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專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大口徑平面光學(xué)元件面型干涉法測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光學(xué)元件的制造是一種動(dòng)態(tài)的集成制造模式，面型測(cè)試作為一項(xiàng)重要的反饋和評(píng)估指標(biāo)，對(duì)于確保光學(xué)元件的制造質(zhì)量是必不可少的。隨著大型光學(xué)元件加工質(zhì)量要求的不斷提升，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵也不斷豐富，全口徑、全空間頻率的質(zhì)量控制成為制造過(guò)程的新目標(biāo)，而全口徑、全空間頻率的面型誤差的檢測(cè)也就成了大口徑光學(xué)元件的主要目標(biāo)。子孔徑拼接干涉測(cè)量是大口徑光學(xué)元件測(cè)量的重要技術(shù)手段之一，也是世界各國(guó)廣泛認(rèn)同的技術(shù)方式。子孔徑拼接干涉測(cè)量的原理是，利用小口徑的干涉儀獲取大口徑光學(xué)元件的小部分面型，并通過(guò)多孔徑的拼接算法復(fù)原全口徑面型。這樣不但保證了干涉測(cè)量的高精度，而且免去了使用和全孔徑尺寸相同的標(biāo)準(zhǔn)面，從而大大降低了成本，并同時(shí)可以測(cè)得大口徑干涉儀所難以測(cè)得的中、高頻信息。平面元件面型的干涉檢測(cè)是一種相對(duì)測(cè)量，即利用平面度較高的平晶作為標(biāo)準(zhǔn)鏡，通過(guò)相移干涉法得到待測(cè)平面與標(biāo)準(zhǔn)鏡之間的誤差。目前，小口徑平面干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)鏡必須用一等平晶，通常一等平晶要求PV值小于0.05 μ m。而高精度的被測(cè)大口徑平面在單位干涉測(cè)量區(qū)域內(nèi)PV值也接近甚至小于0.05 μ m,這樣，相對(duì)檢測(cè)所產(chǎn)生的誤差就明顯偏大。其中，低頻誤差對(duì)傳統(tǒng)拼接方法有致命的影響。由于低頻誤差的介入，各子孔徑間的相對(duì)傾斜的不確定度增大，因此，子孔徑拼接的累積誤差極為容易擴(kuò)大，導(dǎo)致拼接結(jié)果的PV值，RMS值與面型圖與真實(shí)值差距過(guò)大。因此，子孔徑拼接法高精度大口徑平面光學(xué)元件的困擾，亟待新方法解決。因此，本發(fā)明提 出一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，以達(dá)到減少相對(duì)檢測(cè)所引起的低頻誤差，提高子孔徑拼接檢測(cè)精度的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服平面子孔徑拼接干涉測(cè)量中，現(xiàn)有的子孔徑拼接技術(shù)檢測(cè)高精度大口徑平面光學(xué)元件精度低的不足，提出一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)子孔徑拼接干涉檢驗(yàn)的高精度測(cè)試。本發(fā)明提出的基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，該方法通過(guò)逐個(gè)測(cè)量指定位置的子孔徑，并利用坐標(biāo)變換、最小二乘法等數(shù)學(xué)手段，修正子孔徑間相對(duì)傾斜、位移、標(biāo)準(zhǔn)面誤差，以實(shí)現(xiàn)子孔徑間重疊區(qū)域相位精確擬合。其測(cè)量裝置包括被測(cè)平面、二維平移臺(tái)(XZ方向平移臺(tái))、干涉儀(菲索型干涉儀)、作為干涉儀附件的標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡。標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡放在干涉儀與被測(cè)平面之間，調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)X與Z軸的平移，使干涉儀出瞳對(duì)準(zhǔn)被測(cè)平面中心區(qū)域。再通過(guò)調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)X與Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，目的讓干涉儀出射波面法線與被測(cè)區(qū)域法線近似重合，從而使干涉儀出射的參考平面波前與所測(cè)區(qū)域的平面波前近似重合，這樣入射到被測(cè)區(qū)域的光線就能夠近似的沿原路返回。干涉儀在此光學(xué)表面區(qū)域進(jìn)行干涉測(cè)量，得到一個(gè)子孔徑。通過(guò)調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)X與Z軸的平移，到達(dá)下一個(gè)指定待測(cè)區(qū)域，即第二個(gè)子孔徑，得到第二個(gè)子孔徑的測(cè)量值，兩子孔徑之間有重疊區(qū)，重疊區(qū)大小由被測(cè)樣品輪廓、尺寸與干涉儀出瞳尺寸決定，這樣就得到待拼接的兩子孔徑。理論上，在重疊區(qū)域內(nèi)兩次檢測(cè)得到的波前相位值應(yīng)該是相等的，也即兩次檢測(cè)相位數(shù)據(jù)位于同一個(gè)面，而實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，因?yàn)橐苿?dòng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的傾斜、平移等誤差，重疊區(qū)域兩次測(cè)量得到的相位值不同，兩個(gè)面并不重合。應(yīng)用坐標(biāo)變換，使兩孔徑坐標(biāo)統(tǒng)一起來(lái)，再通過(guò)最小二乘法擬合重疊區(qū)相位，計(jì)算兩子孔徑相對(duì)傾斜、位移、標(biāo)準(zhǔn)面的Zernike系數(shù)，并通過(guò)校準(zhǔn)相對(duì)傾斜、位移，去除標(biāo)準(zhǔn)面的Zernike表達(dá)式所描述的低頻誤差，使兩孔徑重疊區(qū)相位精確擬合，從而完成兩子孔徑的拼接。上述發(fā)明的目的通過(guò)以下的方法實(shí)現(xiàn):
一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，采用平面光學(xué)元件檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，所述檢測(cè)裝置包括二維平移臺(tái)、干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡，所述標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡固定于干涉儀出瞳端，所述二維平移臺(tái)上放置有平面光學(xué)元件，所述干涉儀的出瞳正對(duì)平面光學(xué)元件，使平面光學(xué)元件平行于標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡，以便測(cè)量干涉圖像，具體步驟如下:
(I)將所述平面光學(xué)元件固定在二維平移臺(tái)上，干涉儀對(duì)準(zhǔn)所述平面光學(xué)元件的位
置；
(2)調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)到達(dá)指定目標(biāo)分布區(qū)域；
(3)使干涉儀出瞳對(duì)準(zhǔn)平面光學(xué)元件進(jìn)行采集測(cè)量計(jì)算，得到該子孔徑面型信息；
(4)重復(fù)步驟(2)和(3)，直到完成全部子孔徑的測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)所述平面光學(xué)元件的子孔徑測(cè)量。本發(fā)明中，所述二維平移臺(tái)采用XZ方向平移臺(tái)。本發(fā)明中，所述干涉儀采用菲索型干涉儀。本發(fā)明中，步驟(2)中移動(dòng)二維平移臺(tái)到達(dá)指定目標(biāo)分布區(qū)域，利用小口徑干涉儀對(duì)所述平面光學(xué)元件的指定目標(biāo)分布區(qū)域，即子孔徑區(qū)域進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明針對(duì)高精度平面光學(xué)元件面形精度較高的特點(diǎn)，通過(guò)校準(zhǔn)相對(duì)傾斜、位移、去除標(biāo)準(zhǔn)面的Zernike表達(dá)式，完成大口徑光學(xué)平面的子孔徑檢測(cè)的目的，為大口徑平面元件檢驗(yàn)提供一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)方法。


圖1是本發(fā)明平面光學(xué)元件干涉檢測(cè)裝置的俯視圖。圖中標(biāo)號(hào):1為二維平移臺(tái)，2為平面光學(xué)元件，3為標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡，4為干涉儀。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1:其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置包括二維(XZ)平移臺(tái)1、標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡3、菲索型干涉儀4，標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡3固定在菲索型干涉儀4出瞳端，同時(shí)，平面光學(xué)元件2置于XZ平移臺(tái)I上，從而可以調(diào)節(jié)平面光學(xué)元件2的位置，小口徑干涉儀4的出瞳正對(duì)平面光學(xué)元件2，調(diào)節(jié)XZ平移臺(tái)I的X與Z方向的旋轉(zhuǎn)，使平面光學(xué)元件2平行于標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡3，以便測(cè)量干涉圖像。利用上述裝置進(jìn)行基于子孔徑拼接的平面光學(xué)元件檢測(cè)方法，測(cè)試步驟如下:
①將平面光學(xué)元件2固定在XZ平移臺(tái)I上，菲索型干涉儀4對(duì)準(zhǔn)平面光學(xué)元件2的位置；
②調(diào)節(jié)XZ平移臺(tái)1，使菲索型干涉儀4出瞳對(duì)準(zhǔn)平面光學(xué)元件2的預(yù)設(shè)計(jì)的子孔徑位置之一，菲索型干涉儀4對(duì)該部分進(jìn)行采集計(jì)算，得到該子孔徑面型信息；
③重復(fù)上述步驟③，直到完成全部子孔徑的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)平面光學(xué)元件2的子孔徑測(cè)量。根據(jù)所述的基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，所述的拼接方法是應(yīng)用坐標(biāo)變換，使兩孔徑坐標(biāo)統(tǒng)一起來(lái)，再通過(guò)最小二乘法擬合重疊區(qū)相位。通過(guò)計(jì)算公式
權(quán)利要求
1.一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，其特征在于采用平面光學(xué)元件檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，所述檢測(cè)裝置包括二維平移臺(tái)、干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡，所述標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡固定于干涉儀出瞳端，所述二維平移臺(tái)上放置有平面光學(xué)元件，所述干涉儀的出瞳正對(duì)平面光學(xué)元件，使平面光學(xué)元件平行于標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡，以便測(cè)量干涉圖像，具體步驟如下: (1)將所述平面光學(xué)元件固定在二維平移臺(tái)上，干涉儀對(duì)準(zhǔn)所述平面光學(xué)元件的位置； (2)調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)到達(dá)指定目標(biāo)分布區(qū)域； (3)使干涉儀出瞳對(duì)準(zhǔn)平面光學(xué)元件進(jìn)行采集測(cè)量計(jì)算，得到該子孔徑面型信息； (4)重復(fù)步驟(2)和(3)，直到完成全部子孔徑的測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)所述平面光學(xué)元件的子孔徑測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，其特征在于所述二維平移臺(tái)采用XZ方向平移臺(tái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，其特征在于所述干涉儀采用菲索型干涉儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法，其特征在于步驟(2)中移動(dòng)二維平移臺(tái)到達(dá)指定目標(biāo)分布區(qū)域，利用小口徑干涉儀對(duì)所述平面光學(xué)元件的指定目標(biāo)分 布區(qū)域，即子孔徑區(qū)域進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學(xué)元件面型檢測(cè)方法。所述檢測(cè)裝置包括二維平移臺(tái)、干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)平面透鏡，具體步驟為將所述平面光學(xué)元件固定在二維平移臺(tái)上，干涉儀對(duì)準(zhǔn)所述平面光學(xué)元件的位置；調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)到達(dá)指定目標(biāo)分布區(qū)域，使干涉儀出瞳對(duì)準(zhǔn)平面光學(xué)元件的幾何中心部分，干涉儀對(duì)該幾何中心部分進(jìn)行采集測(cè)量計(jì)算，得到該子孔徑面型信息；重復(fù)前述步驟，直到完成全部子孔徑的測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)所述平面光學(xué)元件的子孔徑測(cè)量。本發(fā)明針對(duì)高精度平面光學(xué)元件面形平面度較高的特點(diǎn)，通過(guò)一定拼接算法恢復(fù)完整被測(cè)平面元件面型，為高精度平面光學(xué)元件面型檢驗(yàn)提供一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)方法。
文檔編號(hào)G01B11/24GK103217125SQ20131009855
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者沈正祥, 徐旭東, 孫曉雁, 王曉強(qiáng), 馬彬, 程鑫彬, 王占山 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)