[发明专利]一种长程面形测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及高精度镜面面形检测领域，特别涉及一种长程面形测量仪。

背景技术

在大型天文望远镜、极紫外光刻、同步辐射光学工程等科学技术领域需要用到长度约1m左右、面形误差低于0.1微弧度的细长形、高精度反射镜面。生产及使用如此高精度的光学器件依赖于高精度的面形检测技术。

基于细光束逐点扫描检测原理的长程面形仪(Long Trace Profile，LTP)是运用于此类高精度光学器件检测的主要仪器之一，其基本思想是引入一束固定角度入射的细光束在待测光学器件上进行逐点扫描，由于光学器件上不同点的法线方向不同，于是反射光按不同的角度反射到长程面形仪的f-θ角度检测系统进行角度测量，从而通过测得不同点的角度相对变化值以获得沿扫描方向上光学器件的面形信息。

虽然长程面形仪的工作原理决定了其只能进行一维的离散点测量，但与其它检测手段相比，长程面形仪具有许多优点，比如：采用非接触检测模式避免了在检测过程中对待测光学器件光学面造成损伤；不需要借助大尺度的光学参考元件从而降低了建设投入成本及减少了可能由此引入的误差；适用范围大，能对大尺寸、高精度面形进行检测等等。在过去的20多年里，长程面形仪得到了长足发展，出现了LTP-I、LTP-II、LTP-V、PP-LTP(五棱镜长行程面形仪)、在线LTP、多功能LTP、NOM(纳米光学检测仪)等基于细光束扫描检测原理的长程面形仪。其中NOM是目前世界上精度最高的面形检测仪器之一。

随着科学技术的不断发展，各应用领域对光学元件面形检测精度提出了更高的要求，为了提升长程面形仪的检测能力，传统长程面形仪系统中各种系统误差需要得到修正或消除，在这些系统误差中，最主要的一个是由于长程面形仪系统中所用到的各光学元件不理想造成的，不理想主要表现为：1、反射光学元件与理想光学元件相比存在面形误差；2、折射光学元件折射率不均匀。在进行角度测量时，这些光学元件上的缺陷会导致测量光束偏离理想方向形成角度误差，当测量角度变化时测量光束会在这些光学元件上横移，从而引入元件上不同位置的角度误差。

如果长程面形仪中光学镜面是理想的，测量光束的横移则不会引入误差；同样的如果测量光束在系统中某光学器件上没有横移，则此光学器件对不同角度测量点引入的误差都一样，由于利用长程面形仪进行面形检测时，只有检测结果的相对改变值有意义，所以引入的相同误差不影响测量结果的相对改变量。然而，理想的光学元件是不可能得到的，所以测量系统中光学元件越多，测量光束在这些光学元件上横移量越大，就可能引入较大的系统误差。

图1示出了现有pp-LTP的光学结构示意图，其包括激光光源1'、固定光学头、移动光学头以及f-θ角度检测系统，固定光学头包括位相板2'、分束镜3'和平面反射镜4'，移动光学头包括五棱镜5'，f-θ角度检测系统包括FT(傅里叶变换)透镜7'和面阵探测器8'。当光束从五棱镜5'垂直入射到待测镜面6'后，若待测镜面6'上测量点处不水平，反射光线将与入射光线成一定角度反射，设此角度为θ角，则五棱镜5'上的距离s即表示θ等于0°与θ不等于0°时反射光束在五棱镜5'的反射面上产生的横移量。从图1可以看出，测量光束是从待测镜面6'上测量点处开始偏移，所以待测镜面6'上的测量点是pp-LTP中各光学元件横移量计算的参考点，因而对于同样的偏转角度，系统中的光学器件距离待测镜面6'上测量点的几何光程越远，测量光束在该光学器件上的横移量越大，正是这种横移使得系统中各光学器件引入了不同点的误差。测量系统中所用到的透射、反射光学器件越多，测量光束产生的横移量越大，则引入的系统误差越大。

为了减小由横移引入的系统误差，主要有两种途径，一种是减少检测系统中用到的光学元件数量，另一种是减小横移量计算的参考点与检测系统中各光学元件间的距离，因而亟待提供一种这样的测量装置。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种高精度的长程面形测量仪，以通过减少测量角度不同时测量光束引起的横移，从而减小系统误差。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种长程面形测量仪，用于对待测光学器件的表面进行面形检测，其包括扫描光学头和f-θ角度检测系统，

所述扫描光学头包括面光源、分束镜、单孔屏以及平面反射镜，所述面光源水平放置，所述分束镜倾斜地设置在所述面光源下方，所述单孔屏紧贴在所述分束镜底面，所述平面反射镜倾斜地设置在所述单孔屏下方并与所述分束镜构成类五棱镜结构的双反射面。