一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法
2023-08-22 10:40:11 1
專利名稱：一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法
技術領域：
本發明涉及大口徑平面光學元件面型幹涉法測試領域，特別涉及一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法。
背景技術：
現代光學元件的製造是一種動態的集成製造模式，面型測試作為一項重要的反饋和評估指標，對於確保光學元件的製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製造過程的新目標，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。子孔徑拼接幹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。子孔徑拼接幹涉測量的原理是，利用小口徑的幹涉儀獲取大口徑光 學元件的小部分面型，並通過多孔徑的拼接算法復原全口徑面型。這樣不但保證了幹涉測量的高精度，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，並同時可以測得大口徑幹涉儀所難以測得的中、高頻信息。目前，採用全口徑覆蓋的方式測量大口徑平面，即子孔徑的覆蓋面積大於或等於待測平面。因此，在光學平面尺寸較大時，需要測量的子孔徑數量較多，測量需要較多的時間。這對於交替進行的加工和檢驗來說，在檢驗步驟上大大降低了效率。大口徑高精度平面元件大多採用連續拋光工藝加工，通常會形成圓對稱的效果，且影響面型精度的所在方位集中在中間和邊緣，即中心突出(或中心凹陷)、邊緣塌邊或邊緣翹邊的面型特徵，這兩部分對於由面型檢測所關注的PV值、RMS值起了決定性作用。因此，部分子孔徑的測試是非必要的。因此，本發明提出一種減少子孔徑數量，拼接檢測大口徑平面光學元件的方法，以達到增加測試效率，並保證一定的測試精度的目的。
發明內容
本發明的目的在於克服平面子孔徑拼接幹涉測量中，現有的全面覆蓋型子孔徑拼接技術檢測效率低的不足，提出一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法，在保證精度的前提下，減少子孔徑數量，從而實現子孔徑拼接幹涉檢驗的快速測試。本發明提出的一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法，該方法通過按照在最大徑向上測試子孔徑，有效減少了子孔徑測試數量，並利用最小二乘法、坐標變換等數學手段，修正子孔徑間相對傾斜、位移，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)、幹涉儀(菲索型幹涉儀)、作為幹涉儀附件的標準平面透鏡。標準平面透鏡放在幹涉儀與被測平面之間，調節二維平移臺X與Z軸的平移，使幹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，目的讓幹涉儀出射波面法線與被測區域法線近似重合，從而使幹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。幹涉儀在此光學表面區域進行幹涉測量，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、尺寸與幹涉儀出瞳尺寸決定，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一樣的，也即兩次檢測相位數據位於同一個面，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，兩個面並不重合。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和位移，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
一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法，採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、幹涉儀和標準平面透鏡，所述標準平面透鏡固定於幹涉儀出瞳端，所述二維平移臺上放置有平面光學元件，所述幹涉儀的出瞳正對平面光學元件，使平面光學元件平行於標準平面透鏡，以便測量幹涉圖像，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，幹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，使幹涉儀出瞳對準平面光學元件的幾何中心部分，幹涉儀對該幾何中心部分進行採集測量計算，得到該子孔徑面型信息；
(3)在平面光學元件邊緣找出距離幾何中心點最遠點，記該最遠點與幾何中心點的連接線段為Z ；
(4)移動二維平移臺至新位置，使幹涉儀出瞳中心對準線段Z，並使出瞳對準的區域與步驟(2)所述測量區域有部分重疊，對該部分進行採集計算，得到該子孔徑面型信息；
(5)重複步驟(4)，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稀疏子孔徑測量；
其中所述部分重疊區域的面積，由平面光學元件輪廓、尺寸與幹涉儀出瞳尺寸決定。本發明中，所述二維平移臺採用XZ方向平移臺。本發明中，所述幹涉儀採用菲索型幹涉儀。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，利用小口徑幹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。本發明中，子孔徑的分布方式採用X型分布。本發明中，所述平面光學元件為矩形，記兩條對角線分別為乙與4 ;或所述平面光學元件為圓形，任選一條直徑為匕，記與Z7相垂直的直徑為4，在乙與4交點，即幾何中心處定位一個子孔徑，其餘子孔徑中心分別對準Z7與&中心，向邊緣延伸，直至子孔徑檢測超出所述平面光學元件範圍，其中子孔徑間的重疊面積為單一子孔徑面積的15%-30%。本發明的有益效果在於本發明針對環形拋光的平面光學元件面形具有較高圓對稱性的特點，通過一定規則指定檢測區域，可達到不覆蓋全孔徑，快速完成大口徑光學平面的稀疏孔徑檢測的目的，為環形拋光的工序檢驗提供一種經濟的檢測方法。
圖I是本發明平面光學元件幹涉檢測裝置的俯視圖。圖2是一尺寸為400mmX400mm的矩形平面光學元件的子孔徑排布圖。圖3是為一尺寸為Φ400_的圓形平面光學元件的子孔徑排布圖。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為幹涉儀。
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I :其結構如圖I所示，該裝置包括二維(XZ)平移臺I、標準平面透鏡3、菲索型幹涉儀4，
標準平面透鏡3固定在菲索型幹涉儀4出瞳端，同時，平面光學元件2置於XZ平移臺I上，從而可以調節平面光學元件2的位置，小口徑幹涉儀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平行於標準平面透鏡3，以便測量幹涉圖像。若平面光學元件2為矩形，記兩條對角線分別為Z7與「;若平面光學元件2為圓形，任選一條直徑為乙，記與Z7相垂直的直徑為4。在乙與4交點，即幾何中心處定位一個子孔徑。其餘子孔徑中心分別對準乙與L2中心，向邊緣延伸，直至子孔徑檢測超出平面光學元件範圍。其中子孔徑間的重疊面積為單一子孔徑面積的15%-30%。例如平面光學元件2為一尺寸為400mmX 400mm的矩形元件，子孔徑排布方式如圖2所示。例如平面光學元件2為一尺寸為Φ400mm的圓形元件，子孔徑排布方式如圖3所
/Jn ο利用上述裝置進行基於稀疏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，菲索型幹涉儀4對準平面光學元件2的位置；
②調節XZ平移臺I，使菲索型幹涉儀4出瞳對準平面光學元件2的上述子孔徑位置之一，菲索型幹涉儀4對該部分進行採集計算，得到該子孔徑面型信息；
③重複上述步驟③，直到完成全部子孔徑的測量，可以實現平面光學元件2的稀疏子孔徑測量。根據所述的基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法，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，計算兩子孔徑相對傾斜和位移，使兩孔徑重疊區相位精確擬合，從而完成兩兩子孔徑的拼接。逐個兩兩拼接便可完成整個稀疏子孔徑拼接。
權利要求
1.一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法，其特徵在於採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、幹涉儀和標準平面透鏡，所述標準平面透鏡固定於幹涉儀出瞳端，所述二維平移臺上放置有平面光學元件，所述幹涉儀的出瞳正對平面光學元件，使平面光學元件平行於標準平面透鏡，以便測量幹涉圖像，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，幹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，使幹涉儀出瞳對準平面光學元件的幾何中心部分，幹涉儀對該幾何中心部分進行採集測量計算，得到該子孔徑面型信息； (3)在平面光學元件邊緣找出距離幾何中心點最遠點，記該最遠點與幾何中心點的連接線段為Z ； (4)移動二維平移臺至新位置，使幹涉儀出瞳中心對準線段Z，並使出瞳對準的區域與步驟(2)所述測量區域有部分重疊，對該部分進行採集計算，得到該子孔徑面型信息； (5)重複步驟(4)，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稀疏子孔徑測量； 其中所述部分重疊區域的面積，由平面光學元件輪廓、尺寸與幹涉儀出瞳尺寸決定。
2.根據權利要求I所述的檢測方法，其特徵在於所述二維平移臺採用XZ方向平移臺。
3.根據權利要求I所述的檢測方法，其特徵在於所述幹涉儀採用菲索型幹涉儀。
4.根據權利要求I所述的檢測方法，其特徵在於步驟(2)中移動二維平移臺到達指定目標分布區域，利用小口徑幹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。
5.根據權利要求I所述的檢測方法，其特徵在於子孔徑的分布方式採用X型分布。
6.根據權利要求I所述的檢測方法，其特徵在於所述平面光學元件為矩形，記兩條對角線分別為乙與或所述平面光學元件為圓形，任選一條直徑為4，記與Z7相垂直的直徑為4，在Z7與L2交點，即幾何中心處定位一個子孔徑，其餘子孔徑中心分別對準Z7與4中心，向邊緣延伸，直至子孔徑檢測超出所述平面光學元件範圍，其中子孔徑間的重疊面積為單一子孔徑面積的15%-30%。
全文摘要
本發明涉及一種基於稀疏孔徑拼接的平面光學元件檢測方法。子所述檢測裝置包括二維平移臺、幹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，幹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，使幹涉儀出瞳對準平面光學元件的幾何中心部分，幹涉儀對該幾何中心部分進行採集測量計算，得到該子孔徑面型信息；重複前述步驟，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稀疏子孔徑測量。本發明針對環形拋光的平面光學元件面形具有較高圓對稱性的特點，通過一定規則指定檢測區域，可達到不覆蓋全孔徑，快速完成大口徑光學平面的稀疏孔徑檢測的目的，為環形拋光的工序檢驗提供一種經濟的檢測方法。
文檔編號G01B11/24GK102901462SQ201210362668
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者沈正祥, 徐旭東, 孫曉雁, 王曉強, 馬彬, 程鑫彬, 王佔山 申請人:同濟大學