[发明专利]一种高精度高空间分辨长程面形检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及大尺寸镜面物体的面形检测，特别涉及一种高空间分辨高精度长程面形检测系统。

背景技术

光学元件表面的面形误差对光学系统性能有非常重要的影响，按照面形误差空间频率的分布，可划分为高空间频率、中等空间频率和低空间频率误差。已有的研究结果表明不同的频率误差对成像系统的影响效果不同，例如高频误差的折射效应和低频误差的散射效应不会明显改变像平面上点扩散函数的形状，只会引起聚焦能量的发散、所成像对比度和信噪比的降低，相比而言，中频误差破坏了拓宽了系统点扩散函数，进而降低了成像质量(参考文献：James E.Harvey and Anita Kotha″Scattering Effects from Residual Optical Fabrication Errors.″SPIE 2576.；Youngworth，R.N.and B.D.Stone(2000).″Simple Estimates for the Effects of Mid-spatial-Frequency Surface Errors on Image Quality.″Appl.Opt.39(13)：2198-2209.)。在不同的应用上，所关心的误差空间频率段不同。

在同步辐射领域，第三代的高能同步辐射光源的同步光品质非常高(几微米尺寸和几个微弧度的发散)，要将这样的同步光高效率的调制传输到同步辐射应用实验的样品处，并仍保持其高品质(高通量、高相空间亮度、高相干性)，则要求束线站所使用的大量反射光学元件面形误差非常低。此外，纳米聚焦也是同步辐射领域重要的研究内容，同步辐射束线上采用较多的聚焦元件是反射式的Kirkpatrick-Baez镜(以下简称K-B镜)，为了实现纳米尺度的聚焦，美国布鲁克海文国家同步辐射新建光源(NSLS II)认为反射镜的面形误差低于0.1微弧度。

在传统光学应用中，面形检测方法是使用原子力显微镜测量高频误差，干涉计量方法测量中频和低频误差，这两种方法的测量范围都局限在200mm-500mm的范围，这两种方法无法满足同步辐射中大尺寸K-B镜(一般为500mm-1000mm)的测量要求。基于双细光束干涉的长程面形仪(Long Trace Profiler，以下简称LTP)可以完成这种长程测量的功能，其包括光学头(光学头包括准直透镜、分束棱镜、聚焦透镜和CCD)，参考光束反射镜，工作台和传输台，光学头在传输台上移动扫描待测，如图6所示，基本工作原理是：激光器产生的准直光束经光学头分束后一束作为参考光束，一束作为扫描光束用于扫描物体，物体的倾斜导致光束在探测器上的位置发生变化，倾斜角度与位移一一对应；同时为了消除机械导轨的运动误差和激光指向性误差，利用外置的参考反射镜构成参考光路测量，并在最终数据中补偿该误差。但普遍存在以下几个问题：(1)由于LTP中光学元件的瑕疵在极大程度上限制了LTP的性能，目前世界上最好的LTP精度(也只能达到0.2微弧度)仍无法达到纳米聚焦的要求，无法全面反映待测光学元件的聚焦性能(参考文献：Rommeveaux，A.，L.Assoufid，et al.(2007).Second metrology round-robin of APS，ESRF and SPring-8 laboratories of elliptical and spherical hard-x-ray mirrors，San Diego，CA，USA，SPIE.p.2278-2280(1995)；Qian，S.and K.Qian(2010).Study and considerations of nanometer and nano-radian surface profiler，SPIE，P.O.BOX 10 Bellingham WA 98227-0010 USA.)；(2)而且可测的最高面形误差空间频率为1线/毫米(line per millimeter)，可反映表面面形误差的信息非常少；(3)光学头扫描过程中，气浮传输台转动误差非常大，量级在几个微弧度，虽然可以使用参考镜补偿该误差，但这增加了系统结构和计算的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是克服现有LTP技术的不足，提供一种测量空间采样率高(或称高空间分辨率)、大面形尺寸物体的高空间分辨高精度长程面形检测系统，该系统结构简单、性能稳定。

该面形检测系统包括：花岗岩基本工作台、高精度气浮传输台、激光光源组件、分束棱镜、扫描光学头、光学元件支座、信号采集处理单元。