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专利名称：基于斜入射的平面度绝对检验方法
技术领域：
本发明属于光干涉计量测试领域，特别是一种平面度绝对检验方法。
背景技术：
斐索干涉仪检测光学表面的结果受到参考面面形精度的制约，扣除这方面的影 响需要对被测件做绝对检验。传统的三面互检法对三个平面两两干涉检验，得到三个面 一条直径上的绝对轮廓，在此基础上将其中一组测量的测试面相对旋转一定角度能够 ±曾加得到一条直径上的轮廓误差(1. G. Schulz and J. Schwider. Precise measurement ofplaneness[J]. App1. Opt,1967,6,1077-1084.2.G. Schulz and J. Schwider, Establishing anoptic flatness [J] · Appl，Opt，1971，10，929—934.)。Fritz 等在传统 三面互检的基础上增加一次旋转测量，用Zernike多项式拟合测得的四组波面数据，根据 多项式的旋转特性求得三个面的Zernike多项式系数，该方法已应用于Veeco的商用干 涉仪测试软件中(3. B. S. Fritz. Absolute calibration ο fan optic flat [J], Opt. Eng, 1984，23，379-383.)。徐晨等提出了基于两平晶的绝对检验方案，该方法在确定某一平晶 的材料均勻性前提下，利用Zernike多项式分析两块平晶的三个表面两两干涉得到的波面 数据，实现平面的绝对检验(4. C. Xu, L.Chen and J. Yin. Method for absolute flatness measurement of optical surfaces [J] · Appl. Opt. 48，2009，2536-2541.)。以上绝对检验 方法均在正入射条件下进行，当被测件为高反射率光学平面时，为保证测试时的干涉条纹 的对比度需附加光强衰减装置，但这会引入透射波前畸变而降低测试精度，不利于进行绝 对检验。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于斜入射的平面度绝对检验方法，扣除干涉测量中 参考面带来的误差，特别适合高反射率光学表面的平面度检测。实现本发明目的的技术方案为一种基于斜入射的平面度绝对检验方法，包括以 下步骤步骤1 将参考透射平晶装夹在数字波面干涉仪的参考面位置，将参考反射平晶 装夹在测试面位置，调整参考透射平晶、参考反射平晶，使参考透射平晶的工作面A和参考 反射平晶的工作面C发生空腔干涉，利用干涉仪测量并储存空腔波面数据Ml (x, y)；步骤2 使用十字叉丝标记参考反射平晶的中心，使用干涉仪软件来标记参考透 射平晶的中心位置，撤去参考反射平晶，将被测件及参考反射平晶依斜入射光路摆放，调整 被测件的位置，使被测件成椭圆像在视场中，且椭圆的中心与参考透射平晶的中心位置重 合；调整参考反射平晶的位置，使参考反射平晶的十字叉丝与中心位置重合，移去参考反射 平晶的十字叉丝，利用干涉仪测量并储存得到的第一组斜入射波面数据M2(X，y)，测试后将 十字叉丝放回参考透射平面的中心；步骤3 依面法线方向逆时针旋转被测件，旋转后保持椭圆中心和十字叉丝中心重合，撤去十字叉丝，利用干涉仪测量并储存得到的第二组斜入射波面数据M3(X，y)；步骤4 根据上述三个步骤的测量结果，计算得到被测件的被测面B的绝对面形分布。本发明与现有技术相比，其显著优点为(1)只需一次正入射测量和两次斜入射 测量得到被测件的绝对面形分布，与传统绝对检验方法得到一条线上的绝对轮廓相比，得 到了整个平面的面形分布。(2)步骤1与步骤2、3中使用相同的参考平面，参考平晶无需从 干涉仪上取下，从而避免了传统绝对检验方法更换参考平晶造成的空间一致性误差。(3)特 别适用于测量高反射率光学平面的绝对面形分布，与传统检验方法相比，提高了测试精度。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。


图1为干涉仪正入射测量光路图。图2为干涉仪斜入射测量光路图。图3为本发明的基于斜入射的平面度绝对检验测量步骤示意图。图4为本发明在步骤1，步骤2，步骤3中测试软件使用的标记。图5为本发明的实施例在步骤1中干涉仪得到的波面。图6为本发明的实施例在步骤2中干涉仪得到的波面。图7为本发明的实施例在步骤3中干涉仪得到的波面。图8为本发明的实施例在步骤3中将步骤1得到的波面经步骤2、3的的掩膜处理 得到的波面。图9为本发明的实施例步骤4中根据步骤1、2的测试波面求得的被测件绝对面形 分布的旋转对称部分。图10为本发明的实施例步骤4中根据步骤2、3的测试波面求得的被测件绝对面 形分布的非旋转对称部分。图11为本发明的实施例步骤4求得的被测件绝对面形分布。
具体实施例方式本发明基于斜入射的平面度绝对检验方法，步骤如下步骤1 结合图1，启动数字波面干涉仪1，将参考透射平晶2装夹在干涉仪1的参 考镜调整架上，干涉仪1切换到调整状态，调整参考透射平晶2的俯仰和偏摆，使参考透射 平晶2的工作面A返回的光斑在干涉仪1的监视器中央，将参考反射平晶4装夹在四维调 整架上，调整参考反射平晶4的上下左右偏摆及俯仰，使干涉仪1切换到测试状态时参考反 射平晶4的工作面C与参考透射平晶2的工作面A的干涉条纹为满口径。工作面A、C的面 形偏差分别写成A (X，y)、C(x，y)，结合图5，用干涉仪1的干涉测量软件测量并储存空腔波 面数据M1(^y)M1 (x, y) =A (-χ，y) +C (χ，y)步骤2 结合图2，使用十字叉丝标记参考反射平晶4的中心，使用干涉测量软件标 记出参考透射平晶2的中心位置5。撤去参考反射平晶4，将被测件3、参考反射平晶4依斜 入射光路摆放，光线入射到被测面B的入射角为α (0° 180° )，调整被测件3的位置，使
6被测件3成椭圆像在视场中，且椭圆的中心与参考透射平晶的中心位置5重合。调整参考 反射平晶4的位置，使参考反射平晶4中心的十字叉丝与参考透射平晶的中心位置5重合。 移去参考反射平晶4的十字叉丝，利用干涉仪1测量得到第一组斜入射椭圆波面数据。测 试后再放回十字叉丝与参考透射平晶的中心位置5重合。结合图6，被测面B的面形偏差写 成B (x, y)，测得的第一组斜入射波面数据M2 (x, y)M2 (x, y) = A (-χ, y) +C (-χ, y) +2B (x/cos α，y) cos α步骤3:结合图3，依被测件3的面法线方向将3逆时针旋转角度Φ(0° 360° )，调整被测件3的上下左右及偏摆俯仰，使被测件3成的椭圆像中心与参考透射平 晶的中心位置5及参考反射平晶4的十字叉丝交点重合。撤去参考反射平晶4上的十字叉 丝，结合图7，利用干涉仪1测量得到第二组斜入射的椭圆波面数据M3 (X，y)M3 (x, y) = A (-χ, y) +C (-χ, y) +2ΒΦ (x/cos α，y) cos α步骤4 根据以上三步的测量结果，计算被测件3的被测面B的绝对面形分布。结 合图4，干涉仪1的出射波面经被测件3反射后投射到参考反射平晶4上的光斑形状为图 4中所示的椭圆6，参考透射平晶2参与干涉的面形区域也是椭圆，根据步骤1里空腔干涉 (即图1中的装置)得到满口径圆形数据区域7，结合图8，采用椭圆掩膜处理该数据将该组 数据处理为椭圆形。M1 (x, y)、M2(χ，y)、M3(χ, y)为椭圆形波面，为了使用Zernike多项式分析波面数 据，可依下式椭圆波面延拓为圆形。

权利要求
一种基于斜入射的平面度绝对检验方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1将参考透射平晶[2]装夹在数字波面干涉仪[1]的参考面位置，将参考反射平晶[4]装夹在测试面位置，调整参考透射平晶[2]、参考反射平晶[4]，使参考透射平晶[2]的工作面A和参考反射平晶[4]的工作面C发生空腔干涉，利用干涉仪[1]测量并储存空腔波面数据M1(x，y)；步骤2使用十字叉丝标记参考反射平晶[4]的中心，使用干涉仪软件来标记参考透射平晶[2]的中心位置[5]，撤去参考反射平晶[4]，将被测件[3]及参考反射平晶[4]依斜入射光路摆放，调整被测件[3]的位置，使被测件[3]成椭圆像在视场中，且椭圆的中心与参考透射平晶[2]的中心位置[5]重合；调整参考反射平晶[4]的位置，使参考反射平晶[4]的十字叉丝与中心位置[5]重合，移去参考反射平晶[4]的十字叉丝，利用干涉仪[1]测量并储存得到的第一组斜入射波面数据M2(x，y)，测试后将十字叉丝放回参考透射平面[4]的中心；步骤3依面法线方向逆时针旋转被测件[3]，旋转后保持椭圆中心和十字叉丝中心重合，撤去十字叉丝，利用干涉仪[1]测量并储存得到的第二组斜入射波面数据M3(x，y)；步骤4根据上述三个步骤的测量结果，计算得到被测件[3]的被测面B的绝对面形分布。
2.根据权利要求1所述的基于斜入射的平面度绝对检验方法，其特征在于步骤1中，启 动干涉仪[1]，将参考透射平晶[2]装夹在干涉仪[1]的参考镜调整架上，干涉仪[1]切换 到调整状态，调整参考透射平晶[2]的俯仰和偏摆，使参考透射平晶[2]的工作面A返回的 光斑在干涉仪[1]的监视器中央，将参考反射平晶[4]装夹在四维调整架上，调整参考反射 平晶[4]的上下左右偏摆及俯仰，使干涉仪[1]切换到测试状态时参考反射平晶[4]的工 作面C与参考透射平晶[2]的工作面A的干涉条纹为满口径，工作面A、C的面形偏差分别 写成A(X，y)、C(X，y)用干涉仪[1]的干涉测量软件测量并储存空腔波面数据M1 (x，y)M1 (x,y) =A(-x,y)+C(x, y)
3.根据权利要求1所述的基于斜入射的平面度绝对检验方法，其特征在于步骤2中，光 线入射到被测面B的入射角为α，被测面B的面形偏差写成B (X，y)，测得的第一组斜入射 波面数据礼0^，一 M2 (x, y) = A (-χ, y) +C (-χ, y) +2B (x/cos α , y) cos α
4.根据权利要求1所述的基于斜入射的平面度绝对检验方法，其特征在于步骤3中， 依被测件[3]的面法线方向将被测件[3]逆时针旋转Φ角，调整被测件[3]的上下左右及 偏摆俯仰，使被测件[3]成的椭圆像中心与参考透射平晶的中心位置[5]及参考反射平晶 [4]的十字叉丝交点重合，撤去参考反射平晶[4]上的十字叉丝，利用干涉仪[1]测量得到 第二组斜入射的椭圆波面数据M3 (x，y)M3 (x, y) = A (-χ, y) +C (-χ, y) +2ΒΦ (x/cos α，y) cos α
5.根据权利要求1所述的基于斜入射的平面度绝对检验方法，其特征在于步骤4中， 干涉仪[1]的出射波面经被测件[3]反射后投射到参考反射平晶[4]上的光斑形状为椭圆[6]，参考透射平晶[2]参与干涉的面形区域也是椭圆，空腔干涉得到满口径圆形数据区域[7]，采用椭圆掩膜处理该组数据，将该组数据处理为椭圆形M1 (x, y)、M2(x，y)、M3(x，y)为椭圆形波面，为了使用Zernike多项式分析波面数据，依下式椭圆波面延拓为圆形，M1 ‘ (χ, y) = M1 (χ cos a, y)<M1 ‘ (χ, y) = M1 (χ cos α，少) M3 ‘ (χ, y) = M2 (x cos a, y)于是Mx\x,y)^A\-x,y) + C\x,y)<M2 ’ O，y) = A (一χ, y) + C' (-χ, y) + 2Β(χ, y) cos a M3 · (χ, y) = A {-χ, + C’ {-χ, y) + 2ΒΦ (χ, y) cos α式中的A'、C'是由面形偏差A、C经类似的变换得到；圆形波面F(x，y)经Zernike多项式拟合后，根据Zernike多项式的旋转特性分解成旋 转不变量Fjx，y)和旋转因变量F0(x，y)的线性组合，Fjx，y)和极坐标下的巧(p，约具有 如下的性质Fr(x,y) = Fr(-x,y) = Fr(x,-y) = Fr(-x,-y) = Ff(x,y)ΡθΦ(ρ,φ) = Ρθ(ρ,φ-Φ) 将M1' (x，y)、M2' (x，y)、M3' (x，y)三组波面用Zernike多项式拟合，得到旋转不变 量和旋转因变量，得到以下两组关系iMlr\x,y) = Ar\-x,y) + Cr\x,y) [M2r'(x,y) = Ar\-x,y) + Cr'(-x,y) + 2Br(x,y)cosa \Μ2Θ‘(χ, y) = A0'(~x, y) + C0'(-χ, y) + 2ΒΘ(χ, y) cos a [Μ3Θ'(χ, γ) = Αθ'(-χ, y) + Ce' (-χ, y) + 2ΒΘΦ (χ, y) cos α上式中下标r表示旋转不变量，下标θ表示旋转因变量；根据Zernike多项式的旋转不变量性质，求得被测面B的旋转不变量，即Β 江力=M2r'(x,y)-Mlr'(x,y) r ‘2cosα被测面B的旋转因变量可以由下式开始求解Be (x,y)~ Bf (χ, y) = E(x,y)其中 E(x，y) = [M2/ (χ,y)-M30' (χ，y) ]/2cos α ；将 E(χ，y)用极坐标下的 Zernike 多项式表示 旋转因变量B0的Zernike多项式系数写成 E'1 · η{ΙΦ) 被测面B的旋转因变量由下式得到 B0(r,0) = S n,iRln{r)[Bln cos{W) + B~l sin(/0)]根据被测面B的旋转不变量B^以及旋转因变量B0得出被测面B的绝对面形分布 B = Br+B θ
全文摘要
本发明公开了一种基于斜入射的平面度绝对检验方法，该方法通过斐索干涉仪的空腔干涉以及两次斜入射测量得到三组波面数据，使用Zernike多项式对波面拟合，通过求解待测表面的旋转不变量和旋转因变量获得整个平面的绝对面形分布。本发明简化了测量步骤缩短了测量时间，不需要拆装参考透射平晶，仅需要三次测量能够得到被检平面的绝对面形分布，特别适用于高反射率光学平面的面形绝对检验。
文档编号G01B11/30GK101963496SQ20101050303
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者何勇, 刘兆栋, 朱日宏, 梁奕瑾, 王青, 陈磊, 韩志刚, 高志山 申请人:南京理工大学