一种二维长程面形检测装置及检测方法

摘要

本发明提供一种二维长程面形检测装置，包括单色光光源、二维阵列结构π位相板、分光棱镜、导轨、装设于导轨上的五角棱镜、透镜、直角棱镜模块以及面阵探测器；所述单色光光源设置为出射一光束，该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜，经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜，经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面，而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜，再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器，并在所述面阵探测器上形成测量光斑。本发明通过导轨运动扫描得到光学元件表面的二维信息，实现大尺度光学元件表面质量检测和高精度压弯机构检测。

权利要求

1.一种二维长程面形检测装置，用于实现待测镜面的面形检测，其特征在于，包括单色光光源、二维阵列结构π位相板、分光棱镜、导轨、装设于导轨上的五角棱镜、透镜、直角棱镜模块以及面阵探测器；

其中，所述单色光光源设置为出射一光束，该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜，经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜，经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面，而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜，再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器，并在所述面阵探测器上形成测量光斑。

2.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置，其特征在于，所述单色光光源为半导体激光器或氦氖激光器。

3.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置，其特征在于，所述二维阵列结构π位相板呈一字型或十字型。

4.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置，其特征在于，所述导轨为机械导轨或气浮导轨。

5.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置，其特征在于，所述透镜为f-θ型透镜。

6.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置，其特征在于，所述直角棱镜模块包括多个直角棱镜。

7.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置，其特征在于，所述面阵探测器CCD探测器或CMOS型探测器。

8.一种二维长程面形检测方法，基于前述权利要求1-7中任一项所述的二维长程面形检测装置实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1，首先通过所述单色光光源出射一光束，以使该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜，经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜，经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面，而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜，再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器，并在所述面阵探测器上形成测量光斑，然后确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置；

步骤S2，将所述导轨沿所述待测镜面不断移动，并且每移动一次所述导轨则重复执行一次所述步骤S1，以得到所述测量光斑在所述面阵探测器上的相应运动量；以及步骤S3，将所述测量光斑的运动量乘以标定的斜率系数得到所述待测镜面的斜率分布，并通过对所述斜率进行积分得到所述待测镜面的高度分布。

9.根据权利要求8所述的二维长程面形检测方法，其特征在于，所述步骤S1通过投影轮廓法确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置。

10.根据权利要求8所述的二维长程面形检测方法，其特征在于，所述步骤S1结合投影轮廓法与像素细分法确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置。

说明书

一种二维长程面形检测装置及检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大尺度高精度光学元件面形检测，特别涉及一种二维长程面形检测装置及检测方法。

背景技术

[0002] 大尺度光学表面的应用日益广泛，尤以同步辐射光束线工程和高功率激光系统中的掠入射反射镜为代表。同步辐射硬X射线光束线上使用的反射镜长度可以达到1500mm，且表面质量要求很高，面型从平面、柱面到超环面均有。由于X射线的波长极短，目前的光学材料只能工作在掠入射状态，必须采用很大的入射角(接近90°)才能到较高的反射率，因此同步辐射的光学元件一般长条状。

[0003] 同步辐射用光学元件使用波段多为硬X射线波段，因为波长很短，因此对表质量面要求极高。第三代同步辐射装置对光学元件的表面斜率误差普遍要求小于1μard(RMS)，最高要求小于100nrad(RMS)。如此高精度大尺度的光学元件加工能力严重依赖于检测能力，因此高精度大尺度光学检测问题一直是国际同步辐射光学界以及光学元件加工领域的研究热点。

[0004] 同步辐射光学元件准直或聚焦时子午方向曲率半径往往较大，通常使用数公里甚至更大，这时多使用压弯机构对长反射镜进行子午方向压弯，形成圆柱或椭圆柱面等形状。压弯方向分为向上、侧向和向下三种，即压弯时反射镜的镜面方向可能有三种取向。压弯机构的检测需要在不同压力下测试压弯系统压出的曲率半径以及面形斜率误差是否达标，测试过程需要不断调整压弯机构的各种参数，每次调整完后需对整个反射镜进行重新检测，直到得到理想的压弯曲率半径和斜率误差分布。

[0005] 现有的面形检测手段主要有长程面形仪(Long trace profiler-LTP)、干涉仪拼接、夏克-哈特曼(Shark-Hartmann)波前传感器拼接、干涉仪斜入射法、纳弧度测量仪(Nanometer Optical component Measuring Machine-NOM)等。LTP和NOM均为一维扫描测量，区别为LTP采用自行设计的各种光路得到待测表面的斜率信息，检测精度可达到0.2μard；NOM将LTP中的部分光路用自准直仪代替，同样得到待测表面的斜率信息，检测精度可达到50nrad。

[0006] 干涉仪拼接和Shark-Hartmann拼接方法均采用拼接方法得到大尺度光学元件的表面信息。干涉仪得到的是表面高度分布信息，斜率分布可以通过对高度信息进行微分得到；Shark-Hartmann拼接方法得到的是光学元件表面的斜率信息，通过对结果积分可以得到表面高度分布信息。拼接方法严重依赖于使用的拼接算法和运动导轨的运动精度，同时拼接时每步扫描需要80％以上的面积重合，因此检测效率低下。

[0007] 干涉仪斜入射的方法是使用大口径的激光面形干涉仪对待测表面进行斜入射，以扩大待测面积。该方法测量精度依赖于干涉仪本身的精度，同时由于检测时干涉仪标准镜与干涉仪距离过大，无法得到高的检测精度。因该方法成本较低，检测时间较短，多用于工厂生产检测中，用于检测表面斜率误差要求不高的反射镜。

[0008] 现有面形检测方法存在的问题主要有，一维扫描检测方法如LTP和NOM，检测结果只能反映反射镜面上一条线的表面信息，无法得到二维表面信息。而压弯机构检测的一个重要指标——表面扭曲，其反映压弯时反射镜面是否发生扭曲，这一技术要求对表面信息进行二维测量才能得出。干涉仪和Shack—Hartmann方法由于自身设备的结构原因，难以检测压弯机构，也不适用于表面曲率半径较小的非平面光学元件。

发明内容

[0009] 本发明为克服上述已有检测技术的不足，提供一种二维长程面形检测装置及检测方法，以通过导轨运动扫描得到光学元件表面的二维信息，实现大尺度光学元件表面质量检测和高精度压弯机构检测。

[0010] 为了实现上述目的，本发明一方面提供一种二维长程面形检测装置，用于实现待测镜面的面形检测，其包括单色光光源、二维阵列结构π位相板、分光棱镜、导轨、装设于导轨上的五角棱镜、透镜、直角棱镜模块以及面阵探测器；

[0011] 其中，所述单色光光源设置为出射一光束，该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜，经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜，经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面，而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜，再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器，并在所述面阵探测器上形成测量光斑。

[0012] 优选地，所述单色光光源为半导体激光器或氦氖激光器。

[0013] 优选地，所述二维阵列结构π位相板呈一字型或十字型。

[0014] 优选地，所述导轨为机械导轨或气浮导轨。

[0015] 优选地，所述透镜为f-θ型透镜。

[0016] 优选地，所述直角棱镜模块包括多个直角棱镜。

[0017] 优选地，所述面阵探测器CCD探测器或CMOS型探测器。

[0018] 本发明另一方面提供一种二维长程面形检测方法，该方法利用前述的二维长程面形检测装置实现待测镜面的面形检测，包括以下步骤：

[0019] 步骤S1，首先通过所述单色光光源出射一光束，以使该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜，经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜，经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面，而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜，再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器，并在所述面阵探测器上形成测量光斑，然后确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置；

[0020] 步骤S2，将所述导轨沿所述待测镜面不断移动，并且每移动一次所述导轨则重复执行一次所述步骤S1，以得到所述测量光斑在所述面阵探测器上的相应运动量；以及[0021] 步骤S3，将所述测量光斑的运动量乘以标定的斜率系数得到所述待测镜面的斜率分布，并通过对所述斜率进行积分得到所述待测镜面的高度分布。

[0022] 优选地，所述步骤1通过投影轮廓法确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置。

[0023] 优选地，所述步骤1结合投影轮廓法与像素细分法确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置。

[0024] 通过采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

[0025] 首先，本发明利用多个二维阵列结构π位相板产生远场十字暗线阵列，可以得到待测镜面的二维信息，从而能够快速实现对大尺度高精度待测镜面的二维高精度扫描测量，以得到待测表面的二维斜率分布和高度分布信息；其次，本发明采用的五角棱镜的特性是使入射的光束转折90°，当五角棱镜的姿态发生变化时也不会影响出射光的角度，因此本发明对环境振动不敏感，测量精度受环境振动影响不大；再次，本发明具有自纠正能力，不需要额外增加参考光束，可以消除导轨或环境振动引起的五角棱镜晃动所带来的误差；最后，通过遮挡二维阵列结构π位相板的部分位相结构，使其仅留一个单元的位相结构，或者通过软件将其它单元的位相结构产生的测量光束屏蔽，使其仅留一个单元的测量光束，可以实现高精度一维扫描测量。

附图说明

[0026] 图1为本发明二维长程面形检测装置的光学结构示意图；

[0027] 图2为图1中的二维阵列结构π位相板的结构示意图；

[0028] 图3为图1中的二维阵列结构π位相板的远场效果图；

[0029] 图4为本发明中的二维π位相板进行一维扫描时得到的高精度结果曲线图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图1-4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

[0031] 如图1所示，本发明的二维长程面形检测装置包括半导体激光器1、二维阵列结构π位相板2、分光棱镜3、导轨(未示出)、装设于导轨上的五角棱镜4、透镜5、直角棱镜模块以及CCD探测器11。其中，CCD探测器11也可以采用CMOS型探测器或其它具有高分辨率的面阵探测器；半导体激光器1也可以采用氦氖激光器1或其它单色光光源；二维阵列结构π位相板2可以采用“一”字型、“十”字型或其它类型的几何结构；透镜5为针对半导体激光器1的特定波长优化设计的f-θ型透镜5；直角棱镜模块包括多个直角棱镜6、7、8、9、10；导轨可以采用高精度的气浮导轨，也可以采用普通的机械式导轨，因为五角棱镜4的加工精度足够对其俯仰运动误差不敏感。

[0032] 上述检测装置的光路原理为：半导体激光器1出射的准直激光束照射到二维阵列结构π位相板2上，其远场光强分布为中心为十字暗线的光斑(见图3)；而后该光束经分光棱镜3后，其中一束照射到安装在导轨上的五角棱镜4上，经由五角棱镜4转折后照射到待测镜面12上，并经待测镜面12反射后再次经过五角棱镜4转折照射到分光棱镜3上，而后经过透镜5后，再经直角棱镜6、7、8、9、10到达CCD探测器11。当导轨带动五角棱镜4沿待测镜面12扫描测量时，测量光斑在CCD探测器11上不断运动，通过测量出测量光斑在CCD探测器11上的运动量，并将运动量乘以标定的斜率系数，即可得到待测镜面12的斜率分布，再通过对斜率积分即得到待测表面的高度分布。

[0033] 前述斜率系数可以通过已有的设备或技术进行标定，如采用高精度自准直仪、双频激光干涉仪等，也可以采用微位移装置产生微小角度进行标定。标定时，在本发明装置基础上增设两块反射镜，一块用于本发明自测，一块用于自准直仪测量。两块反射镜放置于一个一维倾斜台上，调整倾斜台角度，读出自准直仪反映的角度值，同时读出本发明测量得到的测量光斑运动量对应的像素数，利用角度值除以像素数，可得到标定斜率系数。该像素数乘以标定系数即得到待测镜面12的斜率信息，进一步对斜率进行积分可得到待测镜面12的高度分布信息。每一个十字暗线的处理算法相同，最终得到待测镜面12的二维斜率分布和高度分布信息，待测光学元件的二维尺寸决定于二维阵列结构π位相板2的尺寸。

[0034] 本发明采用的二维阵列结构π位相板2为针对半导体激光器1的特定波长的位相调制器。二维阵列结构π位相板2的结构如图2所示，图中黑格表示π位相，白格表示0位相，其产生的远场衍射图如图3所示，通过合适的图像处理算法可以得到其每一个十字暗线在CCD探测器上的唯一位置坐标。上述图像处理算法优选采用投影轮廓法，具体步骤包括：对测量光斑在垂直的两个方向上投影，以得到其轮廓曲线，由于光斑中心为十字暗线，因此两个方向的投影均为中心最低的一个曲线形状，通过确定轮廓曲线的中心最低点即可就得测量光斑的具体位置。本发明还可以在投影轮廓法的基础上辅助以像素细分算法时，以进一步提高检测装置的分辨率。像素细分算法是利用像素的灰度值信息，确定图像边缘像素的具体位置，使边缘定位更准确，边缘位置确定可以使用已有的插值算法或矩阵算法实现。当仅采用投影轮廓法不辅助像素细分法时仅能定位到一个像素，若结合像素细分法后可以定位到0.1个像素。

[0035] 在需要时，通过调整二维阵列结构π位相板2的结构或软件算法，本发明的二维长程面形检测装置也可用于一维测量。其中，结构上的调整是指通过遮挡二维阵列结构π位相板2的部分位相结构，使其仅留一个单元的位相结构；软件上的调整是指通过软件将其部分单元的位相结构产生的测量光束屏蔽，使其仅留一个单元的测量光束，从而实现高精度一维扫描测量

[0036] 图4为利用本发明的二维阵列结构π位相板2对一峰谷值PV为1nm的标准反射镜进行一维扫描得到的测试结果。该标准镜出厂检测结果PV为1.09nm，RMS为0.22nm；利用本发明进行一维扫描的结果为PV1.03nm，RMS0.29nm。此检测结果说明本发明具有极高的纵向分辨率和检测精度。

[0037] 利用本发明的检测装置实现二维长程面形检测的方法包括如下步骤：

[0038] 步骤S1，首先，通过半导体激光器1出射一光束，以使该光束穿过二维阵列结构π位相板2入射到分光棱镜3，经分光棱镜3分光后入射到五角棱镜4，经五角棱镜4折射后入射到待测镜面12，而后经待测镜面12反射回五角棱镜4，再次经五角棱镜4折射后依次穿过分光棱镜3、透镜5和直角棱镜6、7、8、9、10到达CCD探测器11，并在CCD探测器11上形成测量光斑。然后，采用投影轮廓法、或者投影轮廓法与像素细分法相结合的方法确定测量光斑在CCD探测器11上的位置；

[0039] 步骤S2，将导轨沿待测镜面12不断移动，并且每移动一次导轨则重复执行一次步骤S1，以得到测量光斑在CCD探测器11上的相应运动量；以及

[0040] 步骤S3，将测量光斑的运动量乘以标定的斜率系数得到待测镜面12的斜率分布，并通过对斜率进行积分得到待测镜面12的高度分布。

[0041] 需要说明的，在进行高精度检测时，需对环境气流及温度漂移有所控制，因为当环境温度升高或降低或有气流时，引起的大气湍流会引入空气折射率梯度变化，使测量光程发生变化，从而对测量结果产生影响。

[0042] 综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下特点和优点：

[0043] (1)实现了高精度的二维扫描测量，不同于传统的长程面形仪和NOM装置，本发明利用二维阵列结构π位相板2产生远场十字暗线阵列，得到待测光学元件表面的二维信息。

[0044] (2)不仅适用于同步辐射使用的大尺度反射镜表面质量检测，也可以应用于其它类型的反射镜或透射镜的表面质量检测。

[0045] (3)对环境振动不敏感，五角棱镜4的特性是使入射的光束转折90°，当五角棱镜4的姿态发生变化时也不会影响出射光的角度，而目前商用的机械或气浮导轨产生的偏摆角小于10角秒，这么小的角度不会对五角棱镜4的特性产生影响，因此引入的振动则不会对测量结果产生影响。

[0046] (4)不需要高精度参考光学元件或高精度参考波前。

[0047] (5)因为采用二维阵列结构π位相板2产生的十字暗线定位，因此激光光源的强度漂移对检测结果无影响，因为当半导体激光器1光强出现漂移时，通过十字π位相板2后的测量光束光强也会相应变化，但中心的十字暗线位置不会变化，仅其对比度会有变化，因此半导体激光器1光强漂移对本发明的测量结果不会产生影响。

[0048] (6)由于十字π位相板2仅对光源的波长敏感，因此本发明除了可以使用半导体激光器1外，也可使用非相干性的单色光源。

[0049] 以上记载的，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，皆落入本发明专利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。