一种通过子孔径拼接测量非球面测试对象的度量系统。对波阵面形状具有有限捕捉范围的波阵面测量仪在测试对象上收集部分重叠的子孔径测量元。可变光学像差仪通过在有限数量的测量元之间使测量波阵面重新成形，来将测量波阵面保持在波阵面测量仪的捕捉范围内。向拼接操作中并入多种误差补偿器，以管理与使用可变光学像差仪相关联的残余误差。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
波阵面测量提供对特别是高品质光学元件的表面形状或透射特性的精确测量。本 专利技术涉及用于测量非球面形状的近空值条件下(near-null conditions)下的子孔径波阵 面狈Ij量(subaperture wavefront measurement)方法禾口系统。
技术介绍
许多光学系统装有非球面光学元件，以改善性能或减小系统中光学元件的数量或 尺寸。多数这种非球面光学元件包括具有在正交方向上发生变化或根据位置发生变化的有 限曲率的表面。其它一些非球面光学元件包括仅处于一个方向但会根据位置发生变化的有 限曲率。因此，这些非球面光学元件的表面偏离球面、柱面和平面等常规光学形状。此外， 还有一些非球面光学元件包括相似地随着位置发生变化的折射率。基于波阵面测量的子孔径拼接技术(subaperture stitching techniques)已经 有效地用于测量多种此类非球面光学元件或相似测试对象。各子孔径在彼此部分重叠的同 时，整体覆盖欲测测试对象的整个区域，以提供将子孔径测量元组合成期望的满孔径测量 元的可比较基础。通常，各个子孔径将测试对象的有限局部区域与球面进行比较，方法是例如从测 试对象的局部区域反射球面测试波阵面，并比较反射的波阵面与初始的球面波阵面。测试 对象的局部区域与基准球面形状的任意偏差均被并入反射的测试波阵面的形状中。有多种 技术可用于比较测试波阵面的形状与初始基准波阵面，例如通过形成干涉图案，但是这种 比较的有效测量范围是有限的。例如，干涉图案的条纹密度可能超过可解决的限度。因此， 子孔径的尺寸受到限制，以使局部区域保持与球面相当，并增加子孔径的数量以覆盖期望 的测试面面积。形状在局部区域与球面形状偏差极大的测试对象可能需要更多数量的子孔 径测量元，这会增加测量时间、计算复杂性、噪音、和其它误差源。某些用于测量旋转对称测试对象的轴上波阵面测量将具有同心环区域形状的多 个子孔径拼接在一起。进行焦距或其它调节，以改变测试波阵面的局部曲率，来匹配不同环 形区域的预期曲率。除沿测试对象的轴随着距离渐渐改变基准球面的曲率以匹配不同环形 区域的名义曲率外，已提出了对测试波阵面做第四阶和更高阶的旋转对称变化，来匹配在 测试对象的较大环形区域内的曲率波动。虽然对测试波阵面的更高阶的旋转对称变化减少了覆盖测试对象期望面积所需 的测量元数量，但是用于进行这些轴上测量所需的光学元件仍然需要，类似于其它轴上测 量，相对于测量元的最大环形区域确定尺寸。测量光学元件的成本大致随着尺寸和数值孔 径而增加，而大型测量光学元件难以制造为所需精度。另外，测试波阵面超过测试对象所给 予的任意相对形状变化都必须被精确地知道，以相对于初始基准波阵面比较测试对象。虽 然有人提出随着给予测试波阵面变化所需的光学元件中的相对运动来精确测量波阵面修 正光学元件，但是申请人发现波阵面修正光学元件的实际与预测性能之间的差异会向测试 波阵面中引入系统误差。也就是说，过度依赖波阵面修正光学元件的校准会产生似是而非的测量结果，其中波阵面修正光学元件偏离它们的预期形状的误差与测试对象偏离其预期 形状的误差是不可分辨的。还有人提出了使用匹配非球面波阵面的方法，来进行非球面测试对象的满孔径测 量。然而，在测量光学元件的所需尺寸以及精确再现期望非球面波阵面的难度方面明显具 有相似的问题，尤其是在非球面波阵面必须能被调整以测量不同非球面测试对象时。这种 波阵面修正光学元件，其可呈空间光调制器、可变形反射镜或可调节透镜组件的形式，趋于 比欲测非球面测试对象复杂，并且精确监视波阵面修正光学元件的某些尺寸也不能保证波 阵面修正光学元件的实际性能免于系统误差，特别是形成为测试对象的似是而非的人为误 差的高阶误差。
技术实现思路
本专利技术，在其一些优选实施例中，涉及用于对非球面光学元件或其它测试对象进 行子孔径测量的方法和系统。子孔径测量元能够被尺寸独立于测试对象整体尺寸的光学元 件收集，并且能够基于可选的波阵面形状，以在抵消伴随性系统误差的同时，增加子孔径的 尺寸。能够从围绕单个测试对象的不同角度位置收集尺寸相似的子孔径测量元。可变光学 像差仪相对修正测量波阵面形状，以大致匹配不同子孔径内的测试对象的意图形状。虽然可变光学像差仪优选在原位被模型化和测量，以估算单个调节对测量波阵面 的形状的影响，但是可变光学像差仪对测量波阵面形状的估算影响主要用于近空值操作的 目的，例如大致匹配测试对象的意图非球面特性，并且可变光学像差仪的估算影响与可变 光学像差仪的实际影响之间的任意残留差异在拼接操作内得到解决。例如，与可变光学像 差仪的模型内的变量有关且代表子孔径测量元内的系统误差的量度的补偿器，能够从测试 对象的重叠测量得到解决。虽然可变光学像差仪能实现减少测量测试对象所需的子孔径 测量元的数量，但是子孔径的尺寸优选受到限制，以便能够在子孔径测量元之间得到足够 的重叠区域，以用于解决由可变光学像差仪和度量系统内的任意其它识别源引起的系统误 差。能够在宽范围的非球面测试对象内获得高精度的波阵面测量，同时减少与非球面波阵 面形状相关联的不确定性。为了解决与可变光学像差仪的使用相关联的系统误差，可变光学像差仪优选对于 多个子孔径测量元保持为相同的设置。因此，在可变光学像差仪的一个给定设置下，一组 系统误差可与子孔径测量元的各子集相关联。可定义拼接补偿器的特定类别，来特征化这 种系统误差，以减少误差对测试对象的测量的影响。通常，补偿器是能够自由地对各子孔 径测量元采取不同值的类型，称为自由补偿器；或者补偿器是受到约束以对所有子孔径测 量元采取单个值的类型，称为互锁补偿器。一种特殊的补偿器，其能够与可变光学像差仪的 一些单个设置相关联，受到约束在与可变光学像差仪的一个给定设置相关联的子孔径的各 子集内采取大致相同的值，而自由地在与可变光学像差仪的不同设置相关联的子孔径的不 同子集之间采取不同的值，这种补偿器以下称为部分互锁补偿器(partially interlocked compensators) 0可变光学像差仪的其它系统误差能够表示为互锁或自由补偿器。相似地， 整个度量系统中的其它系统误差能够表示为自由补偿器、部分互锁补偿器和互锁补偿器的 不同组合。实施本专利技术的一个方法涉及有益地扩展用于测量非球面测试对象的度量系统的操作范围。波阵面传播器以多种不同关系与物理测试对象相关联。通过使用对波阵面形状 具有有限捕捉范围的波阵面测量仪对测量波阵面的形状进行测量，来在各种不同关系下获 得测试对象的部分重叠的波阵面测量元。可变光学像差仪以不同关系在有限数量的测量元 之间使测量波阵面重新成形，来将测量波阵面保持在波阵面测量仪的捕捉范围内。用于将 部分重叠测量元组合成合成测量元的操作包括这样的补偿器，其在用于减少测量元的重叠 部分之间的差异的操作中取值，所述差异至少部分归因于可变光学像差仪对所述测量波阵 面的重新成形操作。优选地，可变光学像差仪在使测量波阵面重新成形的设置的一个范围内是可调节 的。补偿器可具有一个振幅和一个函数形式，该函数形式限定测量波阵面的形状变化，其大 小通过所述振幅是可调整的。所述补偿器中包括部分互锁补偿器，其优选受到约束以在可 变光学像差仪的同一设置下所取的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种扩展用于测量非球面测试对象的度量系统的操作范围的方法，包括以下步骤： 以多种不同关系使波阵面传播器与物理测试对象相关联； 通过使用对波阵面形状具有有限捕捉范围的波阵面测量仪对测量波阵面的形状进行测量，来在各种不同关系下获得测试对象的部分重叠的波阵面测量元； 在所述不同关系下在有限数量的测量元之间通过可变光学像差仪使所述测量波阵面重新成形，以使所述测量波阵面保持在波阵面测量仪的捕捉范围内；以及 在将部分重叠的测量元组合成一个合成测量元的操作中并入补偿器， 其中，所述补偿器在用于减少测量元的重叠部分之间的差异的操作中取值，所述差异至少部分归因于可变光学像差仪对所述测量波阵面的重新成形操作。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：保罗墨菲，加里德弗里斯，克里斯托弗布罗菲，格雷格福比斯，
申请(专利权)人：QED技术国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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