[發(fā)明專利]一種二維長(zhǎng)程面形檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710198456.7
• 申請(qǐng)日: 2017-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN106840030B
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅紅心;張翼飛;樊亦辰;金利民;李中亮;王劼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24;G01B11/06
• 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

本發(fā)明提供一種二維長(zhǎng)程面形檢測(cè)裝置，包括單色光光源、二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板、分光棱鏡、導(dǎo)軌、裝設(shè)于導(dǎo)軌上的五角棱鏡、透鏡、直角棱鏡模塊以及面陣探測(cè)器；所述單色光光源設(shè)置為出射一光束，該光束穿過所述二維陣列結(jié)構(gòu)π位相板入射到所述分光棱鏡，經(jīng)所述分光棱鏡分光后入射到所述五角棱鏡，經(jīng)所述五角棱鏡折射后入射到所述待測(cè)鏡面，而后經(jīng)所述待測(cè)鏡面反射回所述五角棱鏡，再次經(jīng)所述五角棱鏡折射后依次穿過所述分光棱鏡、所述透鏡和所述直角棱鏡模塊到達(dá)所述面陣探測(cè)器，并在所述面陣探測(cè)器上形成測(cè)量光斑。本發(fā)明通過導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)掃描得到光學(xué)元件表面的二維信息，實(shí)現(xiàn)大尺度光學(xué)元件表面質(zhì)量檢測(cè)和高精度壓彎?rùn)C(jī)構(gòu)檢測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大尺度高精度光學(xué)元件面形檢測(cè)，特別涉及一種二維長(zhǎng)程面形檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)

大尺度光學(xué)表面的應(yīng)用日益廣泛，尤以同步輻射光束線工程和高功率激光系統(tǒng)中的掠入射反射鏡為代表。同步輻射硬X射線光束線上使用的反射鏡長(zhǎng)度可以達(dá)到1500mm，且表面質(zhì)量要求很高，面型從平面、柱面到超環(huán)面均有。由于X射線的波長(zhǎng)極短，目前的光學(xué)材料只能工作在掠入射狀態(tài)，必須采用很大的入射角(接近90°)才能到較高的反射率，因此同步輻射的光學(xué)元件一般長(zhǎng)條狀。

同步輻射用光學(xué)元件使用波段多為硬X射線波段，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)很短，因此對(duì)表質(zhì)量面要求極高。第三代同步輻射裝置對(duì)光學(xué)元件的表面斜率誤差普遍要求小于1μard(RMS)，最高要求小于100nrad(RMS)。如此高精度大尺度的光學(xué)元件加工能力嚴(yán)重依賴于檢測(cè)能力，因此高精度大尺度光學(xué)檢測(cè)問題一直是國(guó)際同步輻射光學(xué)界以及光學(xué)元件加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

同步輻射光學(xué)元件準(zhǔn)直或聚焦時(shí)子午方向曲率半徑往往較大，通常使用數(shù)公里甚至更大，這時(shí)多使用壓彎?rùn)C(jī)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)反射鏡進(jìn)行子午方向壓彎，形成圓柱或橢圓柱面等形狀。壓彎方向分為向上、側(cè)向和向下三種，即壓彎時(shí)反射鏡的鏡面方向可能有三種取向。壓彎?rùn)C(jī)構(gòu)的檢測(cè)需要在不同壓力下測(cè)試壓彎系統(tǒng)壓出的曲率半徑以及面形斜率誤差是否達(dá)標(biāo)，測(cè)試過程需要不斷調(diào)整壓彎?rùn)C(jī)構(gòu)的各種參數(shù)，每次調(diào)整完后需對(duì)整個(gè)反射鏡進(jìn)行重新檢測(cè)，直到得到理想的壓彎曲率半徑和斜率誤差分布。

現(xiàn)有的面形檢測(cè)手段主要有長(zhǎng)程面形儀(Long trace profiler-LTP)、干涉儀拼接、夏克-哈特曼(Shark-Hartmann)波前傳感器拼接、干涉儀斜入射法、納弧度測(cè)量?jī)x(Nanometer Optical component Measuring Machine-NOM)等。LTP和NOM均為一維掃描測(cè)量，區(qū)別為L(zhǎng)TP采用自行設(shè)計(jì)的各種光路得到待測(cè)表面的斜率信息，檢測(cè)精度可達(dá)到0.2μard；NOM將LTP中的部分光路用自準(zhǔn)直儀代替，同樣得到待測(cè)表面的斜率信息，檢測(cè)精度可達(dá)到50nrad。

干涉儀拼接和Shark-Hartmann拼接方法均采用拼接方法得到大尺度光學(xué)元件的表面信息。干涉儀得到的是表面高度分布信息，斜率分布可以通過對(duì)高度信息進(jìn)行微分得到；Shark-Hartmann拼接方法得到的是光學(xué)元件表面的斜率信息，通過對(duì)結(jié)果積分可以得到表面高度分布信息。拼接方法嚴(yán)重依賴于使用的拼接算法和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)拼接時(shí)每步掃描需要80％以上的面積重合，因此檢測(cè)效率低下。

干涉儀斜入射的方法是使用大口徑的激光面形干涉儀對(duì)待測(cè)表面進(jìn)行斜入射，以擴(kuò)大待測(cè)面積。該方法測(cè)量精度依賴于干涉儀本身的精度，同時(shí)由于檢測(cè)時(shí)干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡與干涉儀距離過大，無法得到高的檢測(cè)精度。因該方法成本較低，檢測(cè)時(shí)間較短，多用于工廠生產(chǎn)檢測(cè)中，用于檢測(cè)表面斜率誤差要求不高的反射鏡。

現(xiàn)有面形檢測(cè)方法存在的問題主要有，一維掃描檢測(cè)方法如LTP和NOM，檢測(cè)結(jié)果只能反映反射鏡面上一條線的表面信息，無法得到二維表面信息。而壓彎?rùn)C(jī)構(gòu)檢測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)——表面扭曲，其反映壓彎時(shí)反射鏡面是否發(fā)生扭曲，這一技術(shù)要求對(duì)表面信息進(jìn)行二維測(cè)量才能得出。干涉儀和Shack—Hartmann方法由于自身設(shè)備的結(jié)構(gòu)原因，難以檢測(cè)壓彎?rùn)C(jī)構(gòu)，也不適用于表面曲率半徑較小的非平面光學(xué)元件。

發(fā)明內(nèi)容