一种高精度长程光学表面面形检测仪

摘要

本发明公开了一种高精度长程光学表面面形检测仪，包括第一光学头、参考镜和第二光学头，所述第一光学头用于扫描待测光学元件，所述参考镜固定设置于所述第一光学头的侧壁上，所述第二光学头向所述参考镜投射参考光束，并检测所述参考镜反射的参考光束，所述第一光学头与所述第二光学头的精度等级不同。本发明中采用第一光学头和第二光学头，第一光学头进行扫描测量待测光学元件，第二光学头进行第一光学头的扫描运动误差检测，两光学头根据不同的检测需求和等级来设置精度、测量范围以及光束宽度，从而能够更加准确的测量待测光学元件，而且不易受外界环境干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及光学表面面形检测仪，尤其与高精度、长程的光学表面面形 检测仪的结构有关。

背景技术

在科学研究、信息技术、航空航天、国防工业、天文观测等领域中，尤 其是同步辐射光学工程领域，均需要极高面形精度(1纳米量级、10纳弧度 量级)的光学元件。如此高精度的光学元件的加工技术极大程度上依赖于高 精度的面形检测技术。

目前普遍使用的长程面形检测仪均基于f-θ光学系统进行角度测量，即 使细光束入射傅里叶变换(FT)透镜并在透镜焦平面上利用线阵或面阵探测 器检测焦斑图样的位置，该位置信息反映了入射光束角度信息，二者关系为：

Δd＝f*Δθ，

其中Δd为探测器上图样位置移动距离，f为透镜焦距，Δθ为入射光束角度 变化量。

光束在入射FT透镜之前，先直线平移扫描待测光学元件表面并被该表 面反射后进入FT透镜，因此反射光束角度变化Δθ即为扫描过程中样品扫描 点的角度变化Δα的2倍：Δd＝2f*Δα即由此得到待测表面不同位置的 角度而恢复其面形。

长程面形检测仪大致分为两大类：

一类是基于细激光束的f-θ系统的长程面形仪(Long Trace Profiler，以 下简称LTP)。LTP将上述细光束改为由一束激光分束而成的两束相干的细 光束，则可在探测器上得到干涉图样以代替焦斑图样，这有助于提高测量分 辨率并抑制多个光学表面产生的一些额外干涉影响。LTP又分为LTP II和 pp-LTP。

另一类是基于f-θ自准直仪的纳米光学检测仪(Nanometre Optical  Metrology，以下简称NOM)，即上述细光束为自准直仪通过限光孔径产生， 并返回自准直仪检测。利用白光LED自准直仪可以较好地消除光源指向性误 差，又可以消除额外干涉。但是由于光源强度受限，限光孔径要开的比较大 才能获得较好的信噪比，造成了仪器空间分辨率的下降。

由于要进行高精度长程(通常达到1m)扫描检测，长程面形检测仪是 一种较大型的实验测试仪器，包括其所有附件，总占地达几十平米。

国际上，早在1975年便开展了非接触式面形检测的研究工作，当时采用 的是将激光聚焦在待测表面的测量方法，测量精度较低，并且不适用于有较 大曲率的光学元件。1982年，Von Bieren提出基于波前干涉方法的笔光束干 涉仪，大大提高了测量精度和适用范围。然而其两束相干光光程不等，受激 光及环境不稳定因素影响很大。1989年美国BNL的Peter Z.Takacs及合肥 NSRL的钱石南在此基础上提出了基于等光程分光单元的笔光束干涉面形仪 并命名LTP，实现了对光学面形的高精度测量。LTP可以方便地调整双光束 的间距改变CCD上干涉条纹的空间周期，但由于扫描头采用光笔直接扫描 结构，面形测量精度受导轨精度的影响很大；为此，仪器选用了精度高但机 械结构复杂、成本较高的气浮导轨。1992年LBL的S.C.Irick和W.R.Mckinny 提出了LTP II，采用参考镜补偿技术，校正光笔干涉仪中激光光束指向不稳 定性引起的测量误差；同时也部分校正了空气温度不均匀及气流对测量精度 的影响；此外光学头结构的改进，使绝大部分的扫描运动误差得到抑制。

LTP II的光学结构如图1所示，激光光源1经位相板2变为两半光相差 半波长的光束，再经分束器3分为两束，一束为测量光束，投至待测光学元 件4表面经反射至FT透镜7将测量光束角度信息转换为面阵探测器8上焦 斑位置信息；另一束为参考光束，经达芙棱镜5反射后投至固定于光学平台 的倾斜平面反射镜6经反射返回经达芙棱镜5，再经FT透镜7将参考光束角 度信息转换为面阵探测器8上焦斑位置信息，达芙棱镜5的作用是将光源1 指向性误差和扫描运动误差合成一同通过同一参考光路测量。

1995年S.N.Qian等继续发展LTP,提出了ppLTP(pentaprism Long Trace  Profiler-五棱镜长程面形仪)，使用灵活小巧的五角棱镜扫描代替光笔干涉仪 光学头的整体扫描，同样使绝大部分扫描运动误差得到抑制；并利用激光光 纤准直技术提高了干涉仪中激光束的指向性。美国的BNL、意大利的Elettra 等实验室都建立了ppLTP。

ppLTP光学结构如图2所示，激光光源p1经位相板p2变为两半光相差 半波长的光束，再经分束器p3分为两束，一束为测量光束，投至五棱镜p5 经两次反射投至待测光学元件p6表面经反射返回经五棱镜p5，再经FT透镜 p7将测量光束角度信息转换为面阵探测器p8上焦斑位置信息，五棱镜p5的 作用是使出射光束与入射光束保持固定角度，不受五棱镜p5本身扫描运动俯 仰误差影响，因此ppLTP没有设置扫描运动参考光路；另一束为光源指向性 参考光束，投至平面反射镜p4经反射至FT透镜p7将参考光束角度信息转 换为面阵探测器p8上焦斑位置信息。

由2004年BESSY-II建立了NOM装置，扫描机制与ppLTP相同，都是 利用五棱镜对转动误差的不灵敏特性。系统结构包括：五棱镜、自准直仪、 光栏。利用白光LED自准直仪可以较好地消除光源指向性误差，又可以消除 额外干涉。但由于光源强度受限，限光孔径要开的比较大才能获得较好的信 噪比，造成了仪器空间分辨率的下降。NOM光学结构如图3所示，光学头 N100为被固定在光学台支座上自准直仪，产生的准直光束经过五棱镜N5偏 转，再经过限光孔径N6，投至待测光学元件N300并被反射返回，经限光孔 径N6、五棱镜N5至自准直仪N100检测角度变化。五棱镜N5与可调节的限 光孔径N6一同构成N200扫描运动部分；自准直仪N100内部包含白光LED光 源N1，经限光狭缝N2限制作为光源，经分束棱镜N3后经透镜N4准直为平 行光束发射出去；返回光束经透镜N4汇聚及分束棱镜N3反射，焦斑位于面 阵探测器N7上；通过检测焦斑位置变化来反映待测光学元件的角度变化信 息。五棱镜N5的作用是使出射光束与入射光束保持固定角度，不受五棱镜 N5本身扫描运动俯仰误差影响，因此NOM没有设置扫描运动参考光路；自 准直仪N100的光源为狭缝稳定地限制，因此NOM也没有设置光源指向性 参考光束。

现有长程面形检测仪性能的受限于以下几个方面：

1、由于光路在仪器内部的非理想光学元件上的大侧向位移降低测量 精度；

仪器内部所使用的光学元件总是不理想的(存在像差、面形误差、折射 率不均匀等等)，造成光学元件的不同位置、不同角度入射光都对应不同的 附加误差，因此细光束在光学元件上的产生大幅的侧向位移时，将降低仪器 测量精度。

而光路产生侧向位移有两种原因：一是光束角度变化使长光路的光束在 光学元件上扫动，二是连接固定元件和扫描运动元件的光路不平行与扫描运 动方向造成光束在光学元件上的侧向位移。对于ppTLP和NOM两种因素影 响都很大。对于LTP II，为了使参考光束与测量光束在探测器上分开，则要 求倾斜参考光束，造成较严重的第二种侧向位移。

2、由于光路长度大幅变化造成的仪器难于标定校准；

上述问题理论上可以利用标准角度产生设备进行标定校准而得到缓解， 然而校准必须获得仪器光学元件的各个侧向位置上的各个入射角度的标定数 据，由于同一入射角度下的侧向位置由光路长度决定，因此当光路长度倾斜 且大幅变化时，必须标定不同光路长度下不同入射角度(空间二维角度)的 标定数据，这是一个三维的标定，由于标定量过大而很难实现。另外，在完 成标定后的测量应用时，必须实时精确提供光路长度变化以利用标定数据， 这也是不容易实现的。现有的面形检测仪器都存在难于标定校准的问题。

3、适用于检测的光学表面角度范围较小；

对于现有ppLTP和NOM，由于光路长度较大，当测量大角度范围的光 学表面时，其测量光束的侧向位移很大而造成较大的误差，因此不适用于大 角度范围的面形测量。

4、扫描运动误差和光源指向性误差的参考测量精度较低。

现有LTP均利用同一光学头完成光学表面测量和参考测量，但二者的测 量特点有很大差别。光学表面测量要求有较大的测量范围，参考测量则仅仅 要求很小范围内的测量；光学表面测量要求利用细光束实现高空间分辨率， 参考测量则没有这个要求。大测量范围、高空间分辨的光学头必须以牺牲测 量精度为代价。现有LTP参考测量引入光学表面测量同一光学头检测，造成 LTP的扫描运动误差及光源指向性误差参考测量精度的降低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种检测精度高、抗 干扰能力强的高精度长程光学表面面形检测仪。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高精度长程光学表面面形检测仪，包括第一光学头、参考镜和第二 光学头，所述第一光学头用于扫描待测光学元件，所述参考镜固定设置于所 述第一光学头的侧壁上，所述第二光学头向所述参考镜投射参考光束，并检 测所述参考镜反射的参考光束，所述第一光学头与所述第二光学头的精度等 级不同。

进一步，所述待测光学元件设置于一光学平台上，所述第一光学头设置 于所述光学平台上方，所述第二光学头固定设置。

进一步，所述待测光学元件水平设置，所述第一光学头接近所述待测光 学元件设置，且沿水平方向进行扫描运动，所述参考镜竖直设置。

进一步，所述第一光学头为细激光束的f-θ系统，包括激光器、耦合透 镜、光纤、准直透镜、位相板、分束器、平面反射镜、傅里叶变换透镜和面 阵探测器，所述激光器依次通过耦合透镜、光纤、准直透镜和位相板向所述 分束器投射光束，所述分束器将所述光束一部分投射至所述平面反射镜，然 后再通过所述分束器的反射并通过所述傅里叶变换透镜至所述面阵探测器， 另一部分投射至所述待测光源元件，然后再通过所述分束器的反射并通过所 述傅里叶变换透镜至所述面阵探测器。

进一步，所述平面反射镜相对所述分束器投射的光束倾斜设置。

进一步，所述第一光学头为一自准直仪。

进一步，所述第二光学头为一自准直仪。

进一步，所述第二光学头为如上所述的细激光束的f-θ系统。

进一步，所述参考镜为平面反射镜。

本发明与现有技术相比，本发明中采用第一光学头和第二光学头，第一 光学头进行扫描测量待测光学元件，第二光学头进行第一光学头的扫描运动 误差检测，两光学头根据不同的检测需求和等级来设置精度、测量范围以及 光束宽度，从而能够更加准确的测量待测光学元件，而且不易受外界环境干 扰。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为现有的LTP II光学结构示意图；

图2为现有的ppLTP光学结构示意图；

图3为现有的NOM光学结构示意图；

图4为本发明的高精度长程光学表面面形检测仪结构示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理 解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的 范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

如图4所示，本发明的高精度长程光学表面面形检测仪，包括第一光学 头100、参考镜300和第二光学头200。其中，第一光学头100用于扫描待测 光学元件400，参考镜300固定设置于第一光学头100的侧壁上，第二光学 头200向参考镜300投射参考光束，并检测参考镜300反射的参考光束600， 第一光学头100与第二光学头200的精度等级不同。

本发明中，待测光学元件400设置于一光学平台(图中未示出)上，第 一光学头100设置于光学平台上方方，第二光学头200固定设置。待测光学 元件400水平设置，第一光学头100接近待测光学元件400设置，且沿水平 方向进行扫描运动，参考镜300竖直设置。

本发明中，第一光学头100可以为一自准直仪，也可为细激光束的f-θ 系统。如图4所示，本实施例中，第一光学头100为细激光束的f-θ系统。 具体说，第一光学头100包括激光器101、耦合透镜102、光纤103、准直透 镜104、位相板105、分束器106、平面反射镜107、傅里叶变换透镜108和 面阵探测器109，激光器101、耦合透镜102、光纤103、准直透镜104、位 相板105、分束器106、平面反射镜107、傅里叶变换透镜108和面阵探测器 109均置于壳体110中。激光器101依次通过耦合透镜102、光纤103、准直 透镜104和位相板105向分束器106投射光束500，分束器106将光束500 一部分投射至平面反射镜107，然后再通过分束器106的反射并通过傅里叶 变换透镜108至面阵探测器109，另一部分投射至待测光源元件400，然后再 通过分束器106的反射并通过傅里叶变换透镜108至面阵探测器109。平面 反射镜107相对分束器106投射的光束500倾斜设置。

本发明中，第二光学头200可以为一自准直仪，也可为如上所述的细激 光束的f-θ系统。本实施例中，如图4所示，第二光学头为自准直仪。本实 施例中，参考镜300为平面反射镜。

本实施例中，第一光学头100为内置光源指向性参考光路的细激光束的 f-θ测量光学头，激光光源经耦合透镜102进入光纤103再经准直透镜104 准直作为第一光学头100光源，经位相板105变为两半光相差半波长的光束， 再经分束器106分为两束，一束为测量光束，投至待测光学元件400表面经 反射至傅里叶变换(FT)透镜108将测量光束角度信息转换为面阵探测器109 上焦斑位置信息；另一束为光源指向性参考光束，投至固定于第一光学头100 内部的平面反射镜107经反射至傅里叶变换(FT)透镜108将参考光束角度 信息转换为面阵探测器108上焦斑位置信息。第二光学头200采用高精度小 范围的宽光束自准直仪，沿扫描运动方向垂直投至固定于第一光学头100的 参考镜300，反射光返回至自准直仪参量第一光学头100扫描运动误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、大幅降低了光路在仪器内部的非理想光学元件上的侧向位移，从而提 高了测量精度。具体地包含以下几个方面：

1)测量光束的低侧向位移。与现有ppLTP及NOM相比，本发明检测 仪的测量光路长度很短，这大幅降低了扫描过程中测量光束角度变化引起的 侧向位移。另外，本发明检测仪的测量光路长度几乎是固定的(其变化仅仅 为待测镜面高度变化)，这样几乎消除了倾斜的测量光束在扫描过程中光路 长度变化的侧向位移。

2)光源指向性参考光束的低侧向位移。光源指向性参考光束被完全限制 在第一光学头100内部，同样为很短的固定长度光路，该光路侧向位移对仪 器精度影响小到可以完全忽略。

3)扫描运动参考光束的低侧向位移。由于第二光学头200专用于完成扫 描运动的参考测量，因此参考光束为非倾斜设计，即与扫描运动方向完全平 行，这样与LTP II的倾斜参考光束设计相比，扫描运动参考光束的侧向位移 基本完全消除。

2、仪器易于标定校准；

本发明第一光学头100中的所有光路长度基本固定，易于标定校准。第 二光学头200光路长度虽然变化，但由于是非倾斜光束几乎没有侧向位移， 因此校准时不用考虑光路长度变化影响，易于校准。

3、可适用于大角度范围的光学表面检测；

本发明中，测量光路很短，同样的测点角度变化造成的侧向位移很小， 因此可用于检测大角度范围的光学表面。

4、扫描运动误差和光源指向性误差的参考测量精度高。

本发明中，光源指向性参考光路完全封闭于第一光学头100内部，光路 长度很短且固定，无侧向位移并且不易受到环境不稳定性的影响，因而光源 指向性测量精度大幅提高。本发明第二光学头200的非倾斜扫描运动参考光 束基本完全消除了侧向位移，同时该光束使用宽光束，不易受到环境不稳定 性及侧向位移影响，因而扫描运动测量精度大幅提高。

本发明的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识 到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所 作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。