[發(fā)明專利]一種長程面形測量儀

有效

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• 申請日: 2016-02-24
• 公開（公告）號: CN105737758B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設計）人: 彭川黔;何玉梅;王劼
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 鄧琪,余中燕

技術領域

本發(fā)明涉及高精度鏡面面形檢測領域，特別涉及一種長程面形測量儀。

背景技術

在大型天文望遠鏡、極紫外光刻、同步輻射光學工程等科學技術領域需要用到長度約1m左右、面形誤差低于0.1微弧度的細長形、高精度反射鏡面。生產及使用如此高精度的光學器件依賴于高精度的面形檢測技術。

基于細光束逐點掃描檢測原理的長程面形儀(Long Trace Profile，LTP)是運用于此類高精度光學器件檢測的主要儀器之一，其基本思想是引入一束固定角度入射的細光束在待測光學器件上進行逐點掃描，由于光學器件上不同點的法線方向不同，于是反射光按不同的角度反射到長程面形儀的f-θ角度檢測系統(tǒng)進行角度測量，從而通過測得不同點的角度相對變化值以獲得沿掃描方向上光學器件的面形信息。

雖然長程面形儀的工作原理決定了其只能進行一維的離散點測量，但與其它檢測手段相比，長程面形儀具有許多優(yōu)點，比如：采用非接觸檢測模式避免了在檢測過程中對待測光學器件光學面造成損傷；不需要借助大尺度的光學參考元件從而降低了建設投入成本及減少了可能由此引入的誤差；適用范圍大，能對大尺寸、高精度面形進行檢測等等。在過去的20多年里，長程面形儀得到了長足發(fā)展，出現了LTP-I、LTP-II、LTP-V、PP-LTP(五棱鏡長行程面形儀)、在線LTP、多功能LTP、NOM(納米光學檢測儀)等基于細光束掃描檢測原理的長程面形儀。其中NOM是目前世界上精度最高的面形檢測儀器之一。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，各應用領域對光學元件面形檢測精度提出了更高的要求，為了提升長程面形儀的檢測能力，傳統(tǒng)長程面形儀系統(tǒng)中各種系統(tǒng)誤差需要得到修正或消除，在這些系統(tǒng)誤差中，最主要的一個是由于長程面形儀系統(tǒng)中所用到的各光學元件不理想造成的，不理想主要表現為：1、反射光學元件與理想光學元件相比存在面形誤差；2、折射光學元件折射率不均勻。在進行角度測量時，這些光學元件上的缺陷會導致測量光束偏離理想方向形成角度誤差，當測量角度變化時測量光束會在這些光學元件上橫移，從而引入元件上不同位置的角度誤差。

如果長程面形儀中光學鏡面是理想的，測量光束的橫移則不會引入誤差；同樣的如果測量光束在系統(tǒng)中某光學器件上沒有橫移，則此光學器件對不同角度測量點引入的誤差都一樣，由于利用長程面形儀進行面形檢測時，只有檢測結果的相對改變值有意義，所以引入的相同誤差不影響測量結果的相對改變量。然而，理想的光學元件是不可能得到的，所以測量系統(tǒng)中光學元件越多，測量光束在這些光學元件上橫移量越大，就可能引入較大的系統(tǒng)誤差。

圖1示出了現有pp-LTP的光學結構示意圖，其包括激光光源1'、固定光學頭、移動光學頭以及f-θ角度檢測系統(tǒng)，固定光學頭包括位相板2'、分束鏡3'和平面反射鏡4'，移動光學頭包括五棱鏡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中各光學元件橫移量計算的參考點，因而對于同樣的偏轉角度，系統(tǒng)中的光學器件距離待測鏡面6'上測量點的幾何光程越遠，測量光束在該光學器件上的橫移量越大，正是這種橫移使得系統(tǒng)中各光學器件引入了不同點的誤差。測量系統(tǒng)中所用到的透射、反射光學器件越多，測量光束產生的橫移量越大，則引入的系統(tǒng)誤差越大。

為了減小由橫移引入的系統(tǒng)誤差，主要有兩種途徑，一種是減少檢測系統(tǒng)中用到的光學元件數量，另一種是減小橫移量計算的參考點與檢測系統(tǒng)中各光學元件間的距離，因而亟待提供一種這樣的測量裝置。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的旨在提供一種高精度的長程面形測量儀，以通過減少測量角度不同時測量光束引起的橫移，從而減小系統(tǒng)誤差。

為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種長程面形測量儀，用于對待測光學器件的表面進行面形檢測，其包括掃描光學頭和f-θ角度檢測系統(tǒng)，

所述掃描光學頭包括面光源、分束鏡、單孔屏以及平面反射鏡，所述面光源水平放置，所述分束鏡傾斜地設置在所述面光源下方，所述單孔屏緊貼在所述分束鏡底面，所述平面反射鏡傾斜地設置在所述單孔屏下方并與所述分束鏡構成類五棱鏡結構的雙反射面。