CN101762242B

CN101762242B - 一种光学平面面形的绝对干涉测量方法

Info

Publication number: CN101762242B
Application number: CN2010100011775A
Authority: CN
Inventors: 陈凌峰; 任雅青; 李�杰; 周桃庚
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN101762242A

Abstract

本发明涉及一种光学平面面形的绝对干涉测量方法，属于光学测量技术领域。该方法首先从测量光纤衍射的球面波经被测平面镜反射，折向并透过平板分束镜，与参考光纤衍射并被平板分束镜反射的球面波前汇合而发生干涉；干涉图用标准方法分析和处理；该步测量得到被测平面镜和平板分束镜引入的像差。然后，移除被测平面镜，移动测量光纤端面到关于被测平面镜的共轭位置，从测量光纤和参考光纤衍射的球面波汇合而再次发生干涉；该步测量得到平板分束镜引入的像差；将第一、二步测量结果相减即得到被测平面镜引入的像差，按球面波前入射角度修正即得到被测平面镜的面形。本发明实现了光学平面的全面形逐点、高精度干涉测量，是一种平面绝对干涉测量方法。

Description

一种光学平面面形的绝对干涉测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种光学平面面形的绝对干涉测量方法，可以在全面形上实现光学平面的逐点高精度测量。

背景技术

平面光学元件在光学系统中应用极为广泛，其作用主要是折转光路和成像，其平面度通常在一个波长以下。光学平面的面形测量一般采用干涉方法，这就需要一个标准的参考平面作为平面基准。通常的干涉仪使用光学加工制造出的标准平板作为参考平面，总是存在着一定的面形误差，因而限制了干涉仪测量平面面形的准确度，当前干涉仪平面面形的测量准确度只能达到λ/20～λ/50(λ为光波长，值为632.8nm)，远不能满足超精密加工及紫外光刻等前沿技术研究的需求。

实现光学平面高精度测量的关键在于寻求更为理想的参考波面。从精度考虑，这种波面也不能仅仅局限在平面波前。我们知道，借助于小孔点衍射可以产生近似理想的球面波。小孔的大小决定了衍射光的数值孔径和偏离球面波的误差。如果小孔直径为4λ，即衍射光束在数值孔径0.2时，其远场的衍射球面偏差小于λ/10⁴，这个精度远远超过了目前已知的各种参考波面。对实际测量而言，其参考球面可视为理想波面。用柔性光纤纤芯的端面代替小孔就构成了光纤点衍射干涉仪。

点衍射产生的参考球面波前是发散的，因而天然适合于测量凹球面，却无法直接应用于平面测量。我们设想将点衍射波前通过被测平面镜反射，则反射波前仍然是球面波前，但携带有被测平面镜的面形信息，只要将该球面波与另一根光纤衍射的参考球面波发生干涉即可得到被测平面镜的面形信息。这可以通过平板分束镜来实现。平板分束镜虽然可以完成参考波面与测量波面的汇合，但平板分束镜本身的像差无疑给平面的测量引入了误差。要得到准确的平面面形测量结果，就必须准确测量平板分束镜引入的像差并对测量结果进行修正。

本申请人的在先专利申请“一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法”(申请号：200910237426.8)遵循上面的思路，提出一种通过引入平板分束镜使携带被测平面镜面形信息的测量波前与参考波前汇合而产生干涉，从而提高测量精度的方法。但是，该方法的缺点是：在其操作步骤的第一步中，从分光系统进入测量光纤的测量光束，透过平板分束镜三次后与参考光束发生干涉，而在第二步中，测量光束透过平板分束镜两次后与参考光束发生干涉；即，在第二步中测量光束在平板分束镜中走过的光路与第一步并不完全相同，因而不能完全补偿第一步中平板分束镜所带入的波差；如果平板分束镜较厚，这种差异带来的误差会使得最终的测量精度提高有限。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术“一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法”存在的缺陷进行改进，提出一种光学平面面形的绝对干涉测量方法，实现对平板分束镜像差的完全修正，从而达到更高的测量精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种光学平面面形的绝对干涉测量方法，实现该方法的测量装置包括分光系统、测量光纤、参考光纤、平板分束镜、中继透镜、成像镜头、CCD摄像机、计算机、被测平面镜；分光系统包括激光器、可调中性密度滤光片、1/2波片、偏振分束棱镜、直角棱镜A、直角棱镜B、1/4波片A、1/4波片B、压电陶瓷、偏振片A、偏振片B、显微物镜A和显微物镜B；其具体实施步骤如下：

第一步：从分光系统进入测量光纤的测量光束，在测量光纤端面发生衍射；衍射波前在被测平面镜表面发生反射，反射波前是携带有被测平面镜面形信息的球面波前，其球心位于测量光纤端面在被测平面镜中所形成的像点P；所述球面波前射向并透过平板分束镜，形成测量波前；参考光纤的端面位于所述像点P关于平板分束镜的共轭位置P′处，从参考光纤端面衍射的球面波被平板分束镜反射形成参考波前，并与所述测量波前汇合而发生干涉；经中继透镜，成像镜头用CCD摄像机采集干涉图，送入计算机用标准方法进行处理和分析；

第二步：移除被测平面镜，同时固定其他光学元件不动；将测量光纤端面移动到所述像点P处；从测量光纤端面衍射的球面波透过平板分束镜形成测量波前；从参考光纤端面衍射的球面波被平板分束镜反射形成参考波前；所述参考波前与测量波前汇合而发生干涉；经中继透镜，成像镜头用CCD摄像机采集干涉图，并用标准方法进行处理和分析；

第三步：从第一步结果减去第二步结果即得到被测平面镜的波差，然后将该波差按测量光纤的衍射波前在被测平面镜的入射角度进行逐点校正，即可得到被测平面镜面形的结果；

所述被测球面镜面形获取方法如下：

定义

为通过上述步骤得到的被测平面镜在坐标点(i，j)处的波差，其单位为波长，F(i，j)为被测平面镜在(i，j)点的面形误差，则有：

其中：k_i，j＝cos[α(i，j)]/2，α(i，j)为测量光纤的衍射波前在(i，j)点的入射角度，k_i，j是在(i，j)点的修正系数；

然后，通过被测平面镜在(i，j)点的面形误差F(i，j)，进一步得到被测平面镜面形的结果。

有益效果

本发明相对国内外现有技术具有以下显著优点：

1、以光纤点衍射产生的理想球面波前作为参考波面，可以在被测平面元件的全面形上实现逐点、高精度干涉测量；

2、完全消除测试光路中光学元件所引入的像差，得到平面面形的绝对干涉测量结果。

附图说明

图1为本发明关于光学平面面形的绝对干涉测量方法的一种具体实施方式的第一步示意图；

图2为本发明关于光学平面面形的绝对干涉测量方法的一种具体实施方式的第二步示意图；

其中，1-激光器；2-可调中性密度滤光片；3-1/2波片；4-偏振分束棱镜；5-直角棱镜A；6-直角棱镜B；7-1/4波片A；8-1/4波片B；9-压电陶瓷；10-偏振片A；11-偏振片B；12-显微物镜A；13-显微物镜B；14-测量光纤；15-平板分束镜；16-被测平面镜；17-测量光纤14的端面关于被测平面镜16的共轭像点P；18-参考光纤；19-中继透镜；20-成像镜头；21-CCD摄像机；22-计算机。

具体实施方式

本发明的平面面形绝对干涉测量方法，实现该方法的测量装置，如图1、图2所示，包括：分光系统、测量光纤14、参考光纤18、平板分束镜15、中继透镜19、成像镜头20、CCD摄像机21、计算机22、被测平面镜16；分光系统包括激光器1、可调中性密度滤光片2、1/2波片3、偏振分束棱镜4、直角棱镜A5、直角棱镜B6、1/4波片A7、1/4波片B8、压电陶瓷9、偏振片A10、偏振片B11、显微物镜A12和显微物镜B13；

其中，被测平面镜16为直径25mm的平面反射镜；平板分束镜15的尺寸为：145×85×19mm(长×宽×厚)；激光器1的波长为532nm；测量光纤14、参考光纤18采用单模光纤，芯径为3.5um，可计算出其远场衍射波前的球面偏差小于λ/10⁴，因而实际测量中可以忽略；显微物镜A12和显微物镜B13的放大率为10×，数值孔径为0.2；CCD摄像机21为8位数字CCD摄像机，1024×1024像素。

其具体实施步骤如下：

第一步：如图1所示：从激光器1出射的线偏振光通过可调中性密度滤光片2衰减，由1/2波片3调整偏振方向后入射到偏振分束棱镜4，被分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光，一束透射(测量光束)，一束反射(参考光束)。在两束线偏振光分别被直角棱镜A5和直角棱镜B6反射回偏振分束棱镜4的过程中，都分别两次经过1/4波片A7和1/4波片B8，其偏振方向各自改变90度，先前的透射光束将反射，并通过压电陶瓷9实现步长为π/2的移相，而先前的反射光束将透射。从偏振分束棱镜4出射的两束正交偏振光分别通过偏振片A10、偏振片B11调整其偏振方向，然后再通过显微物镜A12、显微物镜B13分别耦合到测量光纤14和参考光纤18。从测量光纤14的端面衍射的球面波经被测平面镜16反射，反射波前是携带有被测平面镜16面形信息的球面波前，其球心位于测量光纤14的端面在被测平面镜16中所形成的虚像点P17处。该球面波前射向并透过平板分束镜15，形成测量波前。参考光纤18的端面置于像点P17关于平板分束镜15的共轭位置P′处，从参考光纤18衍射的球面波经平板分束镜15反射形成参考波前，与上述测量波前汇合而发生干涉。干涉场经中继透镜19汇聚，通过成像镜头20被CCD摄像机21接收，送入计算机22按四步移相算法或者五步移相算法进行处理分析。

测试中可通过旋转1/2波片3和偏振片A10、偏振片B11可以调整参考光束与测量光束的相对强度，通过移动直角棱镜A5可以调整参考光束与测量光束的光程差，以达到最佳的条纹对比度。显然，该步测量结果不仅含有被测平面镜16的波差，而且含有平板分束镜15引入的波差。

第二步：如图2所示：保持平板分束镜15、参考光纤18、中继透镜19、成像镜头20、CCD摄像机21以及其他光学元件固定不动，移除被测平面镜16。将测量光纤14的端面移动到像点P17处。从测量光纤14的端面衍射的球面波透过平板分束镜15形成测量波前，而从参考光纤18的端面衍射的球面波经平板分束镜15反射形成参考波前，上述测量波前与参考波前汇合并再次发生干涉。干涉场经中继透镜19汇聚，通过成像镜头20被CCD摄像机21接收，送入计算机22按四步移相算法或者五步移相算法进行处理分析。测量过程中通过计算机22控制压电陶瓷9实现步长为π/2的移相。通过旋转1/2波片3和偏振片A10、偏振片B11可以调整参考光与测量光的相对强度，通过移动直角棱镜A5可以调整参考光与测量光的光程差，以达到最佳的条纹对比度。显然，该步测量结果仅仅含有平板分束镜15引入的波差。

第三步：从第一步结果中减去第二步结果即得到被测平面镜的波差，然后将该波差按测量光纤的衍射波前在被测平面镜16的入射角度进行逐点校正，即可得到被测平面镜16面形的结果；

所述被测球面镜16的面形的获取方法如下：

定义

然后，通过被测平面镜16在(i，j)点的面形误差F(i，j)，进一步得到被测平面镜16的面形的结果。

被测平面镜16面形的峰谷值PV和整个面型的均方根值RMS，如表1中“本发明方法”对应的结果所示。

为了说明本发明效果，进行了另外两项对比试验：

1.使用上述装置，采用专利《一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法》(申请号：200910237426.8)中公开的方法对被测平面镜16重新进行测量，得到PV和RMS值，如表1中“在先申请方法”对应的结果所示；

2.使用高精度ZYGO GPI干涉仪对被测平面镜16进行测量，得到PV和RMS值，如表1中“ZYGO GPI干涉仪”的对应结果所示。

表1使用不同方法的测量结果表

平面度测量结果	本发明方法	在先申请方法(申请号：200910237426.8)	ZYGO GPI干涉仪
				PV值(nm)	62.2	66.7	57.6
RMS值(nm)	13.0	14.9	11.4

将高精度ZYGO GPI干涉仪的测量结果作为参考标准，由表1可知，本申请方法与高精度ZYGO GPI干涉仪测试结果更为接近，而在先申请方法的平面度测量结果偏大，因此结论为：本发明方法的测量精度更高。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.一种光学平面面形的绝对干涉测量方法，实现该方法的测量装置包括激光器(1)、可调中性密度滤光片(2)、1/2波片(3)、偏振分束棱镜(4)、直角棱镜A(5)、直角棱镜B(6)、1/4波片A(7)、1/4波片B(8)、压电陶瓷(9)、偏振片A(10)、偏振片B(11)、显微物镜A(12)、显微物镜B(13)、测量光纤(14)、平板分束镜(15)、被测平面镜(16)、参考光纤(18)、中继透镜(19)、成像镜头(20)、CCD摄像机(21)、计算机(22)；其特征在于：其具体实施步骤如下：

第一步：从激光器(1)出射的线偏振光通过可调中性密度滤光片(2)衰减，经1/2波片(3)入射到偏振分束棱镜(4)，被分解成两束正交的线偏振光，一束透射，一束反射；然后分别被直角棱镜A(5)和直角棱镜B(6)反射回偏振分束棱镜(4)；其间分别两次经过1/4波片A(7)和1/4波片B(8)，其偏振方向各自改变90度；先前的透射光束将反射，并通过压电陶瓷(9)实现步长为π/2的移相，而先前的反射光束将透射；从偏振分束棱镜(4)出射的两束正交偏振光分别经偏振片A(10)、偏振片B(11)调整其偏振方向后，再通过显微物镜A(12)、显微物镜B(13)分别耦合到测量光纤(14)和参考光纤(18)中；进入测量光纤(14)的测量光束在测量光纤(14)的端面发生衍射，衍射波前在被测平面镜(16)表面发生反射，反射波前是携带有被测平面镜(16)面形信息的球面波前，其球心位于测量光纤(14)端面在被测平面镜中所形成的像点P(17)；所述球面波前射向并透过平板分束镜(15)，形成测量波前；参考光纤(18)的端面位于所述像点P(17)关于平板分束镜(15)的共轭位置P′处，从参考光纤(18)端面衍射的球面波被平板分束镜(15)反射形成参考波前，并与所述测量波前汇合而发生干涉；经中继透镜(19)，成像镜头(20)用CCD摄像机(21)采集干涉图，送入计算机(22)用标准方法进行处理和分析；

第二步：移除被测平面镜(16)，同时固定其他光学元件不动；将测量光纤(14)的端面移动到所述像点P(17)处；从测量光纤(14)端面衍射的球面波透过平板分束镜(15)形成测量波前；从参考光纤(18)端面衍射的球面波被平板分束镜(15)反射形成参考波前；所述参考波前与测量波前汇合而发生干涉；经中继透镜(19)，成像镜头(20)用CCD摄像机(21)采集干涉图，送入计算机(22)用标准方法进行处理和分析；

第三步：从第一步结果中减去第二步结果即得到被测平面镜(16)的波差，然后将该波差按测量光纤的衍射波前在被测平面镜(16)的入射角度进行逐点校正，即可得到被测平面镜(16)面形结果；

所述被测平面镜面形获取方法如下：

定义

为通过上述步骤得到的被测平面镜(16)在坐标点(i，j)处的波差，其单位为波长，F(i，j)为被测平面镜(16)在(i，j)点的面形误差，则有：

然后，通过被测平面镜(16)在(i，j)点的面形误差F(i，j)，进一步得到被测平面镜(16)面形结果。