一种二维长程面形检测装置及检测方法制造方法及图纸

技术编号:15634968 阅读:337 留言:0更新日期:2017-06-14 18:46
本发明专利技术提供一种二维长程面形检测装置,包括单色光光源、二维阵列结构π位相板、分光棱镜、导轨、装设于导轨上的五角棱镜、透镜、直角棱镜模块以及面阵探测器;所述单色光光源设置为出射一光束,该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜,经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜,经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面,而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜,再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器,并在所述面阵探测器上形成测量光斑。本发明专利技术通过导轨运动扫描得到光学元件表面的二维信息,实现大尺度光学元件表面质量检测和高精度压弯机构检测。

【技术实现步骤摘要】
一种二维长程面形检测装置及检测方法
本专利技术涉及大尺度高精度光学元件面形检测,特别涉及一种二维长程面形检测装置及检测方法。
技术介绍
大尺度光学表面的应用日益广泛,尤以同步辐射光束线工程和高功率激光系统中的掠入射反射镜为代表。同步辐射硬X射线光束线上使用的反射镜长度可以达到1500mm,且表面质量要求很高,面型从平面、柱面到超环面均有。由于X射线的波长极短,目前的光学材料只能工作在掠入射状态,必须采用很大的入射角(接近90°)才能到较高的反射率,因此同步辐射的光学元件一般长条状。同步辐射用光学元件使用波段多为硬X射线波段,因为波长很短,因此对表质量面要求极高。第三代同步辐射装置对光学元件的表面斜率误差普遍要求小于1μard(RMS),最高要求小于100nrad(RMS)。如此高精度大尺度的光学元件加工能力严重依赖于检测能力,因此高精度大尺度光学检测问题一直是国际同步辐射光学界以及光学元件加工领域的研究热点。同步辐射光学元件准直或聚焦时子午方向曲率半径往往较大,通常使用数公里甚至更大,这时多使用压弯机构对长反射镜进行子午方向压弯,形成圆柱或椭圆柱面等形状。压弯方向分为向上、侧向和向下三种,即压弯时反射镜的镜面方向可能有三种取向。压弯机构的检测需要在不同压力下测试压弯系统压出的曲率半径以及面形斜率误差是否达标,测试过程需要不断调整压弯机构的各种参数,每次调整完后需对整个反射镜进行重新检测,直到得到理想的压弯曲率半径和斜率误差分布。现有的面形检测手段主要有长程面形仪(Longtraceprofiler-LTP)、干涉仪拼接、夏克-哈特曼(Shark-Hartmann)波前传感器拼接、干涉仪斜入射法、纳弧度测量仪(NanometerOpticalcomponentMeasuringMachine-NOM)等。LTP和NOM均为一维扫描测量,区别为LTP采用自行设计的各种光路得到待测表面的斜率信息,检测精度可达到0.2μard;NOM将LTP中的部分光路用自准直仪代替,同样得到待测表面的斜率信息,检测精度可达到50nrad。干涉仪拼接和Shark-Hartmann拼接方法均采用拼接方法得到大尺度光学元件的表面信息。干涉仪得到的是表面高度分布信息,斜率分布可以通过对高度信息进行微分得到;Shark-Hartmann拼接方法得到的是光学元件表面的斜率信息,通过对结果积分可以得到表面高度分布信息。拼接方法严重依赖于使用的拼接算法和运动导轨的运动精度,同时拼接时每步扫描需要80%以上的面积重合,因此检测效率低下。干涉仪斜入射的方法是使用大口径的激光面形干涉仪对待测表面进行斜入射,以扩大待测面积。该方法测量精度依赖于干涉仪本身的精度,同时由于检测时干涉仪标准镜与干涉仪距离过大,无法得到高的检测精度。因该方法成本较低,检测时间较短,多用于工厂生产检测中,用于检测表面斜率误差要求不高的反射镜。现有面形检测方法存在的问题主要有,一维扫描检测方法如LTP和NOM,检测结果只能反映反射镜面上一条线的表面信息,无法得到二维表面信息。而压弯机构检测的一个重要指标——表面扭曲,其反映压弯时反射镜面是否发生扭曲,这一技术要求对表面信息进行二维测量才能得出。干涉仪和Shack—Hartmann方法由于自身设备的结构原因,难以检测压弯机构,也不适用于表面曲率半径较小的非平面光学元件。
技术实现思路
本专利技术为克服上述已有检测技术的不足,提供一种二维长程面形检测装置及检测方法,以通过导轨运动扫描得到光学元件表面的二维信息,实现大尺度光学元件表面质量检测和高精度压弯机构检测。为了实现上述目的,本专利技术一方面提供一种二维长程面形检测装置,用于实现待测镜面的面形检测,其包括单色光光源、二维阵列结构π位相板、分光棱镜、导轨、装设于导轨上的五角棱镜、透镜、直角棱镜模块以及面阵探测器;其中,所述单色光光源设置为出射一光束,该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜,经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜,经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面,而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜,再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器,并在所述面阵探测器上形成测量光斑。优选地,所述单色光光源为半导体激光器或氦氖激光器。优选地,所述二维阵列结构π位相板呈一字型或十字型。优选地,所述导轨为机械导轨或气浮导轨。优选地,所述透镜为f-θ型透镜。优选地,所述直角棱镜模块包括多个直角棱镜。优选地,所述面阵探测器CCD探测器或CMOS型探测器。本专利技术另一方面提供一种二维长程面形检测方法,该方法利用前述的二维长程面形检测装置实现待测镜面的面形检测,包括以下步骤:步骤S1,首先通过所述单色光光源出射一光束,以使该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜,经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜,经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面,而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜,再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器,并在所述面阵探测器上形成测量光斑,然后确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置;步骤S2,将所述导轨沿所述待测镜面不断移动,并且每移动一次所述导轨则重复执行一次所述步骤S1,以得到所述测量光斑在所述面阵探测器上的相应运动量;以及步骤S3,将所述测量光斑的运动量乘以标定的斜率系数得到所述待测镜面的斜率分布,并通过对所述斜率进行积分得到所述待测镜面的高度分布。优选地,所述步骤1通过投影轮廓法确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置。优选地,所述步骤1结合投影轮廓法与像素细分法确定所述测量光斑在所述面阵探测器上的位置。通过采用上述技术方案,本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果:首先,本专利技术利用多个二维阵列结构π位相板产生远场十字暗线阵列,可以得到待测镜面的二维信息,从而能够快速实现对大尺度高精度待测镜面的二维高精度扫描测量,以得到待测表面的二维斜率分布和高度分布信息;其次,本专利技术采用的五角棱镜的特性是使入射的光束转折90°,当五角棱镜的姿态发生变化时也不会影响出射光的角度,因此本专利技术对环境振动不敏感,测量精度受环境振动影响不大;再次,本专利技术具有自纠正能力,不需要额外增加参考光束,可以消除导轨或环境振动引起的五角棱镜晃动所带来的误差;最后,通过遮挡二维阵列结构π位相板的部分位相结构,使其仅留一个单元的位相结构,或者通过软件将其它单元的位相结构产生的测量光束屏蔽,使其仅留一个单元的测量光束,可以实现高精度一维扫描测量。附图说明图1为本专利技术二维长程面形检测装置的光学结构示意图;图2为图1中的二维阵列结构π位相板的结构示意图;图3为图1中的二维阵列结构π位相板的远场效果图;图4为本专利技术中的二维π位相板进行一维扫描时得到的高精度结果曲线图。具体实施方式下面结合附图1-4,给出本专利技术的较佳实施例,并予以详细描述,使能更好地理解本专利技术的功能、特点。如图1所示,本专利技术的二维长程面形检测装置包括半导体激光器1、二维阵列结构π位相板2、分光棱镜3、导轨(未示出)、装设于导轨上的五角棱镜4、透镜5、直角棱镜模块以及CCD探测器11。其中,CCD探测器11也可以采用CMOS型探测器或其它具本文档来自技高网
...
一种二维长程面形检测装置及检测方法

【技术保护点】
一种二维长程面形检测装置,用于实现待测镜面的面形检测,其特征在于,包括单色光光源、二维阵列结构π位相板、分光棱镜、导轨、装设于导轨上的五角棱镜、透镜、直角棱镜模块以及面阵探测器;其中,所述单色光光源设置为出射一光束,该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜,经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜,经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面,而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜,再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器,并在所述面阵探测器上形成测量光斑。

【技术特征摘要】
1.一种二维长程面形检测装置,用于实现待测镜面的面形检测,其特征在于,包括单色光光源、二维阵列结构π位相板、分光棱镜、导轨、装设于导轨上的五角棱镜、透镜、直角棱镜模块以及面阵探测器;其中,所述单色光光源设置为出射一光束,该光束穿过所述二维阵列结构π位相板入射到所述分光棱镜,经所述分光棱镜分光后入射到所述五角棱镜,经所述五角棱镜折射后入射到所述待测镜面,而后经所述待测镜面反射回所述五角棱镜,再次经所述五角棱镜折射后依次穿过所述分光棱镜、所述透镜和所述直角棱镜模块到达所述面阵探测器,并在所述面阵探测器上形成测量光斑。2.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置,其特征在于,所述单色光光源为半导体激光器或氦氖激光器。3.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置,其特征在于,所述二维阵列结构π位相板呈一字型或十字型。4.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置,其特征在于,所述导轨为机械导轨或气浮导轨。5.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置,其特征在于,所述透镜为f-θ型透镜。6.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置,其特征在于,所述直角棱镜模块包括多个直角棱镜。7.根据权利要求1所述的二维长程面形检测装置,其特征在于,所述面阵探测器CCD探测器或CM...

【专利技术属性】
技术研发人员:罗红心张翼飞樊亦辰金利民李中亮王劼
申请(专利权)人:中国科学院上海应用物理研究所
类型:发明
国别省市:上海,31

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1