专利名称：一种非球面顶点球曲率半径的测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种非球面顶点球曲率半径的测量系统及方法。
背景技术：
非球面元件能有效地消除像差、提高光学系统的成像质量、减轻系统重量、提高系统稳定性等优点，越来越得到广泛的应用。但是由于现有的加工和检测水平限制了高精度非球面的发展。非球面各个参数特别是顶点球曲率半径在加工、检测和装调中都是重要的参数，对成像质量和系统稳定性有很大的影响，特别在高精度光学系统如光刻系统中影响尤甚。如附图3非球面在透射光学模型中，非球面顶点球曲率半径随着偏移量的变化曲线图4所示，非球面顶点球曲率半径越小越灵敏，对精度要求越高，例如R为400mm的非球面顶点球曲率半径偏离0.5mm时，对系统波前带来0.4874 λ的影响，这样的精度很难应用在高精度要求为10_3λ的光学系统中。因此非球面应用在高精度系统之前要进行测量和验证顶点球曲率半径是否为标称值。那么，用什么合适的方法来测量非球面顶点球曲率半径呢？我们知道当检测球面曲率半径时，平行光束经消球差镜会聚于其像方焦点处，只需调整被测球面球心与焦点共轭，则经球面反射的光束经原路返回该焦点处形成直条纹，通过判断干涉条纹的形状定位球面位置，因此只要能精确控制消球差补偿镜的猫眼位置到被测球面位置之间的距离即可精确得到球面的曲率半径。非球面顶点球曲率半径较球面检测的难度在于非球面具有非共心光束的特点，运用上述测量球面的方法测量非球面不能形成直条纹，而是很多牛顿环状条纹，这样很难通过判断条纹的形状精确定位非球面的位置。常用的二次无像差点法中，如图5和实施例描述，在实际系统装调时很难精确测量各器件间距离，只能通过干涉条纹的形状判断各器件是否已定位好，不能看出非球面顶点球曲率半径偏差对系统波前的影响，因此这种方法不能测量非球面顶点球曲率半径。由上分析可知，非球面顶点球曲率半径是一个重要的并且比较灵敏的参数，运用到高精度系统前要精确的测量其顶点球曲率半径，尽量减小对系统的影响，因此，需一种能高精度测量非球面顶点球曲率半径的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种非球面顶点球曲率半径的测量系统及方法。非球面顶点球曲率半径的测量系统包括激光器、准直扩束系统、分光镜、会聚透镜、非球面、成像透镜、探测器、参考面、导轨系统和旋转毛玻璃；在同一光轴上依次设有激光器、准直扩束系统、分光镜、会聚透镜和非球面，非球面下方设有导轨系统，在分光镜的一侧，光轴的垂直方向上设有参考面，在分光镜的另一侧顺次设有旋转毛玻璃、成像透镜和探测器；激光器经准直扩束系统产生平行光，经过分光镜射入由会聚透镜、消球差补偿镜组成的齐明镜组，通过移动安装非球面的导轨系统，使平行光经齐明镜后焦点与被测非球面的顶点重合，再运用导轨系统移动非球面到指定位置，移去消球差补偿镜，运用会聚透镜和非球面构成检测光路，与移入的参考面干涉形成干涉条纹，经旋转毛玻璃调制后再经成像透镜在探测器上得到干涉条纹。所述的会聚透镜与消球差补偿镜组成齐明镜组，会聚透镜与非球面之间设有由两片透镜组成的消球差补偿镜，其中消球差补偿镜朝向非球面的表面为干涉定位参考面。非球面顶点球曲率半径的测量方法是激光器经准直扩束系统扩束后的平行光经过分光镜后，检测光路会聚透镜与非球面之间的间隔定位是通过运用齐明镜的菲索精密定位系统与导轨系统完成的，即齐明镜组的焦点位于被测非球面的顶点时，利用导轨系统移动被测非球面至检测位置，然后移去消球差补偿镜组，实现非球面顶点球曲率半径测量，对测量系统建立建模系统，并观察测量系统与建模系统干涉条纹的数目，在建模系统中不断改变非球面的顶点球曲率半径使测量系统与建模系统条纹及其波像差泽尼克系数相一致， 得到微米量级的非球面顶点球曲率半径。
图1是非球面顶点球曲率半径的测量系统结构示意图2是非球面在猫眼位置时构成菲佐精密定位系统结构示意图； 图3是透射型非球面光学系统模型；
图4是非球面顶点球曲率半径偏差量与波前偏差关系曲线图5是二次无象差点法测量非球面曲率半径的光路图6是非球面在猫眼位置构成菲佐精密定位系统时形成的干涉图7是非球面顶点球曲率半径测量方法的流程图8是非球面顶点球曲率半径测量装置中采集到的干涉图9是非球面顶点球曲率半径测量系统在系统建模中的仿真干涉图。
具体实施例方式如图1、2所示，非球面顶点球曲率半径的测量系统包括激光器Si、准直扩束系统 S2、分光镜S3、会聚透镜S4、非球面S6、成像透镜S8、探测器S9、参考面S10、导轨系统S11和旋转毛玻璃S12 ；在同一光轴上依次设有激光器Si、准直扩束系统S2、分光镜S3、会聚透镜 S4和非球面S6，非球面S6下方设有导轨系统S11，在分光镜S3的一侧，光轴的垂直方向上设有参考面S10，在分光镜S3的另一侧顺次设有旋转毛玻璃S12、成像透镜S8和探测器S9 ； 激光器Sl经准直扩束系统S2产生平行光，经过分光镜S3射入由会聚透镜S4、消球差补偿镜S5组成的齐明镜组，通过移动安装非球面S6的导轨系统S11，使平行光经齐明镜后焦点与被测非球面S6的顶点重合，再运用导轨系统Sll移动非球面S6到指定位置，移去消球差补偿镜S5，运用会聚透镜和非球面构成检测光路，与移入的参考面SlO干涉形成干涉条纹， 经旋转毛玻璃S12调制后再经成像透镜S8在探测器S9上得到干涉条纹。所述的会聚透镜S4与消球差补偿镜S5组成齐明镜组，会聚透镜S4与非球面S6 之间设有由两片透镜组成的消球差补偿镜S5，其中消球差补偿镜S5朝向非球面S6的表面为干涉定位参考面S7
非球面顶点球曲率半径的测量系统中激光器Sl经准直扩束系统S2产生平行光，经过分光镜S3射入承担大球差的会聚透镜S4，会聚透镜S4和非球面S6之间的距离为Li，经过会聚透镜S4的光线经非球面S6反射回来构成检测光束，然后与参考镜SlO反射回的参考光束形成干涉，经旋转毛玻璃S12调制后再经成像透镜S8在探测器S9上得到干涉条纹。会聚透镜S4与被测非球面S6之间的间隔Ll的变化会影响到条纹密度的变化，因此需要精确定位会聚透镜S4与被测非球面S6之间的距离Li。 由于会聚透镜S4是一个大球差系统，没有一个固定的焦点，利用附加设计的消球差补偿镜S5，与会聚透镜S4组合后为有消球差功能的齐明镜组。由齐明镜组成的菲索精密定位系统如图2所示，激光器Sl经准直扩束系统S2产生平行光，经齐明镜组后会聚于猫目艮，通过移动导轨系统Sll，使被测非球面S6的顶点与猫眼位置重合，经非球面S6的顶点反射的光束与干涉定位参考面S7反射回的参考光束干涉形成菲佐干涉条纹，经旋转毛玻璃 S12调制后再经成像透镜S8在探测器S9上得到干涉条纹。通过观察干涉条纹的形状判断非球面S6的顶点是否与焦点重合。图6是非球面在猫眼位置构成精密定位时形成的干涉图。会聚透镜S4和非球面S6之间进行菲佐精密定位后，可以精确获取会聚透镜S4与被测非球面S6之间的距离LO。在非球面顶点球曲率半径检测系统中，会聚透镜S4与被测非球面S6距离应为Li，根据Ll与LO的值就可以得到导轨系统Sll的移动量Δ L = Ll-L O。导轨系统Sll从猫眼位置LO移动Δ L的距离使非球面S6到检测位置L 1，该位置满足从非球面S6返回的光束再经会聚透镜S4后具有最佳的条纹密度，便于分辨。然后移去消球差补偿镜组S5，同时移入标准参考平面镜S10，与被测非球面S6返回的光束形成图 1所示的非球面顶点球曲率半径测量系统，在探测器上得到干涉条纹如图8所示。非球面顶点球曲率半径的测量方法是激光器Sl经准直扩束系统S2扩束后的平行光经过分光镜S3后，检测光路会聚透镜S4与非球面S6之间的间隔定位是通过运用齐明镜的菲索精密定位系统与导轨系统Sll完成的，即齐明镜组的焦点位于被测非球面S6的顶点时，利用导轨系统Sl 1移动被测非球面S6至检测位置，然后移去消球差补偿镜组S5，实现非球面S6顶点球曲率半径测量，对测量系统建立建模系统，并观察测量系统与建模系统干涉条纹的数目，在建模系统中不断改变非球面S6的顶点球曲率半径使测量系统与建模系统条纹及其波像差泽尼克系数相一致，得到微米量级的非球面顶点球曲率半径。图7是非球面顶点球曲率半径测量方法的流程图。根据不同的非球面S6参数设计能够承担大球差会聚透镜S4 ；根据会聚透镜S4设计消球差补偿镜S5，两者组合后具有消球差镜的功能，称为齐明镜组；利用齐明镜和安装非球面的导轨系统Sll建立实现精密干涉定位的菲佐型系统如图2，运用导轨系统Sll调整齐明镜与被检非球面S6之间的间隔，当条纹均勻一片色时，表征已位于LO位置。然后移动被检非球面S6至指定位置Ll，构成检测光路。移去消球差补偿镜S5，移入参考镜S10，使经过分光镜S3的光线由参考镜SlO反射回来后构成参考光路，两路光形成干涉。微调非球面S6使干涉条纹处于居中的圆环，并采集干涉条纹；在光学设计软件中对测量系统建立建模系统，设非球面顶点球曲率半径为变量，改变其值，观察建模系统中干涉条纹的变化情况，使与测量系统中采集到的条纹及其波像差泽尼克系数相一致，此时非球面顶点球曲率半径为要求的值。
实施例本发明应用于非球面顶点球曲率半径的测量系统实例描述如下。
实施例的被测非球面S6是一抛物面，口径为159mm，顶点球的标称曲率半径是816 mm。图5是二次无像差点法测量非球面曲率半径的光路图，干涉仪采用口径为100mm 的ZYGO GPI移相干涉仪，标准透镜采用100mm、F/3. 3参考球面镜，参考平面镜Skef为内径 13mm、外径149mm的平面反射镜，干涉仪出射的光线经过参考球面镜，一部分经过参考球面镜后表面反射回去形成参考光路，一部分入射到被测非球面，经被测非球面反射到参考平面镜，再由参考平面镜反射回非球面，又经非球面反射回干涉仪形成检测光路，参考光路和检测光路干涉形成干涉条纹。在该系统中，非球面的焦点理论上应与参考球面镜的焦点重合，参考平面镜应放在两焦点重合的位置，但是实际装调时很难精确定位各器件，参考平面镜和非球面都要适当调整，很难精确测出其间的距离，只能通过干涉条纹的形状判断非球面的焦点与参考球面镜的焦点是否重合。但在ZEMAX中对该模型建模，当非球面顶点球曲率半径偏差0. Imm时，系统波前相差3个波长，对系统波前带来很大的影响，但在实际系统中仅判断干涉条纹却不能体现出对系统的影响。运用二次无象差点法掩盖了非球面顶点球曲率半径对系统的影响，很难精确测量非球面顶点球曲率半径。我们在实验过程中，发现了一种精确测量非球面顶点球曲率半径的方法，检测出了标称非球面顶点球曲率半径是不正确的，具体描述如下。图1非球面顶点球曲率半径测量系统，激光器Sl经准直扩束系统S2产生平行光， 经过分光镜S3射入会聚透镜S4，再经过Ll位置的非球面反射回来与参考镜SlO反射回的参考光束形成干涉条纹，经毛玻璃S12和成像透镜S8，最后经探测器S9采集条纹。但是会聚透镜S4没有固定的焦点，很难确定会聚透镜S4与非球面S6之间的距离Li。本发明中如图2菲佐精密定位系统的光路布局可以起到精密定位作用。利用附加设计一组消球差补偿镜S5，与会聚透镜S4两者组合后具有消球差功能的齐明镜组。而齐明镜组的最后一面是干涉定位参考面S7。平行光经齐明镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面S6的顶点重合，而经顶点的光束沿原路逆向返回，经顶点后反射的光束与干涉定位参考面S7干涉形成菲佐干涉条纹，经毛玻璃S12和成像透镜S8在探测器S9上可以观察到干涉条纹。通过移动安装非球面S6的导轨系统S11，使平行光经齐明镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面S6的顶点重合，在探测器S9上可以观察到干涉条纹。观察条纹的形状，当焦点与被测非球面S6的顶点重合时，经顶点后反射的光束与干涉定位参考面S7干涉形成菲佐干涉条纹， 可以观察到图6所示的均勻一片色的干涉条纹。当焦点与被测非球面S6的顶点偏离时，条纹就会弯曲或者不是均勻一片色，通过判断条纹的形状可以表征是否已位于LO的位置。通过光学设计参数可计算出LO的位置为116. 86mm。在确定非球面调整位置已位于LO的位置时，利用可达微米量级定位精度的导轨系统S11，如图1所示移动被测非球面S6至指定的位置Li，然后移去消球差补偿镜组S5。 在测量时多次调整经验得出会聚透镜S4与被测非球面S6具有距离Ll为951. 6mm时具有适中的条纹密度，那么非球面S6从猫眼位置移动到Ll位置时，导轨系统Sll需要移动的距离为834. 74mm。此时移入标准参考平面镜S10，使从非球面S6返回的光束与标准参考平面镜 SlO形成非球面顶点球曲率半径测量系统如图1，采集测量系统干涉图如图8。对非球面顶点球曲率半径测量系统建立建模系统，设置非球面顶点球曲率半径为变量，在建模系统中， 观察干涉条纹使其与测量系统中采集的条纹及其波像差泽尼克系数相一致，建模系统中干涉条纹如图9，此时得到的非球面的顶点球曲率半径为818. 952mm,比标称曲率半径816mm 大了 2. 952mm，检测出了标称非球面顶点球曲率半径816mm是不正确的，为后续非球面检测提供了可靠的非球面顶点球曲率半 径。
权利要求
1.一种非球面顶点球曲率半径的测量系统，其特征在于包括激光器(Si)、准直扩束系统(S2)、分光镜(S3)、会聚透镜(S4)、非球面(S6)、成像透镜(S8)、探测器(S9)、参考面(510)、导轨系统(Sll)和旋转毛玻璃(S12)；在同一光轴上依次设有激光器(Si)、准直扩束系统(S2)、分光镜(S3)、会聚透镜(S4)和非球面(S6)，非球面(S6)下方设有导轨系统(511)，在分光镜(S； )的一侧，光轴的垂直方向上设有参考面(SlO)，在分光镜(S； )的另一侧顺次设有旋转毛玻璃(S12)、成像透镜(S8)和探测器(S9)；激光器(Si)经准直扩束系统 (S2)产生平行光，经过分光镜(S； )射入由会聚透镜(S4)、消球差补偿镜(SO组成的齐明镜组，通过移动安装非球面(S6)的导轨系统(Sll)，使平行光经齐明镜后焦点与被测非球面(S6)的顶点重合，再运用导轨系统(Sll)移动非球面(S6)到指定位置，移去消球差补偿镜(S5)，运用会聚透镜(S4)和非球面(S6)构成检测光路，与移入的参考面(SlO)干涉形成干涉条纹，经旋转毛玻璃(SU)调制后再经成像透镜(S8)在探测器(S9)上得到干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的非球面顶点球曲率半径的测量系统，其特征在于所述的会聚透镜(S4)与消球差补偿镜(SO组成齐明镜组，会聚透镜(S4)与非球面(S6)之间设有由两片透镜组成的消球差补偿镜(S5)，其中消球差补偿镜(SO朝向非球面(S6)的表面为干涉定位参考面S7。
3.一种使用如权利要求1所述系统的非球面顶点球曲率半径的测量方法，其特征在于，激光器(Si)经准直扩束系统(S》扩束后的平行光经过分光镜(s;3)后，检测光路会聚透镜(S4)与非球面(S6)之间的间隔定位是通过运用齐明镜的菲索精密定位系统与导轨系统(Sll)完成的，即齐明镜组的焦点位于被测非球面(S6)的顶点时，利用导轨系统(Sll) 移动被测非球面(S6)至检测位置，然后移去消球差补偿镜组(S5)，实现对非球面(S6)的顶点球曲率半径测量，对测量系统建立建模系统，并观察测量系统与建模系统干涉条纹的数目，在建模系统中不断改变非球面(S6)的顶点球曲率半径使测量系统与建模系统条纹及其波像差泽尼克系数相一致，得到微米量级的非球面顶点球曲率半径。
全文摘要
本发明公开了一种非球面顶点球曲率半径测量系统及方法。本发明解决了非球面顶点球曲率半径在传统装置中无法精确测量的难点。本发明的技术特点在于，利用一个承担大球差的会聚透镜与辅助消球差补偿镜组合后形成起定位作用的齐明镜组，将非球面精确定位在齐明镜猫眼位置，再运用导轨系统移动非球面到指定的位置形成检测光路，再移去辅助消球差补偿镜组，与参考光路形成了一个非球面顶点球曲率半径测量系统。在光学设计类软件中，如ZEMAX等，对该测量系统进行建模，不断改变非球面顶点球曲率半径值，直至建模系统中仿真条纹及其波像差泽尼克系数和实验测量系统条纹及其波像差泽尼克系数相一致。该方法为高精度面形检测提供了精确的顶点球曲率半径。
文档编号G01B11/255GK102155926SQ20111005602
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月9日 优先权日2011年3月9日
发明者卓永模, 吴高峰, 杨甬英, 田超, 骆永洁 申请人:中国科学院光电技术研究所, 浙江大学