专利名称：一种基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法
技术领域：
本发明涉及大口径平面光学元件面型干涉法测试领域，特别涉及一种基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法。
背景技术：
现代光学元件的制造是一种动态的集成制造模式，面型测试作为一项重要的反馈和评估指标，对于确保光学元件的制造质量是必不可少的。随着大型光学元件加工质量要求的不断提升，其质量标准的内涵也不断丰富，全口径、全空间频率的质量控制成为制造过程的新目标，而全口径、全空间频率的面型误差的检测也就成了大口径光学元件的主要目标。子孔径拼接干涉测量是大口径光学元件测量的重要技术手段之一，也是世界各国广泛认同的技术方式。子孔径拼接干涉测量的原理是，利用小口径的干涉仪获取大口径光 学元件的小部分面型，并通过多孔径的拼接算法复原全口径面型。这样不但保证了干涉测量的高精度，而且免去了使用和全孔径尺寸相同的标准面，从而大大降低了成本，并同时可以测得大口径干涉仪所难以测得的中、高频信息。目前，采用全口径覆盖的方式测量大口径平面，即子孔径的覆盖面积大于或等于待测平面。因此，在光学平面尺寸较大时，需要测量的子孔径数量较多，测量需要较多的时间。这对于交替进行的加工和检验来说，在检验步骤上大大降低了效率。大口径高精度平面元件大多采用连续抛光工艺加工，通常会形成圆对称的效果，且影响面型精度的所在方位集中在中间和边缘，即中心突出(或中心凹陷)、边缘塌边或边缘翘边的面型特征，这两部分对于由面型检测所关注的PV值、RMS值起了决定性作用。因此，部分子孔径的测试是非必要的。因此，本发明提出一种减少子孔径数量，拼接检测大口径平面光学元件的方法，以达到增加测试效率，并保证一定的测试精度的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服平面子孔径拼接干涉测量中，现有的全面覆盖型子孔径拼接技术检测效率低的不足，提出一种基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法，在保证精度的前提下，减少子孔径数量，从而实现子孔径拼接干涉检验的快速测试。本发明提出的一种基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法，该方法通过按照在最大径向上测试子孔径，有效减少了子孔径测试数量，并利用最小二乘法、坐标变换等数学手段，修正子孔径间相对倾斜、位移，以实现子孔径间重叠区域相位精确拟合。其测量装置包括被测平面、二维平移台(XZ方向平移台)、干涉仪(菲索型干涉仪)、作为干涉仪附件的标准平面透镜。标准平面透镜放在干涉仪与被测平面之间，调节二维平移台X与Z轴的平移，使干涉仪出瞳对准被测平面中心区域。再通过调节二维平移台X与Z轴的转动，目的让干涉仪出射波面法线与被测区域法线近似重合，从而使干涉仪出射的参考平面波前与所测区域的平面波前近似重合，这样入射到被测区域的光线就能够近似的沿原路返回。干涉仪在此光学表面区域进行干涉测量，得到一个子孔径。通过调节二维平移台X与Z轴的平移，到达下一个指定待测区域，即第二个子孔径，得到第二个子孔径的测量值，两子孔径之间有重叠区，重叠区大小由被测样品轮廓、尺寸与干涉仪出瞳尺寸决定，这样就得到待拼接的两子孔径。理论上，在重叠区域内两次检测得到的波前相位值应该是一样的，也即两次检测相位数据位于同一个面，而实际检测过程中，因为移动和旋转导致的倾斜、平移等误差，重叠区域两次测量得到的相位值不同，两个面并不重合。应用坐标变换，使两孔径坐标统一起来，再通过最小二乘法拟合重叠区相位，计算两子孔径相对倾斜和位移，使两孔径重叠区相位精确拟合，从而完成两子孔径的拼接。上述发明的目的通过以下的方法实现
一种基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法，采用平面光学元件检测装置进行检测，所述检测装置包括二维平移台、干涉仪和标准平面透镜，所述标准平面透镜固定于干涉仪出瞳端，所述二维平移台上放置有平面光学元件，所述干涉仪的出瞳正对平面光学元件，使平面光学元件平行于标准平面透镜，以便测量干涉图像，具体步骤如下
(I)将所述平面光学元件固定在二维平移台上，干涉仪对准所述平面光学元件的位
置；
(2)调节二维平移台到达指定目标分布区域，使干涉仪出瞳对准平面光学元件的几何中心部分，干涉仪对该几何中心部分进行采集测量计算，得到该子孔径面型信息；
(3)在平面光学元件边缘找出距离几何中心点最远点，记该最远点与几何中心点的连接线段为Z ；
(4)移动二维平移台至新位置，使干涉仪出瞳中心对准线段Z，并使出瞳对准的区域与步骤(2)所述测量区域有部分重叠，对该部分进行采集计算，得到该子孔径面型信息；
(5)重复步骤(4)，直到完成全部子孔径的测量，即可实现所述平面光学元件的稀疏子孔径测量；
其中所述部分重叠区域的面积，由平面光学元件轮廓、尺寸与干涉仪出瞳尺寸决定。本发明中，所述二维平移台采用XZ方向平移台。本发明中，所述干涉仪采用菲索型干涉仪。本发明中，步骤(2)中移动二维平移台到达指定目标分布区域，利用小口径干涉仪对所述平面光学元件的指定目标分布区域，即子孔径区域进行逐个检测。本发明中，子孔径的分布方式采用X型分布。本发明中，所述平面光学元件为矩形，记两条对角线分别为乙与4 ;或所述平面光学元件为圆形，任选一条直径为匕，记与Z7相垂直的直径为4，在乙与4交点，即几何中心处定位一个子孔径，其余子孔径中心分别对准Z7与&中心，向边缘延伸，直至子孔径检测超出所述平面光学元件范围，其中子孔径间的重叠面积为单一子孔径面积的15%-30%。本发明的有益效果在于本发明针对环形抛光的平面光学元件面形具有较高圆对称性的特点，通过一定规则指定检测区域，可达到不覆盖全孔径，快速完成大口径光学平面的稀疏孔径检测的目的，为环形抛光的工序检验提供一种经济的检测方法。
图I是本发明平面光学元件干涉检测装置的俯视图。图2是一尺寸为400mmX400mm的矩形平面光学元件的子孔径排布图。图3是为一尺寸为Φ400_的圆形平面光学元件的子孔径排布图。图中标号1为二维平移台，2为平面光学元件，3为标准平面透镜，4为干涉仪。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例I :其结构如图I所示，该装置包括二维(XZ)平移台I、标准平面透镜3、菲索型干涉仪4，
标准平面透镜3固定在菲索型干涉仪4出瞳端，同时，平面光学元件2置于XZ平移台I上，从而可以调节平面光学元件2的位置，小口径干涉仪4的出瞳正对平面光学元件2，调节XZ平移台I的X与Z方向的旋转，使平面光学元件2平行于标准平面透镜3，以便测量干涉图像。若平面光学元件2为矩形，记两条对角线分别为Z7与“;若平面光学元件2为圆形，任选一条直径为乙，记与Z7相垂直的直径为4。在乙与4交点，即几何中心处定位一个子孔径。其余子孔径中心分别对准乙与L2中心，向边缘延伸，直至子孔径检测超出平面光学元件范围。其中子孔径间的重叠面积为单一子孔径面积的15%-30%。例如平面光学元件2为一尺寸为400mmX 400mm的矩形元件，子孔径排布方式如图2所示。例如平面光学元件2为一尺寸为Φ400mm的圆形元件，子孔径排布方式如图3所
/Jn ο利用上述装置进行基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法，测试步骤如下
①将平面光学元件2固定在XZ平移台I上，菲索型干涉仪4对准平面光学元件2的位置；
②调节XZ平移台I，使菲索型干涉仪4出瞳对准平面光学元件2的上述子孔径位置之一，菲索型干涉仪4对该部分进行采集计算，得到该子孔径面型信息；
③重复上述步骤③，直到完成全部子孔径的测量，可以实现平面光学元件2的稀疏子孔径测量。根据所述的基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法，所述的拼接方法是应用坐标变换，使两孔径坐标统一起来，再通过最小二乘法拟合重叠区相位，计算两子孔径相对倾斜和位移，使两孔径重叠区相位精确拟合，从而完成两两子孔径的拼接。逐个两两拼接便可完成整个稀疏子孔径拼接。
权利要求
1.一种基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法，其特征在于采用平面光学元件检测装置进行检测，所述检测装置包括二维平移台、干涉仪和标准平面透镜，所述标准平面透镜固定于干涉仪出瞳端，所述二维平移台上放置有平面光学元件，所述干涉仪的出瞳正对平面光学元件，使平面光学元件平行于标准平面透镜，以便测量干涉图像，具体步骤如下 (1)将所述平面光学元件固定在二维平移台上，干涉仪对准所述平面光学元件的位置； (2)调节二维平移台到达指定目标分布区域，使干涉仪出瞳对准平面光学元件的几何中心部分，干涉仪对该几何中心部分进行采集测量计算，得到该子孔径面型信息； (3)在平面光学元件边缘找出距离几何中心点最远点，记该最远点与几何中心点的连接线段为Z ； (4)移动二维平移台至新位置，使干涉仪出瞳中心对准线段Z，并使出瞳对准的区域与步骤(2)所述测量区域有部分重叠，对该部分进行采集计算，得到该子孔径面型信息； (5)重复步骤(4)，直到完成全部子孔径的测量，即可实现所述平面光学元件的稀疏子孔径测量； 其中所述部分重叠区域的面积，由平面光学元件轮廓、尺寸与干涉仪出瞳尺寸决定。
2.根据权利要求I所述的检测方法，其特征在于所述二维平移台采用XZ方向平移台。
3.根据权利要求I所述的检测方法，其特征在于所述干涉仪采用菲索型干涉仪。
4.根据权利要求I所述的检测方法，其特征在于步骤(2)中移动二维平移台到达指定目标分布区域，利用小口径干涉仪对所述平面光学元件的指定目标分布区域，即子孔径区域进行逐个检测。
5.根据权利要求I所述的检测方法，其特征在于子孔径的分布方式采用X型分布。
6.根据权利要求I所述的检测方法，其特征在于所述平面光学元件为矩形，记两条对角线分别为乙与或所述平面光学元件为圆形，任选一条直径为4，记与Z7相垂直的直径为4，在Z7与L2交点，即几何中心处定位一个子孔径，其余子孔径中心分别对准Z7与4中心，向边缘延伸，直至子孔径检测超出所述平面光学元件范围，其中子孔径间的重叠面积为单一子孔径面积的15%-30%。
全文摘要
本发明涉及一种基于稀疏孔径拼接的平面光学元件检测方法。子所述检测装置包括二维平移台、干涉仪和标准平面透镜，具体步骤为将所述平面光学元件固定在二维平移台上，干涉仪对准所述平面光学元件的位置；调节二维平移台到达指定目标分布区域，使干涉仪出瞳对准平面光学元件的几何中心部分，干涉仪对该几何中心部分进行采集测量计算，得到该子孔径面型信息；重复前述步骤，直到完成全部子孔径的测量，即可实现所述平面光学元件的稀疏子孔径测量。本发明针对环形抛光的平面光学元件面形具有较高圆对称性的特点，通过一定规则指定检测区域，可达到不覆盖全孔径，快速完成大口径光学平面的稀疏孔径检测的目的，为环形抛光的工序检验提供一种经济的检测方法。
文档编号G01B11/24GK102901462SQ201210362668
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者沈正祥, 徐旭东, 孙晓雁, 王晓强, 马彬, 程鑫彬, 王占山 申请人:同济大学