专利名称：一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法
技术领域：
本发明涉及大口径平面光学元件面型干涉法测试领域，特别涉及一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法。
背景技术：
现代光学元件的制造是一种动态的集成制造模式，面型测试作为一项重要的反馈和评估指标，对于确保光学元件的制造质量是必不可少的。随着大型光学元件加工质量要求的不断提升，其质量标准的内涵也不断丰富，全口径、全空间频率的质量控制成为制造过程的新目标，而全口径、全空间频率的面型误差的检测也就成了大口径光学元件的主要目标。子孔径拼接干涉测量是大口径光学元件测量的重要技术手段之一，也是世界各国广泛认同的技术方式。子孔径拼接干涉测量的原理是，利用小口径的干涉仪获取大口径光学元件的小部分面型，并通过多孔径的拼接算法复原全口径面型。这样不但保证了干涉测量的高精度，而且免去了使用和全孔径尺寸相同的标准面，从而大大降低了成本，并同时可以测得大口径干涉仪所难以测得的中、高频信息。平面元件面型的干涉检测是一种相对测量，即利用平面度较高的平晶作为标准镜，通过相移干涉法得到待测平面与标准镜之间的误差。目前，小口径平面干涉仪的标准镜必须用一等平晶，通常一等平晶要求PV值小于0.05 μ m。而高精度的被测大口径平面在单位干涉测量区域内PV值也接近甚至小于0.05 μ m,这样，相对检测所产生的误差就明显偏大。其中，低频误差对传统拼接方法有致命的影响。由于低频误差的介入，各子孔径间的相对倾斜的不确定度增大，因此，子孔径拼接的累积误差极为容易扩大，导致拼接结果的PV值，RMS值与面型图与真实值差距过大。因此，子孔径拼接法高精度大口径平面光学元件的困扰，亟待新方法解决。因此，本发明提 出一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，以达到减少相对检测所引起的低频误差，提高子孔径拼接检测精度的目的。

发明内容
本发明的目的在于克服平面子孔径拼接干涉测量中，现有的子孔径拼接技术检测高精度大口径平面光学元件精度低的不足，提出一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，实现子孔径拼接干涉检验的高精度测试。本发明提出的基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，该方法通过逐个测量指定位置的子孔径，并利用坐标变换、最小二乘法等数学手段，修正子孔径间相对倾斜、位移、标准面误差，以实现子孔径间重叠区域相位精确拟合。其测量装置包括被测平面、二维平移台(XZ方向平移台)、干涉仪(菲索型干涉仪)、作为干涉仪附件的标准平面透镜。标准平面透镜放在干涉仪与被测平面之间，调节二维平移台X与Z轴的平移，使干涉仪出瞳对准被测平面中心区域。再通过调节二维平移台X与Z轴的转动，目的让干涉仪出射波面法线与被测区域法线近似重合，从而使干涉仪出射的参考平面波前与所测区域的平面波前近似重合，这样入射到被测区域的光线就能够近似的沿原路返回。干涉仪在此光学表面区域进行干涉测量，得到一个子孔径。通过调节二维平移台X与Z轴的平移，到达下一个指定待测区域，即第二个子孔径，得到第二个子孔径的测量值，两子孔径之间有重叠区，重叠区大小由被测样品轮廓、尺寸与干涉仪出瞳尺寸决定，这样就得到待拼接的两子孔径。理论上，在重叠区域内两次检测得到的波前相位值应该是相等的，也即两次检测相位数据位于同一个面，而实际检测过程中，因为移动和旋转导致的倾斜、平移等误差，重叠区域两次测量得到的相位值不同，两个面并不重合。应用坐标变换，使两孔径坐标统一起来，再通过最小二乘法拟合重叠区相位，计算两子孔径相对倾斜、位移、标准面的Zernike系数，并通过校准相对倾斜、位移，去除标准面的Zernike表达式所描述的低频误差，使两孔径重叠区相位精确拟合，从而完成两子孔径的拼接。上述发明的目的通过以下的方法实现:
一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，采用平面光学元件检测装置进行检测，所述检测装置包括二维平移台、干涉仪和标准平面透镜，所述标准平面透镜固定于干涉仪出瞳端，所述二维平移台上放置有平面光学元件，所述干涉仪的出瞳正对平面光学元件，使平面光学元件平行于标准平面透镜，以便测量干涉图像，具体步骤如下:
(I)将所述平面光学元件固定在二维平移台上，干涉仪对准所述平面光学元件的位
置；
(2)调节二维平移台到达指定目标分布区域；
(3)使干涉仪出瞳对准平面光学元件进行采集测量计算，得到该子孔径面型信息；
(4)重复步骤(2)和(3)，直到完成全部子孔径的测量，即可实现所述平面光学元件的子孔径测量。本发明中，所述二维平移台采用XZ方向平移台。本发明中，所述干涉仪采用菲索型干涉仪。本发明中，步骤(2)中移动二维平移台到达指定目标分布区域，利用小口径干涉仪对所述平面光学元件的指定目标分布区域，即子孔径区域进行逐个检测。本发明的有益效果在于:本发明针对高精度平面光学元件面形精度较高的特点，通过校准相对倾斜、位移、去除标准面的Zernike表达式，完成大口径光学平面的子孔径检测的目的，为大口径平面元件检验提供一种经济有效的检测方法。


图1是本发明平面光学元件干涉检测装置的俯视图。图中标号:1为二维平移台，2为平面光学元件，3为标准平面透镜，4为干涉仪。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1:其结构如图1所示，该装置包括二维(XZ)平移台1、标准平面透镜3、菲索型干涉仪4，标准平面透镜3固定在菲索型干涉仪4出瞳端，同时，平面光学元件2置于XZ平移台I上，从而可以调节平面光学元件2的位置，小口径干涉仪4的出瞳正对平面光学元件2，调节XZ平移台I的X与Z方向的旋转，使平面光学元件2平行于标准平面透镜3，以便测量干涉图像。利用上述装置进行基于子孔径拼接的平面光学元件检测方法，测试步骤如下:
①将平面光学元件2固定在XZ平移台I上，菲索型干涉仪4对准平面光学元件2的位置；
②调节XZ平移台1，使菲索型干涉仪4出瞳对准平面光学元件2的预设计的子孔径位置之一，菲索型干涉仪4对该部分进行采集计算，得到该子孔径面型信息；
③重复上述步骤③，直到完成全部子孔径的测量，可以实现平面光学元件2的子孔径测量。根据所述的基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，所述的拼接方法是应用坐标变换，使两孔径坐标统一起来，再通过最小二乘法拟合重叠区相位。通过计算公式
权利要求
1.一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，其特征在于采用平面光学元件检测装置进行检测，所述检测装置包括二维平移台、干涉仪和标准平面透镜，所述标准平面透镜固定于干涉仪出瞳端，所述二维平移台上放置有平面光学元件，所述干涉仪的出瞳正对平面光学元件，使平面光学元件平行于标准平面透镜，以便测量干涉图像，具体步骤如下: (1)将所述平面光学元件固定在二维平移台上，干涉仪对准所述平面光学元件的位置； (2)调节二维平移台到达指定目标分布区域； (3)使干涉仪出瞳对准平面光学元件进行采集测量计算，得到该子孔径面型信息； (4)重复步骤(2)和(3)，直到完成全部子孔径的测量，即可实现所述平面光学元件的子孔径测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，其特征在于所述二维平移台采用XZ方向平移台。
3.根据权利要求1所述的一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，其特征在于所述干涉仪采用菲索型干涉仪。
4.根据权利要求1所述的一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，其特征在于步骤(2)中移动二维平移台到达指定目标分布区域，利用小口径干涉仪对所述平面光学元件的指定目标分 布区域，即子孔径区域进行逐个检测。
全文摘要
本发明涉及一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法。所述检测装置包括二维平移台、干涉仪和标准平面透镜，具体步骤为将所述平面光学元件固定在二维平移台上，干涉仪对准所述平面光学元件的位置；调节二维平移台到达指定目标分布区域，使干涉仪出瞳对准平面光学元件的几何中心部分，干涉仪对该几何中心部分进行采集测量计算，得到该子孔径面型信息；重复前述步骤，直到完成全部子孔径的测量，即可实现所述平面光学元件的子孔径测量。本发明针对高精度平面光学元件面形平面度较高的特点，通过一定拼接算法恢复完整被测平面元件面型，为高精度平面光学元件面型检验提供一种经济有效的检测方法。
文档编号G01B11/24GK103217125SQ20131009855
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者沈正祥, 徐旭东, 孙晓雁, 王晓强, 马彬, 程鑫彬, 王占山 申请人:同济大学