專利名稱：一種基于雙頻干涉的面型測量裝置及方法
一種基于雙頻干涉的面型測量裝置及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種用于面型測量的光學(xué)裝置，該裝置基于雙頻干涉原理進行點探測，通過多點探測，進而獲得面型的測量裝置；本發(fā)明還涉及采用上述裝置進行面型測量的方法。
背景技術(shù)：
光經(jīng)過兩種不同光學(xué)介質(zhì)表面就會發(fā)生反射和折射，從波動光學(xué)的角度來看，也會影響光波的偏振態(tài)。所以光學(xué)部件的面型(包括輪廓以及表面精度)將會對反射光波和折射光波的偏振態(tài)造成重大影響，進而會影響包含該光學(xué)部件的光學(xué)系統(tǒng)的整體性能，因此需要研發(fā)出相應(yīng)的技術(shù)來精確地測出光學(xué)器件的面型。現(xiàn)有技術(shù)中，對于光學(xué)部件面型的測量一般都是采用光學(xué)干涉的方法進行測量。光學(xué)干涉分為單頻干涉和雙頻干涉。單頻干涉形成是穩(wěn)定的干涉條紋，輸出的是直流量，比如牛頓環(huán)。雙頻干涉輸出的是交流量，相位新型被調(diào)制在交流量上。目前的面型測量儀器普遍采用單頻光學(xué)干涉的方法，其原理是光源發(fā)出兩束光，這兩束光具有相同的頻率，一束由基準面反射、另外一束由測量面反射；兩路光相遇后會產(chǎn)生干涉圖案，通過對干涉圖案的處理或者靠經(jīng)驗判斷出被測光學(xué)器件的面型。然而，采用單頻光學(xué)干涉的方法具有兩個不足其一是，單頻干涉方法的固有精度低、抗干擾能力差；其二是，干涉圖案需要高性能的面探測器進行圖形探測，并且由探測圖形解調(diào)出被測鏡的面型的算法十分的復(fù)雜。為了達到足夠的測量精度，參考鏡需要具有很大的通光孔徑，且通光孔徑內(nèi)的像差必須優(yōu)化到相當?shù)偷乃剑罂讖降膮⒖肩R的制作難度很大、制造成本十分聞昂。為了解決參考鏡制作困難的問題，現(xiàn)有技術(shù)中還有利用探針逐點測出被測鏡每一點的坐標，然后用計算繪出整個被測鏡的形貌的替代方法。不過該方案要么精度依然依賴于孔徑，并且系統(tǒng)復(fù)雜；要么在測量過程中要引入運動臺的誤差，因此這種方案很難做到鏡面面型精度級別的測量。針對上述問題，有必要提出一種改進的光學(xué)部件面型測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有各種面型測量裝置精度低、抗干擾能力差、結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜且制作成本高的不足，提供一種結(jié)構(gòu)和算法簡單、成本低、精度較高的面型測量裝置。為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)手段是一種基于雙頻干涉的面型測量裝置，包括分光干涉單元、掃描單元以及面型繪制單元。所述分光干涉單元將激光器發(fā)出的光在空間上分離為參考光與測量光，所述參考光與所述測量光的頻率不同，且偏振態(tài)相差90° ;將所述測量光發(fā)射至所述掃描單元，并會聚從所述掃描單元返回的攜帶被測鏡信息的測量光，使所述參考光與所述攜帶被測鏡信息的測量光發(fā)生干涉形成干涉光信號，將所述干涉光信號通過導(dǎo)光光纖傳輸至所述面型繪制單元。所述掃描單元包括掃描透鏡、反射鏡、被測鏡承載臺，所述分光干涉單元發(fā)射的測量光經(jīng)所述掃描透鏡后被所述反射鏡反射并聚焦在所述被測鏡上，掃描所述被測鏡并形成攜帶被測鏡信息的測量光，所述攜帶被測鏡信息的測量光原路返回至所述分光干涉單元；所述反射鏡能夠旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸穿過被測點的曲率中心并與所述掃描透鏡的主光軸垂直，且所述轉(zhuǎn)軸與所述掃描透鏡之間的距離加上所述被測點的曲率半徑之和等于所述掃描透鏡的焦距；所述被測鏡承載臺使得被測鏡至少在與所述掃描透鏡的主光軸平行的平面內(nèi)能夠運動；所述面型繪制單元根據(jù)所述干涉光信號得到被測鏡上被測點的形貌數(shù)據(jù)、根據(jù)所述掃描單元得到被測鏡上被測點的位置數(shù)據(jù)，進行多個被測點的測量，進而繪制所述被測鏡的面型。本發(fā)明所要解決的又一技術(shù)問題是提供一種與上述裝置所對應(yīng)的面型測量方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種面型測量的方法，包括以下步驟所述分光干涉單元將激光器發(fā)出的不同頻率及不同偏振態(tài)的光在空間上分離為參考光與測量光；所述參考光入射所述分光干涉單元；所述測量光入射所述分光干涉單元后出射至所述掃描單元，攜帶被測鏡信息后自所述掃描單元返回所述分光干涉單元；所述參考光與所述攜帶被測鏡信息的測量光發(fā)生干涉并形成干涉光信號；所述面型繪制單元接收所述干涉光信號，并計算出所述被測鏡的鏡面上的被測點的形貌數(shù)據(jù)。所述面型繪制單元與所述掃描單元連接，并根據(jù)所述反射鏡的偏擺角度以及所述被測鏡承載臺的位置和角度，計算出所述被測鏡的鏡面上的被測點的位置數(shù)據(jù)。進行掃描流程，所述反射鏡進行旋轉(zhuǎn)，所述被測鏡承載臺驅(qū)動被測鏡運動，所述面型繪制單元得到所述被測鏡上預(yù)定數(shù)量的被測點的形貌數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)，并進行所述被測鏡的面型繪制。優(yōu)選的，所述進行掃描流程包括以下步驟步驟一，將所述面型繪制單元和所述掃描單元初始化；所述面型繪制單元的面型數(shù)據(jù)初始化為標稱零點，所述掃描單元初始化被測鏡掃描區(qū)域大小和初始掃描位置，以及所述反射鏡的掃描初始位置；步驟二，所述反射鏡在所述掃描單元的控制下正向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度，判斷是否完成掃描，如果已經(jīng)完成，那么停止掃描；如果沒有完成，那么所述被測鏡在所述掃描單元的控制下運動一步；步驟三，所述反射鏡在所述掃描單元的控制下反向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度，判斷是否完成掃描，如果已經(jīng)完成，那么停止掃描；如果沒有完成，那么所述被測鏡在所述掃描單元的控制下運動一步；步驟四，重復(fù)步驟二、步驟三，直至完成掃描流程。優(yōu)選的，所述反射鏡在所述掃描單元的控制下正向或者反向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度之前還包括調(diào)整所述面型繪制單元中形貌數(shù)據(jù)的讀數(shù)的步驟，使所述面型繪制單元中的形貌數(shù)據(jù)與所述被測鏡承載臺最近一次運動前的最后一次形貌數(shù)據(jù)讀數(shù)相等。優(yōu)選的，當所述被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影為矩形時，所述初始掃描位置在所述被測鏡的被測表面的一角，所述被測鏡在所述掃描單元的控制下平移。優(yōu)選的，當所述被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影為圓形或扇形時，所述初始掃描位置在所述圓形或扇形的圓心所對應(yīng)的被測鏡上的點，所述被測鏡在所述掃描單元的控制下轉(zhuǎn)動。 優(yōu)選的，所述被測鏡確認掃描區(qū)域大小之前還包括對所述被測鏡進行虛擬構(gòu)圖的步驟，通過加入虛擬塊，將所述被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影虛擬成矩形、圓形或者扇形的一種，完成所述掃描流程之后還包括剔除所述虛擬塊的步驟。本發(fā)明的基于雙頻干涉的面型測量裝置和方法，完全不同于現(xiàn)有的面型測量技術(shù)，其利用掃描透鏡的旋轉(zhuǎn)以及被測鏡承載臺的移動，使得面型繪制裝置能夠得到被測鏡表面上多點的形貌數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)，進而能夠進行被測鏡表面面型繪制。本發(fā)明具有以下優(yōu)點測量精度高、抗干擾能力強，對整個裝置本身的要求降低；信號處理的難度相對很低；裝置制造成本低，光學(xué)部件的面型測量成本降低。本發(fā)明尤其適用于大型天文望遠鏡的反射鏡的面型測量。



圖I為實施例一的面型測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I所示裝置的面型掃描流程圖；圖3為當被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影為矩形時，圖I所示的裝置在被測鏡上的掃描軌跡；圖4為當被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影為圓形時，圖I所示的裝置在被測鏡上的掃描軌跡；圖5為實施例二的面型測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例一參見圖I所公布的面型測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要由以下部分組成分光干涉單元、掃描單元以及面型繪制單元，所述面型測量裝置還包括激光器11為所述分光干涉單元提供激光源。以下將對上述分光干涉單元、掃描單元以及面型繪制單元的結(jié)構(gòu)進行介紹。所述分光干涉單元主要包括圖I中虛線框的左邊部分，即偏振分光棱鏡1，根據(jù)入射光的偏振態(tài)的不同而將入射光反射或者透射，其中被反射的入射光定義為參考光f I、被透射的入射光定義為測量光f2，所述參考光Π與所述測量光f2具有不同的頻率，且偏振態(tài)相差90° ;第一波片2,設(shè)置在所述參考光fl的反射光路上,所述第一波片2包括第一四分之一波片以及鍍在所述第一四分之一波片背部(即背離所述偏振分光棱鏡I的表面)的反射膜，用于將被所述參考光Π反射回偏振分光棱鏡I且使得所述參考光Π的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，此時所述參考光fl被偏振分光棱鏡I透射；第二波片3，所述第二波片3為四分之一波片，且位于所述測量光f2的透射光路上，被透射的測量光f2經(jīng)過所述掃描單元后返回所述第二波片3、所述偏振分光棱鏡1，再被所述偏振分光棱鏡I反射；準直鏡5，設(shè)置在所述偏振分光棱鏡I的出射光路上，所述準直鏡5內(nèi)設(shè)置有聚光透鏡和位于所述聚光透鏡出射方向的檢偏器，使得所述由偏振分光棱鏡I透射的參考光fi和由偏振分光棱鏡I反射的攜帶被測鏡信息的測量光f2進入所述準直鏡并發(fā)生干涉。所述掃描單元主要包括圖I中虛線框的右邊部分，即掃描透鏡4，設(shè)置在所述第二波片3的透射光路上，所述掃描透鏡4可以是單片聚光鏡或者兩片以上鏡片組合成的聚光鏡，且所述的掃描透鏡4具有遠心光路的光學(xué)特征；反射鏡7，用于將從所述掃描透鏡4透射的測量光f2反射并聚焦在所述被測鏡上，所述反射鏡7能夠旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸穿過被測點的曲率中心并與所述掃描透鏡4的主光軸垂直，且所述轉(zhuǎn)軸與所述掃描透鏡4之間的距離加上所述被測點的曲率半徑之和等于所述掃描透鏡4的焦距，所述掃描透鏡4具備當所述反射鏡7勻速掃描時，射束斑勻速掃描被測表面的光學(xué)特征。所述面型繪制單元10含有激光計數(shù)卡9，所述激光計數(shù)卡9通過導(dǎo)光光纖6與所述光纖準直器5連接。所述激光計數(shù)卡9用于將接收到干涉光信號解調(diào)出面型形貌信息。所述面型繪制單元10與所述被測鏡承載臺8以及反射鏡7連接，其接受被測鏡承載臺8的位置信息和反射鏡7的角度信息，并控制測鏡承載臺8和反射鏡7作出相應(yīng)的動作。下面對所述面型測量裝置的光學(xué)原理進行介紹。所述激光器11為穩(wěn)頻雙頻激光器，其工作原理是當在He-Ne激光諧振腔加上縱向或者橫向磁場后，由于塞曼效應(yīng)，所述諧振腔的出射光將分裂為兩個不同頻率的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，頻率分別為fl和f2，fl和f2經(jīng)過激光器內(nèi)部四分之一波片變?yōu)槠駪B(tài)相互垂直的線偏振光Π和f2(為了便于分析，人為假設(shè)Π在相對于入射表面的垂 直方向偏振，f2在相對于入射表面的水平方向偏振)，fl和f2再經(jīng)過激光器內(nèi)部分光鏡分出一部分用于提供基準頻差信號和提供激光器自身穩(wěn)頻的反饋信號，其余的大部分由激光器輸出。所述激光器11輸出的偏振態(tài)相互垂直、頻率不同的激光束一參考光fl和測量光f2入射到所述偏振分光棱鏡I，所述參考光fl被所述偏振分光棱鏡I反射、所述測量光f2從所述偏振分光棱鏡I透射。當所述參考光Π從所述偏振分光棱鏡I反射之后，入射到所述第一波片2，所述參考光Π首先從所述第一波片2的第一四分之一波片透射、變?yōu)槠駪B(tài)與入射表面呈45°的圓偏振光，所述參考光Π遇到所述第一波片2的反射膜后反射，所述參考光Π再次從所述第一波片2的第一四分之一波片透射、變?yōu)槠駪B(tài)與入射表面平行的線偏振光。所述參考光Π從所述偏振分光棱鏡I透射并入射至所述準直器5。從所述偏振分光棱鏡I透射的測量光f2經(jīng)過所述第二波片3，變?yōu)槠駪B(tài)與入射表面呈45°的圓偏振光；再經(jīng)過所述掃描透鏡4后，被所述反射鏡7反射、聚焦成射束斑并投射至被所述被測鏡表面；所述射束斑在所述被測鏡表面反射，經(jīng)所述反射鏡7、所述掃描透鏡4、所述第二波片3后入射所述偏振分光棱鏡1，所述測量光f2在所述第二波片3處變?yōu)槠駪B(tài)與入射表面垂直的線偏振光，因此被所述偏振分光棱鏡I反射并入射至所述準直器5。所述參考光與測量光在準直器5內(nèi)干涉，形成干涉光，所述干涉光由所述導(dǎo)光光纖6導(dǎo)入激光計數(shù)卡9，所述激光計數(shù)卡9用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將該信號經(jīng)過濾波、整形、變換后形成計數(shù)脈沖，再將所述計數(shù)脈沖與所述激光器11提供的基準干涉信號進行比對，從中提取出所述被測鏡的表面形貌信號。所述面型繪制單元10與所述激光計數(shù)卡9連接，所述面型繪制單元10將所述激光計數(shù)卡9輸出的形貌信號進行誤差補償和單位換算，最終得知射束斑所對準的所述被測鏡上的點的形貌數(shù)據(jù)(所述被測鏡上的點與所述掃描透鏡4的距離)；所述面型繪制單元10與所述被測鏡承載臺8以及所述反射鏡7連接，通過分析反射鏡7的偏擺角度和所述被測鏡承載臺8的位置和角度，能夠得知所述掃描透鏡4的射束斑在所述被測鏡上的點的位置數(shù)據(jù)，通過所述形貌數(shù)據(jù)和所述位置數(shù)據(jù)能夠?qū)⒃擖c準確定位，經(jīng)過對所述被測鏡的一系列測量并得到預(yù)定數(shù)量的點的位置數(shù)據(jù)和形貌數(shù)據(jù)之后即能將被測鏡面型繪制出來。
下面對如何得到預(yù)定數(shù)量的點的位置數(shù)據(jù)和形貌數(shù)據(jù)的面型掃描流程進行介紹，以說明如何提高測量精度。從所述面型測量裝置的結(jié)構(gòu)上而言，所述反射鏡7能夠發(fā)生轉(zhuǎn)動；所述被測鏡承載臺8使得所述被測鏡能夠運動，至少在與所述掃描透鏡4的主光軸平行的平面內(nèi)能夠運動-移動或者轉(zhuǎn)動。
對于不同種類的被測表面，掃描流程并不完全相同，當所述被測表面沿著所述被測鏡的轉(zhuǎn)軸延伸方向具有固定曲面半徑，即為圓筒狀表面時，所述反光鏡7的轉(zhuǎn)軸位于所述圓筒狀被測表面的軸心處，參見圖2，所述面型掃描流程主要包括以下步驟步驟一 S1，將所述面型繪制單元10和所述掃描單元初始化；所述面型繪制單元10的面型數(shù)據(jù)初始化為標稱零點，所述掃描單元初始化被測鏡掃描區(qū)域大小和初始掃描位置，以及所述反射鏡7的掃描初始位置。步驟二 S2，調(diào)整所述面型繪制單元10中形貌數(shù)據(jù)，使所述面型繪制單元10的形貌數(shù)據(jù)與所述被測鏡承載臺8最近一次運動前的最后一次讀數(shù)相等(第一次掃描時所述面型繪制單元10讀數(shù)調(diào)整前后為相同數(shù)據(jù)，所述面型繪制單元10實則未進行調(diào)整)，然后S3，所述反射鏡7在所述面型繪制單元10的控制下正向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度，這時，所述射束斑在被所述被測鏡上掃描出一條設(shè)定的弧線。接著S4，判斷是否完成掃描，如果已經(jīng)完成，那么停止掃描；如果沒有完成，那么進行S5，所述被測鏡在所述面型繪制單元10的控制下運動一步-位移一段距離或轉(zhuǎn)動一個角度。步驟三S6，調(diào)整所述面型繪制單元10的讀數(shù)，使所述面型繪制單元10讀數(shù)的形貌數(shù)據(jù)與所述被測鏡承載臺8最近一次運動前的最后一次讀數(shù)相等，然后S7，所述反射鏡7在所述面型繪制單元10的控制下反向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度，這時，所述射束斑在所述被測鏡上反向掃描出一條設(shè)定的弧線。然后S8，判斷是否完成掃描，如果已經(jīng)完成，那么停止掃描，如果沒有完成，那么進行S9，所述被測鏡在所述面型繪制單元10的控制下運動一步一位移一段距離或轉(zhuǎn)動一個角度。步驟四，重復(fù)步驟二、步驟三，直至完成掃描。上述調(diào)整所述面型繪制單元10中面型形貌數(shù)據(jù)讀數(shù)的原因是，對于一般的光學(xué)器件的面型而言，其面型函數(shù)是連續(xù)的，當被測鏡運動的位移或者角度非常小時(此時反射鏡7未轉(zhuǎn)動)，可以假設(shè)被測鏡運動前后射束斑所在的被測鏡表面高度相等，實際上其偏差通常小于5nm。然而所述被測鏡承載臺8的精度相對光學(xué)系統(tǒng)而言不高，其運動前后所引入的面型繪制單元中面型形貌數(shù)據(jù)讀數(shù)偏差可能遠遠大于5nm，通過面型繪制單元中面型形貌數(shù)據(jù)讀數(shù)調(diào)整就可以消除被測鏡承載臺8不理想引入的誤差。由此本裝置對于所述被測鏡承載臺8的精度不敏感，測量精度得到提升而且抗干擾能力更好。以下就兩個實例對圖2所示的測量流程所產(chǎn)生的射束斑掃描軌跡進行介紹。參見圖3，當所述被測鏡的被測表面在被測鏡承載臺8上的投影為矩形時，所述射束斑具有如下掃描軌跡步驟一，使得所述射束斑初始化在所述被測鏡的一角(圖3中為所述被測鏡的右上角)；步驟二，調(diào)整所述面型繪制單元10中面型形貌數(shù)據(jù)的讀數(shù)，所述反射鏡7發(fā)生正向轉(zhuǎn)動，則所述射束斑在所述被測鏡上做弧線運動，直至所述射束斑運動至所述被測鏡的邊緣(圖3中為所述被測鏡的左上角)，所述被測鏡承載臺8移動所述被測鏡(比如60微米，圖3中為所述被測鏡向上移動，相應(yīng)的所述射束斑掃描軌跡為相對所述被測鏡向下移動)；步驟三，調(diào)整所述面型繪制單元10中面型形貌數(shù)據(jù)，所述反射鏡7發(fā)生反向轉(zhuǎn)動，直至所述射束斑再次運動到所述被測鏡的邊緣(圖3中為被測鏡的右邊緣)，所述被測鏡承載臺8移動所述被測鏡(比如60微米，圖3中為向被測鏡上移動)；步驟四，重復(fù)所述步驟二與步驟三直至完成整個被測鏡的測量。
參見圖4，當所述被測鏡的被測表面在被測鏡承載臺8上的投影為圓形(或者扇形)時，所述射束斑具有如下掃描軌跡步驟一，首先使得所述射束斑初始化在所述圓形(或者扇形)的圓心對應(yīng)的被測表面的點；步驟二，調(diào)整所述面型繪制單元10中面型形貌數(shù)據(jù)，所述反射鏡7發(fā)生正向轉(zhuǎn)動，則所述射束斑在所述被測鏡上沿著所述圓形(或者扇形)的半徑運動，直至所述射束斑運動至被測鏡的邊緣，所述被測鏡承載臺8轉(zhuǎn)動被測鏡(比如O. 5°，圖4中為被測鏡逆時針方向轉(zhuǎn)動，相應(yīng)的射束斑掃描軌跡為順時針方向轉(zhuǎn)動)；步驟三，調(diào)整所述面型繪制單元中面型形貌數(shù)據(jù)，所述反射鏡7發(fā)生反向轉(zhuǎn)動，直至所述射束斑再次運動到所述圓形(或者扇形)的圓心對應(yīng)的被測表面的點，所述被測鏡承載臺8轉(zhuǎn)動所述被測鏡(比如O. 5° );步驟四，重復(fù)所述步驟二與步驟三直至完成整個被測鏡的測量。采用上述方法，只要獲得足夠多的點的位置和形貌之后即能將所述被測鏡面型繪制出來。當所述被測鏡不是規(guī)則圖形時，可先對其進行虛擬構(gòu)圖，通過加入一些虛擬塊，將所述被測鏡的被測表面在被測鏡承載臺8上的投影虛擬成矩形、圓形或者扇形；采用圖3、圖4所示的掃描流程之后，繪圖時剔除虛擬塊即可。上述介紹的被測表面為圓筒狀，然而當所述被測鏡具有圓球狀被測表面，所述反光鏡7的轉(zhuǎn)軸穿過所述圓球狀被測表面的球心，此時雖然能夠確保所述反光鏡7的轉(zhuǎn)軸始終穿過被測點的曲率中心，然而所述被測點的曲率卻是變化的。因此，所述掃描透鏡4設(shè)計成能夠相對所述反光鏡7移動的結(jié)構(gòu)。在圖2中，S5以及S9相應(yīng)修改為，所述被測鏡在所述面型繪制單元10的控制下運動一步一位移一段距離或轉(zhuǎn)動一個角度，且所述掃描透鏡4相對所述反光鏡7移動，以確保所述反光鏡7的轉(zhuǎn)軸與所述掃描透鏡4之間的距離加上所述被測點的曲率半徑之和等于所述掃描透鏡4的焦距。實施例二此實施例與實施例一大致相同，唯有以下區(qū)別在實施例一中，所述偏振分光棱鏡
I、所述第一波片2、所述第二波片3通過光學(xué)膠或者其它等效手段粘合成為一體式光學(xué)部件，而在實施例二中，所述偏振分光棱鏡I、所述第一波片2、所述第二波片3為獨立部件；且在實施例二中，所述第一波片2由第二四分之一波片12以及設(shè)置于所述第二四分之一波片12的背離所述偏振分光棱鏡I 一側(cè)的角錐棱鏡13組成，所述角錐棱鏡13的入射面靠近所述第二四分之一波片12且與所述第二四分之一波片12的表面平行。所述反射鏡7和所述掃描透鏡4可以通過機械手段或者其它手段組成整體，所述光纖準直器5也可以通過機械手段或者其它手段與所述反射鏡7和所述掃描透鏡4組合成一體式光學(xué)部件。所述反射鏡7、所述光纖準直器5、所述掃描透鏡4還可以是可拆卸連接。本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定權(quán)利要求，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種基于雙頻干涉的面型測量裝置，其特征在于，包括分光干涉單元、掃描單元以及面型繪制單元； 所述分光干涉單元將激光器發(fā)出的光在空間上分離為參考光與測量光，所述參考光與所述測量光的頻率不同，且偏振態(tài)相差90° ;將所述測量光發(fā)射至所述掃描單元，并會聚從所述掃描單元返回的攜帶被測鏡信息的測量光，使所述參考光與所述攜帶被測鏡信息的測量光發(fā)生干涉形成干涉光信號，將所述干涉光信號傳輸至所述面型繪制單元； 所述掃描單元包括掃描透鏡、反射鏡、被測鏡承載臺，所述分光干涉單元發(fā)射的測量光經(jīng)所述掃描透鏡后被所述反射鏡反射并聚焦在所述被測鏡上，掃描所述被測鏡并形成攜帶被測鏡信息的測量光，所述攜帶被測鏡信息的測量光原路返回至所述分光干涉單元；其中所述反射鏡能夠旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸穿過被測點的曲率中心并與所述掃描透鏡的主光軸垂直，且所述轉(zhuǎn)軸與所述掃描透鏡之間的距離加上所述被測點的曲率半徑之和等于所述掃描透鏡的焦距；所述被測鏡承載臺使得被測鏡至少在與所述掃描透鏡的主光軸平行的平面內(nèi)能夠運動； 所述面型繪制單元根據(jù)所述干涉光信號得到被測鏡上被測點的形貌數(shù)據(jù)、根據(jù)所述掃描單元得到被測鏡上被測點的位置數(shù)據(jù)，進行多個被測點的測量，進而繪制所述被測鏡的面型。
2.如權(quán)利要求I所述的面型測量裝置，其特征在于，所述分光干涉單元包括偏振分光棱鏡，根據(jù)入射光的偏振態(tài)的不同而將所述參考光反射以及將所述測量光透射；第一波片，所述偏振分光棱鏡反射出的參考光被所述第一波片反射回所述偏振分光棱鏡且使得所述參考光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，所述參考光再從所述偏振分光棱鏡透射；第二波片，為四分之一波片，所述偏振分光棱鏡透射出的測量光透射所述第二波片，經(jīng)過所述掃描單元后聚焦在所述被測鏡上，然后自所述被測鏡原路返回，再次經(jīng)過所述第二波片后，所述攜帶被測鏡信息的測量光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°并被所述偏振分光棱鏡反射；準直鏡，所述由偏振分光棱鏡透射的參考光和由偏振分光棱鏡反射的攜帶被測鏡信息的測量光進入所述準直鏡并發(fā)生干涉。
3.如權(quán)利要求2所述的面型測量裝置，其特征在于所述第一波片由第一四分之一波片，以及鍍在所述第一四分之一波片的背部的反射膜組成。
4.如權(quán)利要求2所述的面型測量裝置，其特征在于所述第一波片由第二四分之一波片以及設(shè)置于所述第二四分之一波片的背部的角錐棱鏡組成，所述角錐棱鏡的入射面靠近所述第二四分之一波片且與所述第二四分之一波片的表面平行。
5.如權(quán)利要求2所述的面型測量裝置，其特征在于所述偏振分光棱鏡、所述第一波片、所述第二波片粘合成為一體式光學(xué)部件。
6.如權(quán)利要求2所述的面型測量裝置，其特征在于所述準直鏡位于所述偏振分光棱鏡背對所述第一波片的一側(cè)，所述準直鏡通過導(dǎo)光光纖將所述干涉光信號導(dǎo)入所述面型繪制單兀。
7.如權(quán)利要求2所述的面型測量裝置，其特征在于所述準直鏡內(nèi)設(shè)置有聚光透鏡和位于所述聚光透鏡出射方向的檢偏器。
8.如權(quán)利要求I所述的面型測量裝置，其特征在于所述被測鏡具有圓筒狀被測表面，所述反光鏡的轉(zhuǎn)軸位于所述圓筒狀被測表面的軸心處。
9.如權(quán)利要求I所述的面型測量裝置，其特征在于所述被測鏡具有圓球狀被測表面，所述反光鏡的轉(zhuǎn)軸穿過所述圓球狀被測表面的球心，所述掃描透鏡能夠相對所述反光鏡移動。
10.一種采用權(quán)利要求I所述的裝置進行面型測量的方法，其特征在于包括以下步驟 所述分光干涉單元將激光器發(fā)出的不同頻率及不同偏振態(tài)的光在空間上分離為參考光與測量光； 所述參考光入射所述分光干涉單元； 所述測量光入射所述分光干涉單元后出射至所述掃描單元，攜帶被測鏡信息后自所述掃描單元返回所述分光干涉單元；所述參考光與所述攜帶被測鏡信息的測量光發(fā)生干涉并形成干涉光信號； 所述面型繪制單元接收所述干涉光信號，并計算出所述被測鏡的鏡面上的被測點的形貌數(shù)據(jù)； 所述面型繪制單元與所述掃描單元連接，并根據(jù)所述反射鏡的偏擺角度以及所述被測鏡承載臺的位置和角度，計算出所述被測鏡的鏡面上的被測點的位置數(shù)據(jù)； 進行掃描流程，所述反射鏡進行旋轉(zhuǎn)，所述被測鏡承載臺驅(qū)動所述被測鏡運動，所述面型繪制單元得到所述被測鏡上預(yù)定數(shù)量的被測點的形貌數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)，并進行所述被測鏡的面型繪制。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述進行掃描流程包括以下步驟 步驟一，將所述面型繪制單元和所述掃描單元初始化；所述面型繪制單元的面型數(shù)據(jù)初始化為標稱零點，所述掃描單元初始化所述被測鏡掃描區(qū)域大小和初始掃描位置，以及所述反射鏡的掃描初始位置； 步驟二，所述反射鏡在所述掃描單元的控制下正向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度，判斷是否完成掃描，如果已經(jīng)完成，那么停止掃描；如果沒有完成，那么所述被測鏡在所述掃描單元的控制下運動一步； 步驟三，所述反射鏡在所述掃描單元的控制下反向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度，判斷是否完成掃描，如果已經(jīng)完成，那么停止掃描；如果沒有完成，那么所述被測鏡在所述掃描單元的控制下運動一步； 步驟四，重復(fù)步驟二、步驟三，直至完成掃描流程。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述反射鏡在所述掃描單元的控制下正向或者反向轉(zhuǎn)動設(shè)定角度之前還包括調(diào)整所述面型繪制單元中形貌數(shù)據(jù)的讀數(shù)的步驟，使所述面型繪制單元的形貌數(shù)據(jù)與所述被測鏡承載臺最近一次運動前的最后一次形貌數(shù)據(jù)讀數(shù)相等。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于當所述被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影為矩形時，所述初始掃描位置在所述被測鏡的被測表面的一角，所述被測鏡在所述掃描單元的控制下平移。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于當所述被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影為圓形或扇形時，所述初始掃描位置在所述圓形或扇形的圓心所對應(yīng)的被測鏡上的點，所述被測鏡在所述掃描單元的控制下轉(zhuǎn)動。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述被測鏡確認掃描區(qū)域大小之前還包括對所述被測鏡進行虛擬構(gòu)圖的步驟，通過加入虛擬塊，將所述被測鏡的被測表面在所述被測鏡承載臺上的投影虛擬成矩形、圓形或者扇形的一種，完成所述掃描流程之后還包括剔除所述虛擬塊的步驟。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于步驟二及步驟三中，所述被測鏡在所述掃描單元的控制下運動一步之后，還包括使得所述掃描透鏡相對所述反光鏡移動以確保所述反光鏡的轉(zhuǎn)軸與所述掃描透鏡之間的距離加上所述被測點的曲率半徑之和等于所述掃描透鏡的焦距的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙頻干涉的面型測量裝置和方法。本發(fā)明的核心思路為激光器發(fā)出偏振態(tài)垂直、頻率不同的參考光和測量光，利用分光干涉單元以及掃描單元得到具有被測鏡信息的干涉光信號；面型繪制單元接收上述干涉光信號并得到被測點的形貌數(shù)據(jù)；掃描單元中的反射鏡能夠旋轉(zhuǎn)、被測鏡承載臺能夠運動，使得面型繪制單元能夠得到被測鏡上多個點的形貌數(shù)據(jù)及位置數(shù)據(jù)，進而能夠進行被測鏡的面型繪制。本發(fā)明的優(yōu)點是測量精度高、抗干擾能力強，對整個裝置本身的要求降低；信號處理的難度相對很低；裝置制造成本低，光學(xué)部件的面型測量成本降低。
文檔編號G02B26/10GK102645179SQ201110040790
公開日2012年8月22日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者任勝偉, 張志平, 張曉文, 池峰, 肖鵬飛, 陳勇輝 申請人:上海微電子裝備有限公司