大口径凸锥镜面形检测系统及检测方法与流程

本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种大口径凸锥镜面形拼接检测装置及检测方法。

背景技术：

锥镜作为一种特殊的非球面光学元件，也称作轴对称棱镜，可以将准直光束转换为环形光束，在光学成像系统、激光加工，激光束整形、光刻机环形照明产生等方面有着重要的作用。目前，商用zygo干涉仪、4d干涉仪等均无法直接用于锥镜面形的检测，锥镜面形的检测方法仍然以接触式为主，例如采用三坐标或轮廓仪，这类方法的特点是仅能测量锥镜面形上某一部分轮廓的点，不是真正意义上的面形检测。锥镜的确定性光学加工一直受限于其面形检测技术，影响了其应用范围和成本。

在先技术1(kuchelmichael.interferometricmeasurementofrotationallysymmetricasphericsurfaces.spie.2009:738916)推出的面向同轴非球面测量的环形子孔径扫描拼接测量系统，理论上也可以用于锥镜面形的拼接检测。通过沿轴向移动待测非球面镜，使球面检测波与待测镜的不同环带相切产生环形干涉条纹，记录干涉图及形成干涉图的位置，进行反向计算，得到待测镜面形。该方法应用于锥镜面形的测量时，每次能有效测量的锥镜区域很小，导致拼接测量次数多，测量效率低。且该方法不能直接用于凸锥镜的面形测量。

在先技术2(junma,christofpruss,rihongzhu,zhishangao,caojinyuan,andwolfgangosten,"anabsolutetestforaxiconsurfaces,"opt.lett.36,2005-2007(2011))采用计算全息图作为补偿镜，检测凸锥镜的面形，凸锥镜的口径大小daxicon与干涉仪口径大小dcgh之间满足关系：其中β为锥镜锥角，可见凸锥镜的口径大小受到干涉仪口径大小的限制。对于口径的大口径凸锥镜，只有通过更换更大口径的计算全息片和干涉仪才能进行测量，增加了测量成本和计算全息片的制作难度。

在先技术3(袁乔，曾爱军，张善华，黄惠杰，轴锥镜面形和锥角的检测方法，中国发明专利201310180723.x)公开了一种锥镜面形测量方法。该方法实际是对凸锥镜透射波前的测量，测试光路在测试过程中经过了锥镜不同测试区域，虽然测量结果能够评估被测锥镜的面形质量，但测量结果不能用来作为反馈加工的依据。且该方法可测的凸锥镜口径受限于干涉仪的口径。

目前还没有高效的、高精度的大口径凸锥镜面形测量装置和方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种大口径凸锥镜面形拼接检测装置及检测方法，该方法具有装置简单、测量效率高、测量口径范围大的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种口径凸锥镜面形拼接检测装置，其特点在于包含：波面测量干涉仪，平面标准镜、计算全息片和供待测凸锥镜放置的工件台；

所述的干涉仪支架用于固定波面测量干涉仪，所述的工件台能够垂直于波面测量干涉仪光轴方向360度旋转调节，且能够平行于波面测量干涉仪光轴方向平移调节，所述的波面测量干涉仪、平面标准镜和计算全息片共轴，所述的工件台的平移运动轴、待测凸锥镜的对称轴和工件台的旋转轴共轴；所述的计算全息片衍射产生的锥面波前的中心轴与待测凸锥镜的对称轴重合；

所述的波面测量干涉仪输出光一部分经平面标准镜反射后，反射光入射至波面测量干涉仪，该波面测量干涉仪输出光的另一部分经平面标准镜透射后垂直入射至计算全息片上，经过计算全息片的衍射光垂直入射到待测凸锥镜的表面，经待测凸锥镜反射后，沿原光路返回，依次经计算全息片、平面标准镜透射后，透射光入射至波面测量干涉仪；

所述的反射光和透射光形成干涉，由波面测量干涉仪采集干涉图得到待测凸锥镜相应区域的面形信息。

所述的待测凸锥镜与波面测量干涉仪之间的距离大于等于其中，d0为波面测量干涉仪的口径，d为待测凸锥镜的口径。

所述的计算全息片为一系列同心圆弧组成的光栅，光栅的圆心o1位于待测凸锥镜的对称轴上，计算全息片的中心o2位于波面测量干涉仪测量口径内。

所述的计算全息片是为关于中心o2非旋转对称的，其沿着o1o2方向的周期为其中β为波面测量干涉仪的工作波长，β为待测凸锥镜的锥角。

利用上述的大口径凸锥镜面形拼接检测装置，进行大口径凸锥镜面形的检测方法，包含以下步骤：

1)将待测凸锥镜置于工件台上，使待测凸锥镜的对称轴与所述的精密旋转台旋转轴对准，调整测量装置，使工件台的旋转轴与计算全息片衍射产生的锥面波前的中心轴重合；

2)调整测量装置，使所述的波面测量干涉仪的出射光经过平面标准镜和计算全息片后，垂直入射到待测凸锥镜的表面并沿原路返回，与标准平面镜的反射光形成干涉，由波面测量干涉仪采集干涉图完成面形测量。

3)建立坐标系，以所述的工件台的旋转轴方向为z方向，精密旋转台的径向两正交方向分别为x和y方向；工件台沿z方向运动范围等于待测凸锥镜的高度，也即其中d为待测凸锥镜口径，β为待测凸锥镜的锥角；工件台可产生360度旋转角范围；

4)将工件台的z向运动范围进行n等分，作为测量位置高度，记为zi，其中i＝1,2,3…n；将工件台的旋转角范围m等分，作为测量位置角度，记为θj，其中j＝1,2,3…m；n和m为正整数，z1为起始高度位置，θ1为起始角度位置。

5)工件台高度定位至z1位置；

6)工件台角度转到θ1位置，调整测量装置，观察干涉图，并使干涉图中条纹数最少，使用波面测量干涉仪进行测量，得到子孔径测量数据wj(x,y)，其中，j＝1,2,3…m；

7)如果所述的工件台的当前角度位置θj为θm，则进入步骤8)，否则所述的工件台旋转至下一个角度位置，使θj＝θj+1，返回步骤6)；

8)在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数由如下方程组计算得到：

wj+1(x,y)-wj(x,y)＝ai+bix+ciy+di(x²+y²)(1)

将m个子孔径的数据依次按照公式(1)进行拼接，得到第i个环带的拼接面形wi(x,y)，其中i＝1,2,3…n；

9)如果工件台的当前高度位置zi为zn，则进入步骤10)，否则工件台移动至下一个高度位置，使zi＝zi+1，返回步骤6)；

10)将n个环带拼接面形wi(x,y)依次按照公式(1)进行拼接，其中i＝1,2,3…n，得到待测凸锥镜的面形。

本发明的技术效果，通过设计并使用一种非旋转对称的计算全息片，实现凸锥镜表面的零位测量，扩大了凸锥镜测量时单个子孔径的有效区域，通过轴向扫描和绕轴360度旋转，配合一定的拼接算法，完成大口径凸锥镜的面形测量。具有测量装置简单、测量效率高、测量口径范围大的特点。

附图说明

图1为凸锥镜面形拼接检测装置示意图；

图2为计算全息片结构设计示意图；

图3为凸锥镜的锥角β和对称轴示意图；

图4为计算全息片与单个子孔径检测区域对应关系的示意图，其中(a)为cgh上子孔径的四个边缘位置示意图，(b)为凸锥镜表面上子孔径的四个边缘位置示意图。

图5为确定环带拼接时子孔径的纬度夹角θ示意图；

图6为基于计算全息片的凸锥镜拼接检测过程示意图，其中(a)为轴向子孔径拼接测量示意图，(b)为环带内子孔径拼接测量示意图；

其中，1—波面测量干涉仪；2—干涉仪支架；3—平面标准镜；4、计算全息片；5、工件台；6、待测凸锥镜。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

大口径凸锥镜面形拼接检测装置，其特征在于包含：大口径凸锥镜面形拼接检测装置，其特征在于包含：波面测量干涉仪1，干涉仪支架2、平面标准镜3、计算全息片4、工件台5；待测凸锥镜6置于工件台5上，工件台5能够进行垂直于波面测量干涉仪1光轴方向的360度旋转调节，和平行于波面测量干涉仪1光轴方向的平移调节，且平移运动轴与波面测量干涉仪1光轴不重合；所述的待测凸锥镜6的对称轴与工件台5的旋转轴重合；所述的波面测量干涉仪1安装在干涉仪支架2上；

波面测量干涉仪1输出光的一部分经过平面标准镜3反射后，入射至波面测量干涉仪1；波面测量干涉仪1输出光的另一部分经平面标准镜透射后垂直入射至计算全息片4上，经过计算全息片4的衍射光垂直入射到待测凸锥镜6的表面，经待测凸锥镜6反射后，沿原光路返回，依次经计算全息片4、平面标准镜3透射后，透射光入射至波面测量干涉仪1；

所述的反射光和透射光形成干涉，由波面测量干涉仪1采集干涉图得到待测凸锥镜6相应区域的面形信息。

所述的待测凸锥镜6与波面测量干涉仪1不共轴，二者之间的距离大于等于其中，d0为波面测量干涉仪1的口径，d为待测凸锥镜6的口径。

所述的计算全息片4是由一系列同心圆弧组成的光栅，光栅的圆心o1位于待测凸锥镜6的对称轴上，计算全息片4的中心位于波面测量干涉仪1的光轴上。

所述的计算全息片4为关于中心o2非旋转对称的，其沿着o1o2方向的周期为其中λ为波面测量干涉仪1的工作波长，β为待测凸锥镜6的锥角。

下面结合图1和图6，对大口径凸锥镜面形的检测方法的检测方法做具体说明，主要包含以下步骤：

1)将待测凸锥镜6置于工件台5上，使待测凸锥镜6的对称轴与所述的工件台5旋转轴对准，调整测量装置，使工件台5的旋转轴与计算全息片4衍射产生的锥面波前的中心轴重合；

2)调整测量装置，使所述的波面测量干涉仪1的出射光经过平面标准镜3和计算全息片4后，垂直入射到待测凸锥镜6的表面并沿原路返回，与标准平面镜3的反射光形成干涉，由波面测量干涉仪1采集干涉图；

3)建立坐标系，以所述的工件台5的旋转轴方向为z方向，精密旋转台5的径向两正交方向分别为x和y方向；工件台5沿z方向运动范围等于待测凸锥镜6的高度，也即其中d为待测凸锥镜6口径，β为待测凸锥镜6的锥角；工件台5可产生360度旋转角范围；

4)将工件台5的z向运动范围进行n等分，作为测量位置高度，记为zi，其中i＝1,2,3…n；将工件台5的旋转角范围m等分，作为测量位置角度，记为θj，其中j＝1,2,3…m；n和m为正整数，z1为起始高度位置，θ1为起始角度位置。

5)工件台5高度定位至z1位置；

6)工件台5角度转到θ1位置，调整测量装置，观察干涉图，并使干涉图中条纹数最少，使用波面测量干涉仪1进行测量，得到子孔径测量数据wj(x,y)，其中，j＝1,2,3…m；

7)如果所述的工件台5的当前角度位置θj为θm，则进入步骤8)，否则所述的工件台5旋转至下一个角度位置，使θj＝θj+1，返回步骤6)；

8)在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数由如下方程组计算得到：

wj+1(x,y)-wj(x,y)＝ai+bix+ciy+di(x²+y²)(1)

将m个子孔径的数据依次按照公式(1)进行拼接，得到第i个环带的拼接面形wi(x,y)，其中i＝1,2,3…n；

9)如果工件台5的当前高度位置zi为zn，则进入步骤10)，否则所述的工件台5移动至下一个高度位置，使zi＝zi+1，返回步骤6)；

10)将n个环带拼接面形wi(x,y)依次按照公式(1)进行拼接，其中i＝1,2,3…n，得到待测凸锥镜6的面形。

图2为计算全息片4的结构示意图。计算全息片为非旋转对称设计，是由一系列同心圆弧组成的光栅。测量时，待测凸锥镜6的对称轴需要过光栅的中心o1。

图3为凸锥镜6锥角β和对称轴示意图，锥角β为图中的∠adb，锥镜对称轴为图中的od连线所在的直线。

图4为凸锥镜拼接测量装置单个子孔径的测量区域sub的示意图。计算全息片由一系列同心圆弧组成，这些圆弧所在的圆具有相同的圆心o1。计算全息片的周期指的是经过圆心o1的径向上的周期。波面测量干涉仪1出射光经过平面标准镜3后，垂直入射到计算全息片4上。经过计算全息片4的衍射，产生部分锥面波前，垂直入射到待测凸锥镜6的表面。

计算全息片(4)的中心o2位于波面测量干涉仪(1)测量口径内，同心圆弧的圆心o1位于待测凸锥镜6的对称轴上。

在分析单个子孔径在凸锥镜6表面的区域sub大小时，假设计算全息片的中心o2与干涉仪光轴重合。sub大小由计算全息片4上的q1、q2、p1和p2四个位置决定，如图4(a)所示。其中，q1、q2为过圆心o1和计算全息片4的中心o2的直线与计算全息片的交点。q1q2对应凸锥镜表面上单个子孔径在母线方向上的最大长度，二者之间满足如下关系：

其中，β为凸锥镜6的锥角，由此可以看出，母线方向最大尺度取决于待测凸锥镜的锥角大小。

p1、p2为过圆心o1，与计算全息片4的两条切线的切点。p1p2对应凸锥镜表面上单个子孔径在纬度方向上的最大长度，二者之间满足如下关系：

其中，r为对应p1p2圆弧的环带半径。∠p1o1p2为系统变量，取决于波面测量干涉仪1的口径、以及待测凸锥镜5与波面测量干涉仪1之间的距离o1o2。波面测量干涉仪1的口径越大，o1o2距离越大，对应的测量区域越大。

图5为确定环带拼接时子孔径的纬度夹角θ示意图。在计算全息片4中，q2到q1，其沿着o1o2方向，坐标用x表示，坐标范围在[-r，r]之间，往左为负，往右为正，o2位置x坐标为零。则任意x位置所对应的角度为：

其中，l＝d0-x，d0为公式(2)中的q1q2cgh，r为计算全息片4的半径。公式(3)中的∠p1o1p2为θ最大值，大小为

图6为基于计算全息片4的凸锥镜拼接检测过程示意图。待测凸锥镜6表面展开后为扇形，半径为母线长度。测量时，将扇形划分为n个环带，每个环带再划分为m个子孔径，每个子孔径依次进行测量，直至完成凸锥镜表面所有位置的测量。相邻子孔径需要保证一定的重叠率，一般50％左右，可以根据具体系统进行最优化处理。则轴向扫描间隔h为：

环带拼接时，旋转角度间隔θ为：

综上所述，本发明公开了一种大口径凸锥镜表面的拼接检测装置及检测方法。通过轴向扫描和绕轴旋转组合，实现凸锥镜表面的拼接测量。该方案的主要特点是，通过设计非旋转对称的计算全息片，产生部分圆锥波前，测量时待测凸锥镜与波面测量干涉仪不共轴，使凸锥镜可以沿轴向进行扫描而不受传统共轴测量时轴向扫描存在的空间限制问题。具有测量效率高、测量口径范围大的优点。