专利名称：新型球面绝对测量系统及方法
技术领域：
本发明属于先进光学检测技术领域，涉及一种光学检测系统，特别高精度的光学 镜面绝对面形检测系统及方法。
背景技术：
现代光学制造产业的迅猛发展与光学检测技术的不断完善和更新是密切相关的。 传统的光学干涉检测是采用目视或照相方法对干涉条纹进行估读，根据干涉条纹的变形来 评价被检波面的面形误差(波差)或被检光学系统的成像质量。一般地，目视估读精度为 λ/10，而且所估读的条纹变形还包含了干涉仪自身的系统误差，并非完全是被检波面的实
际误差。Fizeau型Zygo干涉仪已经被广泛用于检测光学元件表面的面形，但是干涉 仪检测精度依赖于参考面的面形精度。Zygo干涉仪对球面的检测精度约为1/10 λ PV， 1/100 λ RMS (λ =0.63^μπι)。为了达到更高检测精度的测量，需要采用绝对面形测 量技术，以去除Fizeau面面形误差对波面测量精度的影响。Jensen. A. E( "Absolute Calibration Methodfor Laser Twyman-Green Wavefront Testing Interferometers", Paper ThG19, Fall OSA Meeting, Rochester, N. Y(October 1973))首先阐述的干涉仪的 球面绝对校准方法可以在一定程度上减小参考镜引起的检测误差，从而绝对地测量出面形 误差，提高测量精度。随后 BruceE( "Absolute Interferometric Testing of Spherical Surface”SPIEVol. 1400 Optical Fabrication and Testing(1990))对需要在共焦位置、旋 转180度共焦位置与猫眼位置进行三次测量的三位置球面绝对检测法进行了详细的分析。 在此基石出上 Katherine Creath 与 JamesC. Wyant ( "Absolute Measurement of Spherical Surface" SPIEVol. 1332 Optical Testing and Metrology III :Recent Advances inlndustrial Optical Inspection (1990))针对三位置球面绝对检测法需要对被测面进 行轴上旋转测量，由此容易将旋转误差引入最后的测量结果的缺点，提出快速二位置检测 法。但由于这种方法忽略待测面的奇旋转对称误差，因此快速二位置检测法测量精度较三 位置绝对检测有所下降。Schulz (Schulz, G, 1973, Opt. Act. 20,633)提出一种对待测面进行旋转与平移的 球面绝对检测法。但该法要求高精度的旋转定位机构来保证最后的测量精度，因此在实际 应用中存在一定困难。Parks (R. Ε. Parks, C. J. Evans, and L. Shao, "Calibrationof interferometer transmission spheres, "in Optical Fabricationand Testing Workshop,OSA Technical Digest Series 12，pp. 80-83，1998.)首次提出球面的随机球平均的绝对检测法。但该法 需要进行多次测量，且只适用于F数较小的透射球面，因此该法具有较大的局限性。综上所述，尽管国外对高精度球面面形检测的理论研究的比较多，但这些球面绝 对检测的方法都有各自的缺点，较难实际使用于球面的高精度检验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为有效的弥补三位置球面绝对检测法的不足，提供 一种高精度球面绝对面形检测仪，该装置制作简单，易于实现；该法弥补了三位置检测中安 装误差对检测结果影响的不足，有效地降低了安装误差引起测量误差的问题，它不仅提高 了传统干涉仪的测量精度，也为球面绝对检测方法提供对比依据，在简化了测量过程的同 时，也增加其数据的可靠性。为了实现上述目的，本发明的一方面，是提供一种新型球面绝对测量系统，该系 统的技术方案包括计算机、光源、分光单元、滤波器、标准物镜、成像单元、被测球面反射 镜、电控平移台、数据采集传输单元，由光源、分光单元、滤波器、标准物镜及成像单元构成 的Fizeau干涉仪，光源输出端的光束入射在分光单元的分光面上，分光单元输出的光束射 入滤波器上，滤波器位于标准物镜的参考面与成像单元成像面之间；被测球面反射镜固接 在电控平移台上；计算机的数据输入输出端分别连接电控平移台的输入输出端和数据采集 传输单元的输出端；电控平移台调整标准物镜的参考面的焦点与被测球面反射镜的焦点重 合，计算机控制Fi zeau干涉仪在共焦位置对被测球面反射镜进行一次检测，得到被测球面 反射镜的第一次检测面形的数据；计算机控制电控平移台使被测球面反射镜沿其焦点在χ 与y两个方向进行共焦平移，计算机控制Fi zeau干涉仪对被测球面反射镜在χ方向上进行 共焦平移的位置处进行检测并得到被测球面反射镜第二次检测面形的数据；计算机调节电 控平移台，使被测球面反射镜绕其焦点在y方向平移△ y的位移，在该位置时再利用Fizeau 干涉仪进行检测，得到被测球面反射镜第三次检测面形的数据；数据采集传输单元采集三 次检测面形的数据并存于计算机中，计算机中的数据处理软件将被测球面反射镜反射面的 面形数据与系统误差和标准物镜参考面的误差分离，从而获得被测光学镜面的绝对面形信 肩、ο其中，所述电控平移台控制被测球面反射镜在χ与y方向产生共焦平移为亚微米 级，并控制被测球面反射镜与标准物镜的参考面始终是亚微米级的共焦。其中，所述计算机中的光学设计软件对电控平移台产生的误差进行仿真分析，利 用计算机中光学设计软件的刚体运动模型建立电控平移台产生的误差与波面偏关系对电 控平移台产生的误差给予去除。其中，所述电控平移台由自定中心镜架、绕被测球面反射镜球心两个垂直方向旋 转的摆台、三维平移台组成，安装在摆台上的自定中心镜架用于装卡被测球面反射镜，在自 定中心镜架后面依次安装绕被测球面反射镜焦点旋转的摆台和三维平移台。其中，所述光源是0. 6328 μ m的He-Ne光源，或通过对Fizeau干涉仪专门设计光 源，也可采用红外光源。其中，所述标准物镜根据被测球面反射镜参数设计，可检测凸面的被测球面反射 镜，也可检测凹面的被测球面反射镜。为了实现上述目的，本发明的二方面，是提供一种使用新型球面绝对测量系统的 新型球面绝对测量方法，该方法的技术方案包括步骤如下步骤Sl 根据被测球面反射镜的F数选定Fizeau干涉仪的标准物镜，使标准物镜 的F数大于或等于被测球面反射镜的F数；步骤S2 通过调节测量系统的电控平移台使被测球面反射镜位于Fizeau干涉仪的标准物镜的共焦位置处，调整标准物镜的参考面的像与被测球面反射镜的像重合，通过 电控平移台调整被测球面反射镜使Fizeau干涉仪尽可能的获得零条纹；如果标准物镜参 考面的像与被测球面反射镜的像重合，则执行步骤S3，如果标准物镜参考面的像与被测球 面反射镜的像不重合或计算机获得的干涉图不是零条纹，则返回步骤Sl并继续调节电控 平移台；步骤S3 利用Fizeau干涉仪对位该位置处的被测球面反射镜进行检测，然后通过 数据采集传输单元将检测到的被测球面反射镜的面形数据存于计算机中；步骤S4 调节电控平移台，使被测球面反射镜绕其焦点在χ方向平移Δχ的位移， 如果此时标准镜头的像与被测球面反射镜重合并计算机获得干涉图为零条纹则返回步骤 S3，如不重合则继续调整电控平移台直到标准镜头的像与被测球面反射镜重合并计算机获 得干涉图为零条纹为止；步骤S5 调节电控平移台，使被测球面反射镜回到未平移前的位置；步骤S6 调节电控平移台，使被测球面反射镜绕其焦点在y方向平移Ay的位移； 如果此时标准镜头的像与被测球面反射镜重合并计算机获得干涉图为零条纹则返回步骤 S3，如不重合则继续调整电控平移台直到标准镜头的像与被测球面反射镜重合并计算机获 得干涉图为零条纹为止；步骤S7 由于三次检测过程中系统误差与标准物镜的参考面误差均无改变，在计 算机中分别在后两次平移位置处的测量结果中减去第一次的测量结果，就将系统误差与参 考面误差分离，从而达到面形绝对检测目的。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明的系统中采用电控平移台控制被测球面反射镜在X与y向进行平移，减 少传统三位置绝对检测法既需要平移又需要进行旋转而带来的装调误差。(2)本发明的系统中通过对三次检测的数据进行处理，可以完全消除干涉仪系统 误差及参考面误差对被测球面反射镜面形的影响。(3)本发明的中的标准物镜可以按需要进行设计不但可以检测凹球面，也可以检 测凸球面。具有较大的适用范围。(4)本发明利用被测球面反射镜平移后进行检测，在整个检测过程中干涉仪、参考 面及外界环境没有变化。因此通过数据处理可以较完全的去除这些外界因素对检测结果的影响。(5)本发明通过两次平移三次检测即可获得被测球面反射镜整个面形的信息，具 有较大的实用价值。(6)本发明整个检测过程只需要由计算机控制电控平移台进行共焦平移，对检测 仪器的要求较低易于实现。综上所述，本发明通过被测球面反射镜在χ与y方向进行两次共焦平移。将三次 检测数据进行处理从而将干涉仪系统误差、参考面形误差与被测球面反射镜面形误差相分 离，因此具有较高的测量精度。本发明避免传统绝对检测法需要对待侧镜进行平移旋转的 测量，减少装调误差对最后测量结果的影响。
图1为本发明中被测球面反射镜为凹球面时测量系统示意图；图Ia是被测球面反射镜在共焦位置时，被测球面反射镜共焦平移后。图2为本发明中干涉仪标准物镜的参考面与被测球面反射镜的测试面相对位置 示意图；图3为本发明中提到的新型三位置凸球面绝对测量系统示意图；图4为本发明中提到的电控平移台各部件间的连接示意图；图5为本发明整个数据处理的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。图1为用于凹球面检测的新型凹球面绝对测量系统示意图，图3为用于凸球面检 测的新型凸球面绝对测量系统示意图，本发明用于凹球面和凸球面检测的绝对测量系统除 干涉仪的标准物镜5外其余结构完全相同。如图1和图3所示，新型球面绝对测量系统包 括计算机1、光源2、分光单元3、滤波器4、标准物镜5、成像单元6、被测球面反射镜7、电控 平移台8、数据采集传输单元9。计算机1控制Fizeau干涉仪在共焦位置对被测球面反射 镜7进行一次检测，得到被测球面反射镜的第一次检测面形的数据；计算机1控制电控平移 台8使被测球面反射镜7沿其焦点在χ与y两个方向进行共焦平移，计算机1控制Fizeau 干涉仪对被测球面反射镜7在χ方向上进行共焦平移的位置处进行检测并得到被测球面反 射镜7第二次检测面形的数据；计算机1调节电控平移台8，使被测球面反射镜7绕其焦点 在y方向平移Ay的位移，在该位置时再利用Fizeau干涉仪进行检测，得到被测球面反射 镜7第三次检测面形的数据；数据采集传输单元9采集三次检测面形的数据并存于计算机 1中，计算机1中的数据处理软件将被测球面反射镜7反射面的面形数据与系统误差和标准 物镜5参考面的误差分离，从而获得被测光学镜面的绝对面形信息。首先通过电控平移台8调整被测球面反射镜7于标准物镜5的共焦位置处，通过 计算机1控制Fizeau干涉仪在该位置对被测球面反射镜7进行一次检测，检测数据通过数 据采集传输单元9存于计算机1中，然后通过计算机1控制电控平移台8使被测球面反射 镜7沿其球心在χ与y两个方向进行共焦平移，被测球面反射镜7共焦平移至被测球面反 射镜7a的位置，如图Ia所示。如图2示出本发明中干涉仪标准物镜5的参考面10与被测球面反射镜7的测试 面11相对位置示意图，在X方向的平移由控制电控平移台8控制被测球面反射镜7的测试 面11沿标准物镜5的焦点在χ方向的平移产生，在y方向的平移由控制电控平移台8控制 被测球面反射镜7的测试面11沿标准物镜5的焦点在y方向的平移产生。最后通过计算 机1数据采集传输单元9对被测球面反射镜7在χ与y两个平移位置进行面形检测，检测数 据通过数据采集传输单元9存于计算机1中。三次检测的数据由安装在计算机上的数据处 理软件把被测球面反射镜7的面形数据与整个新型球面绝对检测系统的误差和标准物镜5 的参考面的误差分离开来，从而获得被测球面反射镜7的绝对面形信息。图4本发明中提到的电控平移台各部件间的连接示意图，电控平移台8依次由自定中心镜架81、绕被测球面反射镜7球心两个垂直方向旋转的摆台82和三维平移台83组 成。安装在摆台82上的自定中心镜架81用于装卡被测球面反射镜7，电控平移台8可以电 控或手动调整。如图5示出本发明的检测步骤和数据处理流程如下步骤Sl 根据被测球面反射镜7的F数选定干涉仪的标准物镜5，需使标准物镜5 的F数大于或等于被测球面反射镜7的F数。步骤S2 按图1所示搭建检测系统。通过调节电控平移台8使被测球面反射镜7 位于干涉仪标准物镜5的共焦位置处，如果标准物镜5参考面的像与被测球面反射镜7的 像重合，则执行步骤S3，如果标准物镜5参考面的像与被测球面反射镜7的像不重合或干涉 图不是零条纹，则返回步骤Sl并继续调节电控平移台8。调节与判别法参考Zygo干涉仪使 用说明“two sphere test，Chapter2 :6_11”。调整标准物镜5的参考面的像与被测球面反 射镜7的像重合，通过电控平移台8调整被测球面反射镜7使干涉仪尽可能的获得零条纹。步骤S3 利用Fizeau干涉仪对位于共焦位置处的被测球面反射镜7进行检测。然 后通过数据采集传输单元9将检测到的被测球面反射镜的面形数据存于计算机1数据处理 系统中。步骤S4 调节电控平移台8，使被测球面反射镜7绕其焦点在χ方向平移△ χ的位 移共焦剪切，如果标准物镜5参考面的像与被测球面反射镜7的像重合，则执行步骤S5并 且也返回步骤S3，如标准物镜5参考面的像与被测球面反射镜7的像不重合，则继续调整电 控平移台8直到标准镜头5的像与被测球面反射镜7重合并计算机1获得干涉图为零条纹 为止；在该位置对被测球面反射镜7的进行面形检测，然后通过数据采集传输单元9将此时 检测到的被测球面反射镜7的面形数据存于计算机1中。步骤S5 调节电控平移台8，使被测球面反射镜7回到未平移前的位置。步骤S6 调节电控平移台8，使被测球面反射镜7绕其焦点在y方向平移△ y的位 移的共焦剪切，如果标准物镜5参考面的像与被测球面反射镜7的像重合，计算机1获得干 涉图为零条纹，则执行步骤S3，如果标准物镜5参考面的像与被测球面反射镜7的像不重 合，则继续调整调节电控平移台8到标准镜头5的像与被测球面反射镜7重合并计算机1 获得干涉图为零条纹为止。在该位置对其进行面形检测，然后通过数据采集传输单元9将 此时检测到的被测球面反射镜7的面形数据存于计算机1中。步骤S7 由于三次检测过程中系统误差与参考面误差均无改变，因此在计算 机1中分别在后两次平移位置处的测量结果中减去第一次的测量结果，就可将系统 误差与参考面误差分离从而达到面形绝对检测目的。通过相位梯度恢复薄面相位的 有关数据处理方法可参考文献(Richard H. Hudgin. "Wave-front reconstruction for compensatedimaging"J. Opt. Soc. Am, Vol. 67, No. 3, March 1977)与 (D. L. Fried "Least-squares fitting a wave-frontdistortion estimate to an array of phase-differencemeasurements”。J. Opt. Soc. Am. 67，370—375，1977)主要数据处理方 法如下Fizeau干涉仪一次面形测量结果可以表示为M^x, y) = ffE(x, y)+ffs(x, y)+ffT(x, y)(1)其中WK(x，y)是标准物镜5的参考面引入的误差，Ws (x，y)是Fizeau干涉仪自身的误差，WT(x，y)是被测球面反射镜7的待测面的面形。M1(Xj)表示第一次共焦位置处的 测量数据，该系统误差与参考面误差在多次测量过程中保持不变。控制电控平移台8在保持被测球面反射镜7与标准物镜5的参考面共心的前提 下，分别在χ与y方向平移Δχ与Ay。两次测量的结果可由下式表达
权利要求
1.新型球面绝对测量系统，其特征在于，含有计算机(1)、光源(2)、分光单元(3)、滤 波器(4)、标准物镜(5)、成像单元(6)、被测球面反射镜(7)、电控平移台(8)及数据采集传 输单元(9)；其中由光源(2)、分光单元(3)、滤波器(4)、标准物镜(5)及成像单元(6)构 成的Fi zeau干涉仪；光源(2)输出端的光束入射在分光单元(3)的分光面上，分光单元 (3)输出的光束射入滤波器(4)上，滤波器(4)位于标准物镜(5)的参考面与成像单元(6) 成像面之间；被测球面反射镜(7)固接在电控平移台(8)上；计算机(1)的数据输入输出 端分别连接电控平移台(8)的输入输出端和数据采集传输单元(9)的输出端；电控平移台 (8)调整标准物镜(5)的参考面的焦点与被测球面反射镜(7)的焦点重合，计算机(1)控制 Fizeau干涉仪在共焦位置对被测球面反射镜(7)进行一次检测，得到被测球面反射镜的第 一次检测面形的数据；计算机(1)控制电控平移台(8)使被测球面反射镜(7)沿其焦点在 χ与y两个方向进行共焦平移，计算机(1)控制Fi zeau干涉仪对被测球面反射镜(7)在χ 方向共焦平移位置处进行检测并得到被测球面反射镜(7)第二次检测面形的数据；计算机 (1)调节电控平移台(8)使被测球面反射镜(7)绕其焦点在y方向平移Ay的位移，在该位 置时再利用Fizeau干涉仪进行检测，得到被测球面反射镜(7)第三次检测面形的数据；数 据采集传输单元(9)采集三次检测面形的数据并存于计算机(1)中，计算机(1)中的数据 处理软件对三次面形检测数据进行处理将被测球面反射镜(7)反射面的面形数据与系统 误差和标准物镜(5)参考面的误差分离，从而获得被测球面反射镜的绝对面形信息。
2.根据权利要求1所述的新型球面绝对测量系统，其特征在于所述电控平移台(8) 控制被测球面反射镜(7)在χ与y方向产生共焦平移为亚微米级，并控制被测球面反射镜 (7)与标准物镜(5)的参考面始终是亚微米级的共焦。
3.根据权利要求1所述的新型球面绝对测量系统，其特征在于所述计算机(1)中的 光学设计软件对电控平移台(8)产生的误差进行仿真分析，利用计算机(1)中光学设计软 件的刚体运动模型建立电控平移台(8)产生的误差与波面偏关系对电控平移台(8)产生的 误差给予去除。
4.根据权利要求1所述的新型球面绝对测量系统，其特征在于所述电控平移台(8) 由自定中心镜架(81)、绕被测球面反射镜(7)球心两个垂直方向旋转的摆台(82)、三维平 移台(83)组成，安装在摆台(82)上的自定中心镜架(81)用于装卡被测球面反射镜(7)，在 自定中心镜架(81)后面依次安装绕被测球面反射镜(7)焦点旋转的摆台(82)和三维平移 台(83)。
5.根据权利要求1所述的新型球面绝对测量系统，其特征在于光源(2)是0.6328μ m 的He-Ne光源，或通过对Fizeau干涉仪专门设计光源，也可采用红外光源。
6.根据权利要求1所述的新型球面绝对测量系统，其特征在于所述标准物镜(5)根 据被测球面反射镜(7)参数设计，可检测凸面的被测球面反射镜(7)，也可检测凹面的被测 球面反射镜(7)。
7.一种使用权利要求1所述新型球面绝对测量系统的球面绝对测量方法，其特征在 于，使用新型球面绝对测量系统的测量步骤如下步骤Sl 根据被测球面反射镜(7)的F数选定Fizeau干涉仪的标准物镜(5)，使标准 物镜(5)的F数大于或等于被测球面反射镜(7)的F数；步骤S2:通过调节测量系统的电控平移台(8)使被测球面反射镜(7)位于Fizeau干涉仪的标准物镜(5)的共焦位置处，调整标准物镜(5)的参考面的像与被测球面反射镜(7) 的像重合，通过电控平移台(8)调整被测球面反射镜(7)使Fizeau干涉仪尽可能的获得零 条纹；如果标准物镜(5)参考面的像与被测球面反射镜(7)的像重合，则执行步骤S3，如果 标准物镜(5)参考面的像与被测球面反射镜(7)的像不重合或计算机(1)获得的干涉图不 是零条纹，则返回步骤Sl并继续调节电控平移台(8)；步骤S3 利用Fizeau干涉仪对位该位置处的被测球面反射镜(7)进行检测，然后通过 数据采集传输单元(9)将检测到的被测球面反射镜的面形数据存于计算机中(1)；步骤S4 调节电控平移台(8)，使被测球面反射镜(7)绕其焦点在χ方向平移Δχ的位 移，如果此时标准镜头(5)的像与被测球面反射镜(7)重合且计算机(1)获得干涉图为零 条纹则执行步骤S5并且也返回步骤S3，如不重合则继续调整电控平移台(8)直到标准镜头 (5)的像与被测球面反射镜(7)重且并计算机(1)获得干涉图为零条纹为止； 步骤S5:调节电控平移台(8)，使被测球面反射镜(7)回到未平移前的位置； 步骤S6 调节电控平移台(8)，使被测球面反射镜绕(7)其焦点在y方向平移Ay的位 移；如果此时标准镜头(5)的像与被测球面反射镜(7)重合，计算机(1)获得干涉图为零条 纹则返回步骤S3，如不重合则继续调整电控平移台(8)直到标准镜头(5)的像与被测球面 反射镜(7)重合并计算机(1)获得干涉图为零条纹为止；步骤S7:由于三次检测过程中系统误差与标准物镜(5)的参考面误差均无改变，在计 算机(1)中分别在后两次平移位置处的测量结果中减去第一次的测量结果，就将系统误差 与参考面误差分离，从而达到面形绝对检测目的。
全文摘要
本发明是一种新型球面绝对测量系统及方法，系统包括含有计算机、光源、分光单元、滤波器、标准物镜、被测球面反射镜、电控平移台及数据采集传输单元；首先通过电控平移台调整被测球面反射镜位于标准物镜的共焦位置处，通过计算机控制Fizeau干涉仪在该位置对被测球面反射镜进行一次面形检测并将该检测数据存于计算机中，然后通过计算机控制电控平移台，使待测反射镜绕焦点相对于干涉仪光轴分别产生Δx和Δy的共焦剪切，利用干涉仪又分别进行两次检测并将这两次的检测数据存于计算机中，三次检测的面形数据由安装在计算机上的数据处理软件把被测反射镜面形数据与系统误差和参考面的误差分离开来，从而获得被测待光学镜面的绝对面形信息。
文档编号G01B11/24GK102095385SQ201010586838
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者万勇建, 伍凡, 侯溪, 杨鹏 申请人:中国科学院光电技术研究所