[发明专利]一种使用非接触式非球面轮廓仪测量离轴非球面的方法

说明书

一种使用非接触式非球面轮廓仪测量离轴非球面的方法，包括如下几个步骤：1)确定待测面的理论轮廓定义；根据轮廓定义构造一组与该离轴非球面对等的三维坐标点集；2)使用步骤(1)中生成的点集，采用非线性最小二乘法拟合计算，找到一个最优化的逼近同轴非球面作为轮廓扫描仪的测量轨迹轮廓；3)将待测离轴镜放置到轮廓扫描仪的测量区域，使用校正量规将元件中心对准设备主轴；向轮廓扫描仪输入步骤2)中获取的测量轮廓以及相关测量设置，启动设备检测；当待测离轴镜面形精度优于60nm时，检测过程中通过力学仿真选择元件底面支撑方式；4)从检测设备测控软件中导出测量结果的轮廓数据，即离轴镜几何中心坐标系下，设备实测的样件轮廓点集；进行空间五维误差去除以及噪声点去除处理，最终获取高精度面形残差结果。

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及光学检测方法，特别是等厚离轴非球面射镜的面形高精度检测方法。

背景技术

现代科学技术的飞速发展，使大口径离轴非球面反射镜广泛应用于空间遥感、天文观测、极紫外光刻等前沿领域。相比同轴反射式光学系统，离轴反射式系统不存在中央遮拦问题，具有更大的有效通光口径，并且可避免由此产生的衍射干扰，提高成像质量。因此大口径高精度的离轴光学元件加工及检测技术日趋重要。

传统离轴镜加工过程的检测方式主要包括研磨和粗抛光阶段的三坐标轮廓测量、面形精修阶段的干涉仪光学测量。但三坐标轮廓测量方式检测速度慢、采样精度低(轮廓误差PV5um)，干涉测量则存在检测范围窄(入口检测精度要求面形PV3um)，且针对每个离轴镜需要独立设计一套光学补偿装置(零位补偿镜或CGH片)的高检测成本问题。若能够找到一种离轴镜检测方式，量程覆盖三坐标与干涉仪，且检测高效低成本，将极大提高离轴镜的加工效率和质量。

目前存在某商用化的非接触纳米轮廓扫描仪，基于优化的差分共焦法实现非接触式光学探头，采样精度达到纳米级。原设备可测量从平面到非球面(凹/凸)、最大口径600mm的元件，面形检测不确定度优于15nm(RMS)，接近干涉仪测量精度，且兼具超大测量范围的特点(入口检测精度PV5mm))。设备的测量过程为，将待测元件放置在设备主轴上测量，主轴带动待测元件连续转动，光学测头扫描待测表面(测头具备5mm的动态测量范围)，有效地测量待测元件表面的轮廓信息，采集亚毫米级分辨率的三维点集。扫描轨迹可采用往复扫描或圆形扫描。检测速度快，典型的测量时间约15分钟，具体时间根据产品尺寸略有变化。

但由于原系统主要依靠主轴旋转进行扫描采样，以及受到系统测控软件中理论测量轮廓模型的输入限制，该纳米级轮廓仪只能对同轴光学元件进行测量。如果能够扩展该设备检测功能，使其能够对离轴镜(尤其是等厚离轴镜)进行测量，则可极大提高设备利用价值，一举解决600mm口径内(覆盖90％需求)离轴镜的粗、精加工阶段全流程检测需求，并且速度快、成本低、精度高。

对于小口径的离轴角为零的非等厚离轴镜，可以将待测件装卡在设备检测区的离轴量位置，向设备输入其母镜的同轴非球面轮廓方程来进行测量。而对于等厚离轴镜，由于元件与母镜存在离轴角偏离，其工件坐标系(工件中心轴为z轴)下镜面轮廓为非轴对称的复杂曲面，设备无法直接输入准确测量轨迹轮廓进行检测和进行测量误差处理。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对某商用化的非接触式纳米级轮廓扫描仪只能检测同轴非球面面形，无法对等厚离轴非球面等不对称曲面进行测量的问题，提出了一种新型方法实现了非接触纳米轮廓扫描仪的等厚离轴镜高精度测量功能。方法利用该轮廓扫描仪光学探头具备5mm的动态测量范围特性，构造一种与待测等厚离轴面逼近的共轴非球面作为替代的测量轨迹轮廓，并研发轮廓检测误差拟合去除模块对获取的测量数据进行多类测量误差去除，最终得到纳米精度的等厚离轴镜面形数据。

本发明解决上述问题是通过如下方案予以实现的：一种使用非接触式非球面轮廓仪测量离轴非球面的方法，所述非接触式非球面轮廓仪包括：Z轴载物台、R轴载物台、测头摆轴Ψ、光学测头、被测元件、隔振基座、主轴，包括如下几个步骤：