專利名稱：一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法
技術領域：
本發明涉及大口徑平面光學元件面型干涉法測試領域，特別涉及一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法。
背景技術：
現代光學元件的制造是一種動態的集成制造模式，面型測試作為一項重要的反饋和評估指標，對于確保光學元件的制造質量是必不可少的。隨著大型光學元件加工質量要求的不斷提升，其質量標準的內涵也不斷豐富，全口徑、全空間頻率的質量控制成為制造過程的新目標，而全口徑、全空間頻率的面型誤差的檢測也就成了大口徑光學元件的主要目標。子孔徑拼接干涉測量是大口徑光學元件測量的重要技術手段之一，也是世界各國廣泛認同的技術方式。子孔徑拼接干涉測量的原理是，利用小口徑的干涉儀獲取大口徑光學元件的小部分面型，并通過多孔徑的拼接算法復原全口徑面型。這樣不但保證了干涉測量的高精度，而且免去了使用和全孔徑尺寸相同的標準面，從而大大降低了成本，并同時可以測得大口徑干涉儀所難以測得的中、高頻信息。平面元件面型的干涉檢測是一種相對測量，即利用平面度較高的平晶作為標準鏡，通過相移干涉法得到待測平面與標準鏡之間的誤差。目前，小口徑平面干涉儀的標準鏡必須用一等平晶，通常一等平晶要求PV值小于0.05 μ m。而高精度的被測大口徑平面在單位干涉測量區域內PV值也接近甚至小于0.05 μ m,這樣，相對檢測所產生的誤差就明顯偏大。其中，低頻誤差對傳統拼接方法有致命的影響。由于低頻誤差的介入，各子孔徑間的相對傾斜的不確定度增大，因此，子孔徑拼接的累積誤差極為容易擴大，導致拼接結果的PV值，RMS值與面型圖與真實值差距過大。因此，子孔徑拼接法高精度大口徑平面光學元件的困擾，亟待新方法解決。因此，本發明提 出一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，以達到減少相對檢測所引起的低頻誤差，提高子孔徑拼接檢測精度的目的。
發明內容
本發明的目的在于克服平面子孔徑拼接干涉測量中，現有的子孔徑拼接技術檢測高精度大口徑平面光學元件精度低的不足，提出一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，實現子孔徑拼接干涉檢驗的高精度測試。本發明提出的基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，該方法通過逐個測量指定位置的子孔徑，并利用坐標變換、最小二乘法等數學手段，修正子孔徑間相對傾斜、位移、標準面誤差，以實現子孔徑間重疊區域相位精確擬合。其測量裝置包括被測平面、二維平移臺(XZ方向平移臺)、干涉儀(菲索型干涉儀)、作為干涉儀附件的標準平面透鏡。標準平面透鏡放在干涉儀與被測平面之間，調節二維平移臺X與Z軸的平移，使干涉儀出瞳對準被測平面中心區域。再通過調節二維平移臺X與Z軸的轉動，目的讓干涉儀出射波面法線與被測區域法線近似重合，從而使干涉儀出射的參考平面波前與所測區域的平面波前近似重合，這樣入射到被測區域的光線就能夠近似的沿原路返回。干涉儀在此光學表面區域進行干涉測量，得到一個子孔徑。通過調節二維平移臺X與Z軸的平移，到達下一個指定待測區域，即第二個子孔徑，得到第二個子孔徑的測量值，兩子孔徑之間有重疊區，重疊區大小由被測樣品輪廓、尺寸與干涉儀出瞳尺寸決定，這樣就得到待拼接的兩子孔徑。理論上，在重疊區域內兩次檢測得到的波前相位值應該是相等的，也即兩次檢測相位數據位于同一個面，而實際檢測過程中，因為移動和旋轉導致的傾斜、平移等誤差，重疊區域兩次測量得到的相位值不同，兩個面并不重合。應用坐標變換，使兩孔徑坐標統一起來，再通過最小二乘法擬合重疊區相位，計算兩子孔徑相對傾斜、位移、標準面的Zernike系數，并通過校準相對傾斜、位移，去除標準面的Zernike表達式所描述的低頻誤差，使兩孔徑重疊區相位精確擬合，從而完成兩子孔徑的拼接。上述發明的目的通過以下的方法實現:
一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，采用平面光學元件檢測裝置進行檢測，所述檢測裝置包括二維平移臺、干涉儀和標準平面透鏡，所述標準平面透鏡固定于干涉儀出瞳端，所述二維平移臺上放置有平面光學元件，所述干涉儀的出瞳正對平面光學元件，使平面光學元件平行于標準平面透鏡，以便測量干涉圖像，具體步驟如下:
(I)將所述平面光學元件固定在二維平移臺上，干涉儀對準所述平面光學元件的位
置；
(2)調節二維平移臺到達指定目標分布區域；
(3)使干涉儀出瞳對準平面光學元件進行采集測量計算，得到該子孔徑面型信息；
(4)重復步驟(2)和(3)，直到完成全部子孔徑的測量，即可實現所述平面光學元件的子孔徑測量。本發明中，所述二維平移臺采用XZ方向平移臺。本發明中，所述干涉儀采用菲索型干涉儀。本發明中，步驟(2)中移動二維平移臺到達指定目標分布區域，利用小口徑干涉儀對所述平面光學元件的指定目標分布區域，即子孔徑區域進行逐個檢測。本發明的有益效果在于:本發明針對高精度平面光學元件面形精度較高的特點，通過校準相對傾斜、位移、去除標準面的Zernike表達式，完成大口徑光學平面的子孔徑檢測的目的，為大口徑平面元件檢驗提供一種經濟有效的檢測方法。
圖1是本發明平面光學元件干涉檢測裝置的俯視圖。圖中標號:1為二維平移臺，2為平面光學元件，3為標準平面透鏡，4為干涉儀。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例1:其結構如圖1所示，該裝置包括二維(XZ)平移臺1、標準平面透鏡3、菲索型干涉儀4，標準平面透鏡3固定在菲索型干涉儀4出瞳端，同時，平面光學元件2置于XZ平移臺I上，從而可以調節平面光學元件2的位置，小口徑干涉儀4的出瞳正對平面光學元件2，調節XZ平移臺I的X與Z方向的旋轉，使平面光學元件2平行于標準平面透鏡3，以便測量干涉圖像。利用上述裝置進行基于子孔徑拼接的平面光學元件檢測方法，測試步驟如下:
①將平面光學元件2固定在XZ平移臺I上，菲索型干涉儀4對準平面光學元件2的位置；
②調節XZ平移臺1，使菲索型干涉儀4出瞳對準平面光學元件2的預設計的子孔徑位置之一，菲索型干涉儀4對該部分進行采集計算，得到該子孔徑面型信息；
③重復上述步驟③，直到完成全部子孔徑的測量，可以實現平面光學元件2的子孔徑測量。根據所述的基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，所述的拼接方法是應用坐標變換，使兩孔徑坐標統一起來，再通過最小二乘法擬合重疊區相位。通過計算公式
權利要求
1.一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，其特征在于采用平面光學元件檢測裝置進行檢測，所述檢測裝置包括二維平移臺、干涉儀和標準平面透鏡，所述標準平面透鏡固定于干涉儀出瞳端，所述二維平移臺上放置有平面光學元件，所述干涉儀的出瞳正對平面光學元件，使平面光學元件平行于標準平面透鏡，以便測量干涉圖像，具體步驟如下: (1)將所述平面光學元件固定在二維平移臺上，干涉儀對準所述平面光學元件的位置； (2)調節二維平移臺到達指定目標分布區域； (3)使干涉儀出瞳對準平面光學元件進行采集測量計算，得到該子孔徑面型信息； (4)重復步驟(2)和(3)，直到完成全部子孔徑的測量，即可實現所述平面光學元件的子孔徑測量。
2.根據權利要求1所述的一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，其特征在于所述二維平移臺采用XZ方向平移臺。
3.根據權利要求1所述的一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，其特征在于所述干涉儀采用菲索型干涉儀。
4.根據權利要求1所述的一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法，其特征在于步驟(2)中移動二維平移臺到達指定目標分布區域，利用小口徑干涉儀對所述平面光學元件的指定目標分 布區域，即子孔徑區域進行逐個檢測。
全文摘要
本發明涉及一種基于子孔徑拼接的高精度平面光學元件面型檢測方法。所述檢測裝置包括二維平移臺、干涉儀和標準平面透鏡，具體步驟為將所述平面光學元件固定在二維平移臺上，干涉儀對準所述平面光學元件的位置；調節二維平移臺到達指定目標分布區域，使干涉儀出瞳對準平面光學元件的幾何中心部分，干涉儀對該幾何中心部分進行采集測量計算，得到該子孔徑面型信息；重復前述步驟，直到完成全部子孔徑的測量，即可實現所述平面光學元件的子孔徑測量。本發明針對高精度平面光學元件面形平面度較高的特點，通過一定拼接算法恢復完整被測平面元件面型，為高精度平面光學元件面型檢驗提供一種經濟有效的檢測方法。
文檔編號G01B11/24GK103217125SQ20131009855
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者沈正祥, 徐旭東, 孫曉雁, 王曉強, 馬彬, 程鑫彬, 王占山 申請人:同濟大學
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