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第
43
卷
,
第
2
期
2006
年
2
月
激光与光电子学进展激光与光电子学进展
Vol.43,No.2
Feb.2006
收稿日期
: 2005-08-08
;收到修改稿日期:
2005-09-05
基金项目
:
教育部
211
工程
(W15211070200)
资助项目
。
作者简介
:
刘斌
(1980~)
,中国科学技术大学在读博士研究生
,研究方向:光栅像差理论及光学仪器
检测
。
Email:figoabin@mail.ustc.edu.cn
摘 要 总结了常用大型非球面光学元件轮廓检测方法及其特点
。详细阐述了用于同步辐射光学元件检测的长程面形仪
的基本原理、发展阶段、关键技术、误差补偿、现状及发展方向
。并介绍了合肥国家同步辐射实验室长程面形仪的进展。
关键词 非球面
;
光学检测
;
斜度测量
;
轮廓测量仪
;
长程面形仪
中图分类号:
TH74
InvestigationofLongTraceProfilerforAsphericalOptics
LIUBin WANGQiuping FUShaojun
(NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei 230029)
Abstract
Thecharacteristicsoftestingmethodsofmeasuringthelargeasphericopticalprofileandtheircharacter原
isticsaresummarized.Thelongtraceprofiler(LTP)isusedfortestingthesurfaceslopeerrorofsynchrotronradiation
(SR)opticalelements.Itsbasicprinciple,seedtime,pivotaltechnique,errorcompensation,currentsituationandori原
entationofdevelopingareexpatiatedespecially.ThereaftertheprogressoftheLPTofNationalSynchrotronRadiation
Laboratory(NSRL)inHefeiisintroduced.
Keywords aspheric
;
opticaltesting
;
slopemeasurement
;
profilometry
;
longtraceprofiler
长程大型非球面轮廓测量仪的研究
刘斌王秋平傅绍军
(
中国科学技术大学国家同步辐射实验室
,
合肥
230029)
1
引言
同步辐射光源继电光源、
X
光
源、激光光源之后,又一次为人类
文明带来了革命性的推动。自
20
世纪
80
年代中期以来
,第三
代光
源也逐步在世界各地得到了广泛
的应用。光 束线是连接同步辐射储
存环和各用户实验装置的桥梁
,
它
把同步辐射白光单色化后再成像
到实验样品上
,
是同步辐射应用的
关键仪器。光 束线一般包括前置镜
光学系统、单色器和后置镜光学系
统。
为
了获得高的反射率
,光 束线
通常工作在掠入射状态,
因此,它
的光学镜一般为窄长形
(
长度可达
1m
,子午面曲率半径通常从数百米
到数千米
[1,2]
)
,而弧矢面曲率半径较
小,面形如圆锥面、圆柱面、椭球
面、抛物面、双曲面、超环面等复杂
的非球面
。
为了获得高的光子通量和高
分辨率,对光束线中的光学镜表面
质量和形貌的要求也越来越高
:表
面粗糙度优于
0.5nmRMS
,斜度均
方差
(slopeerrors)
不超过
1
m
rad
,
曲率半径误差低于
1%
[3~6]
,
在
X
射
线显微术成像中光束线的光学镜
甚至需要
0.1
m
rad
的精度
[7]
,于 是
,
高
精 度 非球面轮廓测量仪器急需得
到发展和提高
[3~6,8]
。在第三代光源
中,高热负载下反射镜表面畸变明
显,从而会降低
SR
光束亮度
,
因此
需要在线检测其变化及安装后变
形等
[9~12]
。
适用于高精度的非球面轮廓
测量方法不胜枚举,就其表现形式
而言,可分为接触测量和非接触测
量两种。前者由于会损伤被测元件
的表面,在非球面光学表面轮廓测
量中难以发挥作用
;后者主要分为
干涉测量法和顺序扫描法
[13]
。
以
泰
曼
-
格林
(Twyman-Green)
、斐索
(Fizeau)
等类型的传统干涉仪为基
础、辅以零校正技术的干涉计量
法、剪切干涉法
、外差
(
准外差
)
全息
干涉法是常见的干涉测量法
,由
此
发展的
WYKO
、
Zygo
干涉仪常用
于同步辐射光学镜检测
,对平面和
球面的光学镜检测精度可达
l
150
(4nm)
[14]
。但有以下缺点
:
46
激光与光电子学进展激光与光电子学进展
Vol.43,No.2
Feb.2006
第
43
卷
,
第
2
期
2006
年
2
月
1)
需要引入高质量的入射波
前和与待测表面相匹配的参考表
面,制造大口径参考镜成本增加
。
2)
在对曲率半径很大或很小
的复杂大型非球面元件测量时,
由
于干涉条纹太少或太多,太复杂
,
难以达到较高的测量精度和分辨
率。
3)
同步辐射光学镜具有特殊
面形,尤其在需要大量程的测量状
况下,
干
涉法难以达到要求
。
一维顺序扫描轮廓测量法虽
然速度较慢,但由于克服了干涉法
以上致命缺陷,
在大型非球
面光学
表面形貌测量中得到了应用。基于
聚焦探测光束的顺序扫描方法由
于受到景深的影响
,
对待测元件面
形要求苛刻
,因
而
,
同步辐射或天
文系统中的大型非球面光学镜一
般采用非聚焦探测光束扫描,
通
过
检测元件的表面反射角度变化
(slopemeasurement)
,评定其表面
形貌。
20
世纪
80
年代后期发展的长
程面形轮廓测量仪在同步辐射光
学镜的检测能得到很高的精度,可
以胜任同步辐射大部分光学镜的
测量。基于顺序扫描实现的非球面
轮廓测量的轮廓仪
,其光学
系统本
质上是一个
f-
q 透镜系统
(
如图
1
所示
)
:两束平行光沿待测面的主方
向进行扫描,
反射后
干涉条纹经透
镜成像在探测器上
,
在扫描过程
中,其面形是变化的
,
所以反射后
的干涉条纹也是变化的,
通
过记录
每个条纹的位置即得到对应待测
点的角度值
(
a
=
d
2f
, f 垌d)
。扫描一
次
,
得到一组角度变化曲线
(
即
slope
曲线
)
,而高度曲线,
则可以
通过角度曲线的积分获得
。探测
器
上条纹位置的记录精度直接影响
到角度敏感度,
采
用双光束干涉式
的准直暗条纹方法有助于提高它
的分辨率,
这
正是长程面形仪的一
大特色。为了进一步提高它的测量
精度、稳定性、
重
复性等,
长程面
形
仪的总体结构在近
20
年的发展中
一直在提升,
下
面主要介绍它的几
个重要的反展阶段
。
2
长程面形仪发展的几个阶段
1982
年,
BierenKV
将两臂固
定的迈克尔逊干涉仪引入基本扫
描轮廓仪,提出了光笔干涉仪的基
本结构
(
图
2)
,此时探测器上接收
到的图样为干涉条纹,
大
大提高了
轮廓仪的分辨率
。
该系统无需参考
平面和高质量大孔径入射波前
,
对
具有轴对称或旋转对称结构的非
球面光学元件的线轮廓测量有很
高的精度
(依6nm)
[15,16]
。
为了将光笔干涉仪中的优点
应用到同步辐射光学镜轮廓检测
上来
,
TakacsPZ(
美国
Brookhaven
NationalLaboratory
,简称
BNL)
,
QianShinan(
钱石南
,
中国科学技
术大学
)
在此基础上于
1987
年提出
了等光程分光系统的光笔干涉轮
廓仪,并命名为长程面形仪
(Long
TraceProfiler
,
LTP)
,改善了光笔
干涉仪中的缺陷,在大型非球面光
学镜的测量中达到很高精度
[1,2,17,18]
。
因继承了光笔干涉仪的结构
,
LTP
不需引入参考面,是一种“
绝对”测
量方法,引入等光程分光系统
,
降
低了空气扰动和激光指向精度的
影响。
其最
大特色是能够引出外延
调整光束
(
图
3)
,准确校准光学镜
(
窄而弧矢面曲率半径小
)
的对称
轴,
从
而沿轴扫描
,
获得真实准确
的轮廓形貌
。
针对第一代轮廓测量仪
(LTPI)
中导轨运动误差的影响及激光指
向性较差的弱点
,
Irick
和
Mckinney
(LawrenceBerkeleyLaboratory
,
LBL)
于
1992
年提出了采用直线性
参考基准,补偿了两者误差,同 时
部 分 修 正 了 空气扰动、温度变化等
对测量精度的影响
[19~22]
。其 后
BNL
、
图
1 f-
q 透镜系统基本原理
,
a 为待测光学元件面形的角度值
图
2
光笔干涉仪的基本结构
47
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