專利名稱：用于非球面測量的波長掃描干涉儀及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非球面的高精度干涉測量技術(shù)，尤其涉及一種用于非球面測量的波長掃描干涉儀及方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)使用多個球面元件的光學(xué)系統(tǒng)相比，由于非球面能夠在有效簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時保持相應(yīng)的性能，因此被廣為采用。使用非球面往往能夠使光學(xué)系統(tǒng)的元件更少、重量更輕。正因如此，非球面在諸如深紫外光刻、高質(zhì)量成像系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、高密度光存儲等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前在非球面測量領(lǐng)域存在很多種方法和相應(yīng)的一起，例如基于觸針方法的輪廓儀和坐標(biāo)測量機(jī)、基于子孔徑拼接的干涉儀、剪切干涉儀、白光掃描干涉儀，基于零位補(bǔ)償和部分零位補(bǔ)償?shù)母缮鎯x、基于計算全息的干涉儀、雙波長干涉儀，等等。相較于當(dāng)今非球面測量的高精度和靈活性要求等方面，這些方法在測量能力和測量精度上存在著一些問題?；谟|針方法的輪廓儀和坐標(biāo)測量機(jī)由于采用逐點測量的方法，其測量較耗費時間，且存在損傷被測表面的風(fēng)險?；谧涌讖狡唇拥母缮鎯x需要高精度的多維旋轉(zhuǎn)平移臺， 利用相鄰子孔徑的重疊區(qū)域數(shù)據(jù)完成拼接并獲取整個被檢面形貌。剪切干涉儀通常測量到的是被檢面的坡度信息，因此在對坡度積分進(jìn)行面形重構(gòu)時會引入累計測量誤差。使用計算全息和零位補(bǔ)償鏡的干涉儀容易由補(bǔ)償元件引入誤差。以上這些現(xiàn)有方法在測量時間、 測量精度、附加零位鏡、夾具、通用性、造價等方面存在不足。專利(US20020160672)提出了一種使用機(jī)械掃描干涉儀測量非球面面形和波前的方法。該專利基于測量從非球面頂點與切線處的干涉光程差的方法，使用空間濾波的方式濾除其它位置的光進(jìn)入探測器產(chǎn)生干涉。為了獲取整個非球面面形，另外該專利使用了一個專門的測長干涉儀測量有平移臺帶動的被測非球面的位移。在該專利中使用了點探測器測量光程差，由于是逐點測量，需要長達(dá)數(shù)十分鐘才能測量一個完整的表面。使用額外的測長干涉儀也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，一定程度上降低了測量的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于非球面測量的波長掃描干涉儀及方法。本發(fā)明能夠獲取干涉儀絕對光程差，且每次僅獲取與被檢面相切部分的干涉數(shù)據(jù)信息，因而具有測量精度高、能夠適用不同口徑、大非球面度、且無需零位補(bǔ)償元件的特—種用于非球面測量的波長掃描干涉儀，它包括平移臺、被測非球面、第一鏡組、 分光鏡、擴(kuò)束鏡、可調(diào)諧激光器、成像透鏡、CCD相機(jī)、參考平面鏡、圖像卡、計算機(jī)和數(shù)據(jù)卡； 其中，被測非球面固定在平移臺，被測非球面、第一鏡組、分光鏡、成像透鏡和CCD相機(jī)依次同軸放置，參考平面鏡置于分光鏡的底部，CXD相機(jī)、圖像卡、計算機(jī)和數(shù)據(jù)卡依次相連，擴(kuò)束鏡和可調(diào)諧激光器相連，平移臺和可調(diào)諧激光器分別與數(shù)據(jù)卡相連；可調(diào)諧激光器出射的光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后成為平行光束，波前被分光鏡分為兩束；其中一束入射到參考平面鏡上作為參考光，另外一束經(jīng)由第一鏡組聚焦后入射到被測非球面上，從參考反射鏡和被測非球面反射的光重新在分光鏡上疊加形成干涉，干涉條紋經(jīng)過成像透鏡后由CXD相機(jī)獲取，經(jīng)過CCD相機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換后由圖像卡完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行信號處理獲得光程差和面形信息。進(jìn)一步地，該波長掃描干涉儀還包括一平面鏡，平面鏡將擴(kuò)束鏡擴(kuò)束的平行光束反射到分光鏡。一種用于非球面測量的波長掃描干涉儀，它包括平移臺、被測非球面、第二鏡組、 分光鏡、擴(kuò)束鏡、可調(diào)諧激光器、成像透鏡、CCD相機(jī)、圖像卡、計算機(jī)和數(shù)據(jù)卡；其中，所述被測非球面2固定在平移臺，被測非球面、第二鏡組、分光鏡、成像透鏡和CCD相機(jī)依次同軸放置，C⑶相機(jī)、圖像卡、計算機(jī)和數(shù)據(jù)卡依次相連，擴(kuò)束鏡和可調(diào)諧激光器相連，平移臺和可調(diào)諧激光器分別與數(shù)據(jù)卡相連；從可調(diào)諧激光器出射的光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后成為平行光束，其中一部分被分光鏡反射到第二鏡組，第二鏡組的最后一個表面沒有鍍增透膜，因此入射到上面的光會有一部分被反射回分光鏡，另外一部分由第二鏡組聚焦后入射到被測非球面上并被反射回來；兩部分光重新在分光鏡上疊加形成干涉；干涉條紋經(jīng)過成像透鏡后由CCD相機(jī)獲取，經(jīng)過CCD相機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換后由圖像卡完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行信號處理獲得光程差和面形信息。一種應(yīng)用上述波長掃描干涉儀的非球面測量方法，包括以下步驟
步驟I、貓眼位置設(shè)置將被檢非球面的頂點調(diào)整到與干涉儀測量光束的焦點重合，此位置Oc稱為貓眼位置，重合的判據(jù)是干涉條紋最少；
步驟2、掃描光源的波長，同時記錄干涉條紋，計算貓眼位置絕對光程差，記為OPDc ； 步驟3、通過平移臺將被檢非球面移至頂點球位置，此時測量光束波面與非球面頂點球重合；
步驟4、掃描光源的波長，同時記錄干涉條紋，計算頂點位置絕對光程差，記為 OPDa;則該頂點球位置與步驟I中貓眼位置的距離d為被測面的頂點球曲率半徑 穴 0 = OPDa- OPDc ；
步驟5、通過平移臺分步移動非球面，每一步中掃描光源的波長同時記錄干涉條紋，計算各點的絕對光程差，直至覆蓋非球面的整個口徑，隨著被測非球面的移動，頂點球位置與貓眼位置的距離d逐漸增加，測量波前與被測非球面的切點會從非球面頂點位置依次向外擴(kuò)，直到所有的非球面口徑全部測量完畢；
步驟6、綜合步驟1-5的測量結(jié)果獲得非球面面形信息。 本發(fā)明的有益效果是，相較于現(xiàn)有非球面測量技術(shù)，本發(fā)明提出的干涉測量方法具有高精度、非接觸的特點，能夠用于測量大非球面度的非球面表面或波前。另外，該方法無需復(fù)雜且通常較為昂貴的多維轉(zhuǎn)動平移臺，無需補(bǔ)償元件，由于干涉儀具有測量絕對光程差的能力，因而無需額外的測長干涉儀檢測被檢面的位移。


圖I是本發(fā)明用于非球面測量的波長掃描干涉儀的系統(tǒng)原理圖2是本發(fā)明用于非球面測量的波長掃描干涉儀的另外一種形式的系統(tǒng)原理圖3是本發(fā)明用于非球面測量的波長掃描干涉儀的測量過程的貓眼位置；圖4是本發(fā)明用于非球面測量的波長掃描干涉儀的環(huán)帶測量原理圖中，平移臺I、被測非球面2、第一鏡組3、分光鏡4、平面鏡5、擴(kuò)束鏡6、可調(diào)諧激光器 7、成像透鏡8、C⑶相機(jī)9、參考平面鏡10、圖像卡11、計算機(jī)12、數(shù)據(jù)卡13、第二鏡組14。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖和實施例詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。 實施例I
圖I是本發(fā)明用于非球面測量的波長掃描干涉儀的系統(tǒng)原理圖。如圖I所示，本發(fā)明用于非球面測量的波長掃描干涉儀及方法包括平移臺I、被測非球面2、第一鏡組3、分光鏡
4、平面鏡5、擴(kuò)束鏡6、可調(diào)諧激光器7、成像透鏡8、CXD相機(jī)9、參考平面鏡10、圖像卡11、 計算機(jī)12和數(shù)據(jù)卡13。其中，被測非球面2固定在平移臺1，被測非球面2、第一鏡組3、分光鏡4、成像透鏡8和CXD相機(jī)9依次同軸放置，平面鏡5和參考平面鏡10分別置于分光鏡 4的底部和頂部，CXD相機(jī)9、圖像卡11、計算機(jī)12和數(shù)據(jù)卡13依次相連，擴(kuò)束鏡6和可調(diào)諧激光器7相連，平移臺I和可調(diào)諧激光器7分別與數(shù)據(jù)卡13相連。該實施例最重要的特點是使用了一個波長可變的可調(diào)諧激光器7代替了傳統(tǒng)測量方法用的單波長激光器。從可調(diào)諧激光器7出射的光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡6擴(kuò)束后成為平行光束，經(jīng)平面鏡5反射后，波前被分光鏡4分為兩束。其中一束入射到參考平面鏡10上作為參考光，另外一束經(jīng)由第一鏡組3聚焦后入射到被測非球面2上。從參考反射鏡10和被測非球面2反射的光重新在分光鏡4上疊加形成干涉。干涉條紋經(jīng)過成像透鏡8后由CXD相機(jī)9獲取。經(jīng)過C⑶相機(jī)9完成光電轉(zhuǎn)換后由圖像卡11完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入計算機(jī)12 進(jìn)行信號處理獲得光程差和面形信息。被測非球面2可以在平移臺I的驅(qū)動下沿著光軸移動。平移臺I的移動和可調(diào)諧激光器7的波長掃描可以通過數(shù)據(jù)卡13由計算機(jī)12控制。所述干涉測量系統(tǒng)中，平面鏡5起光路轉(zhuǎn)折作用，可以根據(jù)需要去除，并將擴(kuò)束鏡 6與可調(diào)諧激光器7逆時針旋轉(zhuǎn)90度。實施例2:
圖2是本發(fā)明用于非球面測量的波長掃描干涉儀的另外一個系統(tǒng)原理圖。它采用了斐索干涉儀的形式。與圖I不同的是，參考光束由第二鏡組14的最后一個表面(圖中第二鏡組的最左邊一個面)的菲涅爾反射形成。從可調(diào)諧激光器7出射的光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡6擴(kuò)束后成為平行光束，其中一部分被分光鏡4反射到第二鏡組14，第二鏡組14的最后一個表面沒有鍍增透膜，因此入射到上面的光會有一部分被反射回分光鏡4，另外一部分由第二鏡組 14聚焦后入射到被測非球面2上并被反射回來。兩部分光重新在分光鏡4上疊加形成干涉。干涉條紋經(jīng)過成像透鏡8后由C⑶相機(jī)9獲取。經(jīng)過C⑶相機(jī)9完成光電轉(zhuǎn)換后由圖像卡11完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入計算機(jī)12進(jìn)行信號處理獲得光程差和面形信息。被測非球面可以在平移臺I的驅(qū)動下沿著光軸移動。平移臺I的移動和可調(diào)諧激光器7的波長掃描可以通過數(shù)據(jù)卡12由計算機(jī)11控制。所述干涉測量系統(tǒng)，被檢非球面與入射光波前只有兩處是相切的，其一是在非球面頂點處，其二位于非球面的某個圓上，且該圓與頂點的距離隨著被檢面在光軸上的移動而變化。本發(fā)明應(yīng)用上述波長掃描干涉儀的非球面測量方法，包括以下步驟
6步驟I、貓眼位置設(shè)置將被檢非球面的頂點調(diào)整到與干涉儀測量光束的焦點重合，此位置Oc稱為貓眼位置。如圖3所示，重合的判據(jù)是干涉條紋最少。步驟2 :掃描光源的波長同時記錄干涉條紋，計算貓眼位置絕對光程差，記為OPDc 光程差的計算方法將會隨后給出。步驟3 :通過平移臺將被檢非球面移至頂點球位置，此時測量光束波面與非球面頂點球重合。如圖4的AO位置所示，其中SO為非球面面形，WO為測量波前。步驟4:掃描光源的波長同時記錄干涉條紋，計算頂點位置絕對光程差，記為 OPDa ;則該位置與步驟I中貓眼位置的距離d為被測面的頂點球曲率半徑
RO = OPDa- OPDc 。(I)
步驟5 :如圖4所示，按照測量分辨率要求，通過平移臺分步移動非球面，每一步中掃描光源的波長同時記錄干涉條紋，計算各點的絕對光程差，直至覆蓋非球面的整個口徑。此時 Sn為平行移動至此位置的非球面面形，若非球面零件沒有形變，應(yīng)該與SO面形完全相同。 隨著被測非球面的移動，圖4中的d逐漸增加，測量波前Wn與被測非球面Sn的切點Tn會從非球面頂點位置依次向外擴(kuò)，直到所有的非球面口徑全部測量完畢。步驟6 :綜合步驟1-5的測量結(jié)果獲得非球面面形信息。不失一般性，設(shè)其中某個掃描到某個位置時，通過波長掃描計算干涉儀絕對光程差為OPDn,則該位置非球面頂點與前述AO位置的距離d為
d. = OPEki — OPDfi 。( 2)
此時測量波前fc與被測非球面Sn在Tn處相切，只有該處附近以及頂點An附近區(qū)域的干涉條紋才能被CCD解析，其它地方由于干涉條紋過密無法被CCD解析。由于切點Tn附近的光束為原路返回，因此該光束與光軸的夾角a與其入射到CCD上的位置可事先標(biāo)定得出，即CXD上的像素位置與夾角a存在對應(yīng)關(guān)系。而Tn點與鏡組3的焦點的距離Rn則可以通過該處的絕對光程差OPDtn求出
Rn = OPDin - OPDc 。( 3)
絕對光程差的測量原理如下
干涉信號的處理C⑶上某像素點Cr，_F)(對應(yīng)于被檢非球面某點探測到的光強(qiáng)可以表示為
I(x,y,.t) = a(x,y,k) + b(x,y.,k)cos(2MA(u))，(4)
式中，a和辦分別表示背景光強(qiáng)和干涉條紋的對比度，k是波數(shù)及
光波長的倒數(shù)I/』，h (x,y)表示干涉儀的兩臂光程差。干涉信號的位相(x，y;k)由下式給出
yik) = 2fAh(x,y) ,(5)
通過連續(xù)改變加在可調(diào)諧濾光器的信號頻率可以連續(xù)改變進(jìn)入干涉儀的波數(shù)，由(5) 式可以看出，此時干涉信號的位相也會產(chǎn)生連續(xù)改變
AqKx,y;Ak) = 2fMk(x,y) ,(6)
可知位相的變化量與波數(shù)的變化量成正比，則所求光程差A(yù) Cr，_F)可以表示為因此，問題就集中在如何獲取位相，繼而求取位相變化上來。不失一般性，我們僅考慮某個像素的位相變化，式(4)可以改寫為
i(cf) =i0(cr) cr)enp[473d1] +—p(cr)eup[^7sd]。(8)
2
式中a為波數(shù)(為波長的倒數(shù))，i/ O )為直流偏置，p( O )為信號振幅，4) =4 Ji Ol 即為干涉信號的相位。對上式進(jìn)行傅里葉變換
/(/) = Z0C/) + PU - 20 + W + 21)。(9)
其中大寫字母為相對應(yīng)的小寫字母的傅里葉頻譜，等式右邊三項在頻域上分布各不相同，單獨取出P (/-M)項，并對其進(jìn)行傅里葉反變換得
1FFT(P(J' - 21) = |j (a)esp[47Bd],(10)
對上式等號右邊取對數(shù)得
Io g{ y/ (cr)exp[ 4 erf]} = Io g[ y p(a)] + if {a)，(11)
式中的虛部即為被測位相。則被絕對程差的值可以由下式表示
I = ATiLalLcp。(12)
式中△ O為掃頻過程中光波數(shù)的變化量，△ 4為相位變化量。8
權(quán)利要求
1.一種用于非球面測量的波長掃描干涉儀，其特征在于，它包括平移臺(I)、被測非球面(2)、第一鏡組(3)、分光鏡(4)、擴(kuò)束鏡(6)、可調(diào)諧激光器(7)、成像透鏡(8)、C⑶相機(jī) (9)、參考平面鏡(10)、圖像卡(11)、計算機(jī)(12)和數(shù)據(jù)卡(13)等；其中，被測非球面(2)固定在平移臺(1)，被測非球面(2)、第一鏡組(3)、分光鏡(4)、成像透鏡(8)和C⑶相機(jī)(9) 依次同軸放置，參考平面鏡(10 )置于分光鏡(4 )的底部，CXD相機(jī)(9 )、圖像卡(11)、計算機(jī) (12)和數(shù)據(jù)卡(13)依次相連，擴(kuò)束鏡(6)和可調(diào)諧激光器(7)相連，平移臺(I)和可調(diào)諧激光器(7)分別與數(shù)據(jù)卡(13)相連；可調(diào)諧激光器(7)出射的光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡(6)擴(kuò)束后成為平行光束，波前被分光鏡(4)分為兩束；其中一束入射到參考平面鏡(10)上作為參考光， 另外一束經(jīng)由第一鏡組(3)聚焦后入射到被測非球面(2)上，從參考反射鏡(10)和被測非球面(2 )反射的光重新在分光鏡(4 )上疊加形成干涉，干涉條紋經(jīng)過成像透鏡(8 )后由CXD 相機(jī)(9)獲取，經(jīng)過C⑶相機(jī)(9)完成光電轉(zhuǎn)換后由圖像卡(11)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入計算機(jī)(12)進(jìn)行信號處理獲得光程差和面形信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于非球面測量的波長掃描干涉儀，其特征在于，還包括一平面鏡(5)，平面鏡(5)將擴(kuò)束鏡(6)擴(kuò)束的平行光束反射到分光鏡(4)。
3.一種用于非球面測量的波長掃描干涉儀，其特征在于，它包括平移臺(I)、被測非球面(2)、第二鏡組(14)、分光鏡(4)、擴(kuò)束鏡(6)、可調(diào)諧激光器(7)、成像透鏡(8)、C⑶相機(jī) (9)、圖像卡(11)、計算機(jī)(12)和數(shù)據(jù)卡(13)等；其中，所述被測非球面(2)固定在平移臺(1)，被測非球面(2)、第二鏡組(14)、分光鏡(4)、成像透鏡(8)和C⑶相機(jī)(9)依次同軸放置，C⑶相機(jī)(9)、圖像卡(11)、計算機(jī)(12)和數(shù)據(jù)卡(13)依次相連，擴(kuò)束鏡(6)和可調(diào)諧激光器(7)相連，平移臺(I)和可調(diào)諧激光器(7)分別與數(shù)據(jù)卡(13)相連；從可調(diào)諧激光器 (7 )出射的光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡(6 )擴(kuò)束后成為平行光束，其中一部分被分光鏡(4)反射到第二鏡組(14)，第二鏡組(14)的最后一個表面沒有鍍增透膜，因此入射到上面的光會有一部分被反射回分光鏡(4)，另外一部分由第二鏡組(14)聚焦后入射到被測非球面(2)上并被反射回來；兩部分光重新在分光鏡(4)上疊加形成干涉；干涉條紋經(jīng)過成像透鏡(8)后由CXD 相機(jī)(9)獲取，經(jīng)過C⑶相機(jī)(9)完成光電轉(zhuǎn)換后由圖像卡(11)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入計算機(jī)(12)進(jìn)行信號處理獲得光程差和面形信息。
4.一種應(yīng)用權(quán)利要求I、2或3所述波長掃描干涉儀的非球面測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟I、貓眼位置設(shè)置將被檢非球面的頂點調(diào)整到與干涉儀測量光束的焦點重合，此位置Oc稱為貓眼位置，重合的判據(jù)是干涉條紋最少；步驟2、掃描光源的波長，同時記錄干涉條紋，計算貓眼位置絕對光程差，記為OPDc ； 步驟3、通過平移臺將被檢非球面移至頂點球位置，此時測量光束波面與非球面頂點球重合；步驟4、掃描光源的波長，同時記錄干涉條紋，計算頂點位置絕對光程差，記為 OPDa;則該頂點球位置與步驟I中貓眼位置的距離d為被測面的頂點球曲率半徑 i 0 = € Ρ￡) — OPDc ；步驟5、通過平移臺分步移動非球面，每一步中掃描光源的波長同時記錄干涉條紋，計算各點的絕對光程差，直至覆蓋非球面的整個口徑，隨著被測非球面的移動，頂點球位置與貓眼位置的距離d逐漸增加，測量波前與被測非球面的切點會從非球面頂點位置依次向外擴(kuò)，直到所有的非球面口徑全部測量完畢；步驟6、綜合步驟1-5的測量結(jié)果獲得非球面面形信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于非球面測量的波長掃描干涉儀及方法，包括一套可調(diào)諧激光器作為光源，一個泰曼—格林干涉儀用于產(chǎn)生干涉條紋，一個平移臺用于沿光軸掃描光程差，一個用于將干涉數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號并傳入計算機(jī)的圖像卡，以及一個用于同步CCD相機(jī)和平移臺動作的數(shù)據(jù)卡。與傳統(tǒng)非球面測量方法不同的是，本干涉儀適用范圍廣，可以測量大非球面度的表面或波前，且無需補(bǔ)償零位鏡。另外，該方法無需復(fù)雜且通常較為昂貴的多維運動平臺。
文檔編號G01B9/02GK102589416SQ20121006775
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者楊甬英, 汪凱巍, 沈亦兵, 白劍 申請人:浙江大學(xué)