坐标系，首先将其转换到极坐标系中得到Si(ρ1,θ1)。第i个子孔径坐标与锥镜面形坐标的映射满足如下关系：

其中，d为锥镜位于起始位置P时，锥镜与第一计算全息片的距离。经过(6)的坐标映射，可以得到第i次测量的锥镜面形Wi(ρ2,θ2)，最后将Wi(ρ2,θ2)转换到直角坐标系，得到Wi(X，Y)。

综上所述，本发明提供了一种基于计算全息方法的大口径凹锥镜和凸锥镜面形检测***及检测方法，主要益处在于通过在检测***中放置平面参考镜和计算全息片的安装插口，可以分别完成大口径凹锥镜和大口径凸锥镜的面形测量。

Claims (4)

1.一种大口径锥镜面形检测***，包含波面测量干涉仪(1)、第一安装插口(2)、第二安装插口(3)、工件台(4)、平面参考镜(7)、第一计算全息片(8)、第二计算全息片(9)；所述的工件台(4)用于安置待测的凹锥镜(5)和凸锥镜(6)；所述的平面参考镜(7)安装在第一安装插口(2)，所述的第二安装插口(3)用于第一计算全息片(8)或第二计算全息片(9)的安装；所述的工件台(4)运动方向与激光干涉仪(1)的光轴方向平行；所述的第一计算全息片(8)、第二计算全息片(9)与波面测量干涉仪(1)平行；所述的待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(5)的对称轴与波面测量干涉仪(1)的光轴方向平行；其特征在于，所述的第一计算全息片(8)和第二计算全息片(9)为圆形光栅，所述的第一计算全息片(8)的周期为

第二计算全息片(9)的周期的

其中λ为波面测量干涉仪(1)的工作波长，β为待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(6)的锥角，n为待测凸锥镜(6)的材料的折射率。

2.根据权利要求1所述的大口径锥镜面形检测***，其特征在于所述的待测凸锥镜(6)是顶角大于180-2arcsin(1/n)的凸锥镜，n为待测凸锥镜(6)材料的折射率；所述的待测凹锥镜(5)的顶角与待测凸锥镜(6)的顶角相同。

3.根据权利要求1所述的大口径锥镜面形检测***，其特征在于所述的待测凸锥镜(6)的口径应不大于待测凹锥镜(5)的口径。

4.利用权利要求1所述的大口径锥镜面形检测***对大口径锥镜面形的检测方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

1)将平面参考镜(7)安装至第一安装插口(2)，第一计算全息片(8)安装至第二插口(3)，根据第一计算全息片(8)的口径，确定扫描起始位置P和每次能有效测量锥镜区域的口径大小D_sub，使经过第一计算全息片(8)后的环形光波中心区域对应锥镜顶点；根据D_sub大小确定合适的拼接距离ΔX,再确定相应的扫描距离h，使相邻两次测量对应的锥镜区域存在重叠区域；根据待测锥镜的实际口径D和拼接距离ΔX,确定实际需要的拼接测量次数N；

2)工件台(4)定位至起始位置P，并令i＝1；

3)调整测量装置，观察干涉图，并使干涉图中干涉环基本对称且条纹数最少；

4)使用波面测量干涉仪(1)进行第i次测量，得到待测凹锥镜(5)拼接测量的子孔径数据Si(x,y)，Si(x,y)对应待测凹锥镜(5)处于测量范围内的环带区域；

5)将子孔径数据Si(x,y)转换为极坐标系表示Si(θ1,ρ1)，再将Si(θ1,ρ1)映射到待测凹锥镜(5)面形被测部分的实际面形Wi(θ2,ρ2)，最后再一次将Wi(θ2,ρ2)转换到用直角坐标系表示，得到Wi(X,Y)；

6)当i>N时，进入步骤7)，当i<N时，将工件台(4)沿轴向向下移动h，令i＝i+1，返回步骤3)；

7)完成所有N次扫描所对应待测凹锥镜(5)环带区域的子孔径数据Wi(X,Y)的测量，在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数由如下方程组计算得到：

W_i+1(X,Y)-W_i(X,Y)＝a_i+b_iX+c_iY+d_i(X²+Y²)

对于N个子孔径数据，一共有N-1个上述方程组，得到N-1拼接修正系数；

8)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y)的拼接计算，得到待测凹锥镜(5)的面形，记为W1；

9)取下平面参考镜(7)和第一计算全息片(8)，将第二计算全息片(9)安装至第二安装插口(3)上，将待测凸锥镜(6)加入测量***，与待测凹锥镜(5)匹配放置，使待测凸锥镜(6)的锥角顶点与待测凹锥镜(5)的锥角顶点相对应，再一次确定工件台(4)扫描起点位置P、扫描距离h和扫描次数N；

10)重复步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)，直至得到待测凸锥镜(6)和待测凹锥镜(5)组合面形拼接测量时N-1组拼接修正系数；

11)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y))的拼接计算，拼接得到待测凸锥镜(6)和待测凹锥镜(5)的组合面形，记为W2；

12)待测凸锥镜(6)的面形为W＝W2-W1。

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