CN102589416B - 用于非球面测量的波长扫描干涉仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非球面测量的波长扫描干涉仪及方法，包括一套可调谐激光器作为光源，一个泰曼—格林干涉仪用于产生干涉条纹，一个平移台用于沿光轴扫描光程差，一个用于将干涉数据转为数字信号并传入计算机的图像卡，以及一个用于同步CCD相机和平移台动作的数据卡。与传统非球面测量方法不同的是，本干涉仪适用范围广，可以测量大非球面度的表面或波前，且无需补偿零位镜。另外，该方法无需复杂且通常较为昂贵的多维运动平台。

Description

用于非球面测量的波长扫描干涉仪及方法

技术领域

本发明涉及一种非球面的高精度干涉测量技术，尤其涉及一种用于非球面测量的波长扫描干涉仪及方法。

背景技术

与传统使用多个球面元件的光学系统相比，由于非球面能够在有效简化系统结构的同时保持相应的性能，因此被广为采用。使用非球面往往能够使光学系统的元件更少、重量更轻。正因如此，非球面在诸如深紫外光刻、高质量成像系统、天文望远镜、高密度光存储等领域广泛应用。

目前在非球面测量领域存在很多种方法和相应的一起，例如基于触针方法的轮廓仪和坐标测量机、基于子孔径拼接的干涉仪、剪切干涉仪、白光扫描干涉仪，基于零位补偿和部分零位补偿的干涉仪、基于计算全息的干涉仪、双波长干涉仪，等等。相较于当今非球面测量的高精度和灵活性要求等方面，这些方法在测量能力和测量精度上存在着一些问题。

基于触针方法的轮廓仪和坐标测量机由于采用逐点测量的方法，其测量较耗费时间，且存在损伤被测表面的风险。基于子孔径拼接的干涉仪需要高精度的多维旋转平移台，利用相邻子孔径的重叠区域数据完成拼接并获取整个被检面形貌。剪切干涉仪通常测量到的是被检面的坡度信息，因此在对坡度积分进行面形重构时会引入累计测量误差。使用计算全息和零位补偿镜的干涉仪容易由补偿元件引入误差。以上这些现有方法在测量时间、测量精度、附加零位镜、夹具、通用性、造价等方面存在不足。

专利（US20020160672）提出了一种使用机械扫描干涉仪测量非球面面形和波前的方法。该专利基于测量从非球面顶点与切线处的干涉光程差的方法，使用空间滤波的方式滤除其它位置的光进入探测器产生干涉。为了获取整个非球面面形，另外该专利使用了一个专门的测长干涉仪测量有平移台带动的被测非球面的位移。在该专利中使用了点探测器测量光程差，由于是逐点测量，需要长达数十分钟才能测量一个完整的表面。使用额外的测长干涉仪也增加了系统的复杂性和成本，一定程度上降低了测量的可靠性。

发明内容    

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于非球面测量的波长扫描干涉仪及方法。本发明能够获取干涉仪绝对光程差，且每次仅获取与被检面相切部分的干涉数据信息，因而具有测量精度高、能够适用不同口径、大非球面度、且无需零位补偿元件的特点。

一种用于非球面测量的波长扫描干涉仪，它包括平移台、被测非球面、第一镜组、分光镜、扩束镜、可调谐激光器、成像透镜、CCD相机、参考平面镜、图像卡、计算机和数据卡；其中，被测非球面固定在平移台，被测非球面、第一镜组、分光镜、成像透镜和CCD相机依次同轴放置，参考平面镜置于分光镜的底部，CCD相机、图像卡、计算机和数据卡依次相连，扩束镜和可调谐激光器相连，平移台和可调谐激光器分别与数据卡相连；可调谐激光器出射的光束经过扩束镜扩束后成为平行光束，波前被分光镜分为两束；其中一束入射到参考平面镜上作为参考光，另外一束经由第一镜组聚焦后入射到被测非球面上，从参考反射镜和被测非球面反射的光重新在分光镜上叠加形成干涉，干涉条纹经过成像透镜后由CCD相机获取，经过CCD相机完成光电转换后由图像卡完成模数转换，最后进入计算机进行信号处理获得光程差和面形信息。

进一步地，该波长扫描干涉仪还包括一平面镜，平面镜将扩束镜扩束的平行光束反射到分光镜。

一种用于非球面测量的波长扫描干涉仪，它包括平移台、被测非球面、第二镜组、分光镜、扩束镜、可调谐激光器、成像透镜、CCD相机、图像卡、计算机和数据卡；其中，所述被测非球面2固定在平移台，被测非球面、第二镜组、分光镜、成像透镜和CCD相机依次同轴放置，CCD相机、图像卡、计算机和数据卡依次相连，扩束镜和可调谐激光器相连，平移台和可调谐激光器分别与数据卡相连；从可调谐激光器出射的光束经过扩束镜扩束后成为平行光束，其中一部分被分光镜反射到第二镜组，第二镜组的最后一个表面没有镀增透膜，因此入射到上面的光会有一部分被反射回分光镜，另外一部分由第二镜组聚焦后入射到被测非球面上并被反射回来；两部分光重新在分光镜上叠加形成干涉；干涉条纹经过成像透镜后由CCD相机获取，经过CCD相机完成光电转换后由图像卡完成模数转换，最后进入计算机进行信号处理获得光程差和面形信息。

一种应用上述波长扫描干涉仪的非球面测量方法，包括以下步骤：

步骤1、猫眼位置设置：将被检非球面的顶点调整到与干涉仪测量光束的焦点重合，此位置Oc称为猫眼位置，重合的判据是干涉条纹最少；

步骤2、扫描光源的波长，同时记录干涉条纹，计算猫眼位置绝对光程差，记为OPDc； 步骤3、通过平移台将被检非球面移至顶点球位置，此时测量光束波面与非球面顶点球重合；

步骤4、扫描光源的波长，同时记录干涉条纹，计算顶点位置绝对光程差，记为OPDa；则该顶点球位置与步骤1中猫眼位置的距离d为被测面的顶点球曲率半径：                                                

   ；

步骤5、通过平移台分步移动非球面，每一步中扫描光源的波长同时记录干涉条纹，计算各点的绝对光程差，直至覆盖非球面的整个口径，随着被测非球面的移动，顶点球位置与猫眼位置的距离d逐渐增加，测量波前与被测非球面的切点会从非球面顶点位置依次向外扩，直到所有的非球面口径全部测量完毕；

步骤6、综合步骤1-5的测量结果获得非球面面形信息。

本发明的有益效果是，相较于现有非球面测量技术，本发明提出的干涉测量方法具有高精度、非接触的特点，能够用于测量大非球面度的非球面表面或波前。另外，该方法无需复杂且通常较为昂贵的多维转动平移台，无需补偿元件，由于干涉仪具有测量绝对光程差的能力，因而无需额外的测长干涉仪检测被检面的位移。

附图说明    

图1是本发明用于非球面测量的波长扫描干涉仪的系统原理图；

图2是本发明用于非球面测量的波长扫描干涉仪的另外一种形式的系统原理图；

图3是本发明用于非球面测量的波长扫描干涉仪的测量过程的猫眼位置；

图4是本发明用于非球面测量的波长扫描干涉仪的环带测量原理图；

图中，平移台1、被测非球面2、第一镜组3、分光镜4、平面镜5、扩束镜6、可调谐激光器7、成像透镜8、CCD相机9、参考平面镜10、图像卡11、计算机12、数据卡13、第二镜组14。

具体实施方式

下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。   

实施例1

图1是本发明用于非球面测量的波长扫描干涉仪的系统原理图。如图1所示，本发明用于非球面测量的波长扫描干涉仪及方法包括平移台1、被测非球面2、第一镜组3、分光镜4、平面镜5、扩束镜6、可调谐激光器7、成像透镜8、CCD相机9、参考平面镜10、图像卡11、计算机12和数据卡13。其中，被测非球面2固定在平移台1，被测非球面2、第一镜组3、分光镜4、成像透镜8和CCD相机9依次同轴放置，平面镜5和参考平面镜10分别置于分光镜4的底部和顶部，CCD相机9、图像卡11、计算机12和数据卡13依次相连，扩束镜6和可调谐激光器7相连，平移台1和可调谐激光器7分别与数据卡13相连。

该实施例最重要的特点是使用了一个波长可变的可调谐激光器7代替了传统测量方法用的单波长激光器。从可调谐激光器7出射的光束经过扩束镜6扩束后成为平行光束，经平面镜5反射后，波前被分光镜4分为两束。其中一束入射到参考平面镜10上作为参考光，另外一束经由第一镜组3聚焦后入射到被测非球面2上。从参考反射镜10和被测非球面2反射的光重新在分光镜4上叠加形成干涉。干涉条纹经过成像透镜8后由CCD相机9获取。经过CCD相机9完成光电转换后由图像卡11完成模数转换，最后进入计算机12进行信号处理获得光程差和面形信息。被测非球面2可以在平移台1的驱动下沿着光轴移动。平移台1的移动和可调谐激光器7的波长扫描可以通过数据卡13由计算机12控制。

所述干涉测量系统中，平面镜5起光路转折作用，可以根据需要去除，并将扩束镜6与可调谐激光器7逆时针旋转90度。

实施例2：

图2是本发明用于非球面测量的波长扫描干涉仪的另外一个系统原理图。它采用了斐索干涉仪的形式。与图1不同的是，参考光束由第二镜组14的最后一个表面（图中第二镜组的最左边一个面）的菲涅尔反射形成。从可调谐激光器7出射的光束经过扩束镜6扩束后成为平行光束，其中一部分被分光镜4反射到第二镜组14，第二镜组14的最后一个表面没有镀增透膜，因此入射到上面的光会有一部分被反射回分光镜4，另外一部分由第二镜组14聚焦后入射到被测非球面2上并被反射回来。两部分光重新在分光镜4上叠加形成干涉。干涉条纹经过成像透镜8后由CCD相机9获取。经过CCD相机9完成光电转换后由图像卡11完成模数转换，最后进入计算机12进行信号处理获得光程差和面形信息。被测非球面可以在平移台1的驱动下沿着光轴移动。平移台1的移动和可调谐激光器7的波长扫描可以通过数据卡12由计算机11控制。

所述干涉测量系统，被检非球面与入射光波前只有两处是相切的，其一是在非球面顶点处，其二位于非球面的某个圆上，且该圆与顶点的距离随着被检面在光轴上的移动而变化。

本发明应用上述波长扫描干涉仪的非球面测量方法，包括以下步骤：

步骤1、猫眼位置设置：将被检非球面的顶点调整到与干涉仪测量光束的焦点重合，此位置Oc称为猫眼位置。如图3所示，重合的判据是干涉条纹最少。

步骤2：扫描光源的波长同时记录干涉条纹，计算猫眼位置绝对光程差，记为OPDc光程差的计算方法将会随后给出。 步骤3：通过平移台将被检非球面移至顶点球位置，此时测量光束波面与非球面顶点球重合。如图4的A0位置所示，其中S0为非球面面形，W0为测量波前。

步骤4：扫描光源的波长同时记录干涉条纹，计算顶点位置绝对光程差，记为OPDa；则该位置与步骤1中猫眼位置的距离d为被测面的顶点球曲率半径：

    。                                        （1） 

步骤5：如图4所示，按照测量分辨率要求，通过平移台分步移动非球面，每一步中扫描光源的波长同时记录干涉条纹，计算各点的绝对光程差，直至覆盖非球面的整个口径。此时Sn为平行移动至此位置的非球面面形，若非球面零件没有形变，应该与S0面形完全相同。随着被测非球面的移动，图4中的d逐渐增加，测量波前Wn与被测非球面Sn的切点Tn会从非球面顶点位置依次向外扩，直到所有的非球面口径全部测量完毕。

步骤6：综合步骤1-5的测量结果获得非球面面形信息。

不失一般性，设其中某个扫描到某个位置时，通过波长扫描计算干涉仪绝对光程差为OPDn，则该位置非球面顶点与前述A0位置的距离d为：

   。                                          （2）

此时测量波前Wn与被测非球面Sn在Tn处相切，只有该处附近以及顶点An附近区域的干涉条纹才能被CCD解析，其它地方由于干涉条纹过密无法被CCD解析。由于切点Tn附近的光束为原路返回，因此该光束与光轴的夹角α与其入射到CCD上的位置可事先标定得出，即CCD上的像素位置与夹角α存在对应关系。而Tn点与镜组3的焦点的距离Rn则可以通过该处的绝对光程差OPDtn求出：

  。                                         （3）     

绝对光程差的测量原理如下：

干涉信号的处理：CCD上某像素点 （x，y）（对应于被检非球面某点（x’，y’））探测到的光强可以表示为：

，                         （4）

式中， a（x，y，k）和b（x，y，k）分别表示背景光强和干涉条纹的对比度， k 是波数及光波长的倒数1/λ ， h（x，y） 表示干涉仪的两臂光程差。 

干涉信号的位相 φ（x，y;k） 由下式给出：

 ，                                         （5）

通过连续改变加在可调谐滤光器的信号频率可以连续改变进入干涉仪的波数，由（5）式可以看出，此时干涉信号的位相也会产生连续改变：

 

，                                  （6）

可知位相的变化量与波数的变化量成正比，则所求光程差h（x，y）可以表示为：

。                                      （7）

因此，问题就集中在如何获取位相，继而求取位相变化上来。

不失一般性，我们仅考虑某个像素的位相变化，式（4）可以改写为：

。                     （8） 

式中σ为波数（为波长的倒数）， i ₀ （σ） 为直流偏置， p（σ） 为信号振幅，φ=4πσl即为干涉信号的相位。对上式进行傅里叶变换：

。           （9）

其中大写字母为相对应的小写字母的傅里叶频谱，等式右边三项在频域上分布各不相同，单独取出 P（f-2l）项，并对其进行傅里叶反变换得：

，                      （10）

对上式等号右边取对数得：

，           （11）

式中的虚部即为被测位相。

则被绝对程差的值可以由下式表示：

。                                  （12）

式中Δσ为扫频过程中光波数的变化量，Δφ为相位变化量。

Claims (2)

1.一种应用波长扫描干涉仪的非球面测量方法，所述波长扫描干涉仪包括平移台（1）、被测非球面（2）、第一镜组（3）、分光镜（4）、扩束镜（6）、可调谐激光器（7）、成像透镜（8）、CCD相机（9）、参考平面镜（10）、图像卡（11）、计算机（12）和数据卡（13）；其中，被测非球面（2）固定在平移台（1），被测非球面（2）、第一镜组（3）、分光镜（4）、成像透镜（8）和CCD相机（9）依次同轴放置，参考平面镜（10）置于分光镜（4）的底部，CCD相机（9）、图像卡（11）、计算机（12）和数据卡（13）依次相连，扩束镜（6）和可调谐激光器（7）相连，平移台（1）和可调谐激光器（7）分别与数据卡（13）相连；可调谐激光器（7）出射的光束经过扩束镜（6）扩束后成为平行光束，波前被分光镜（4）分为两束；其中一束入射到参考平面镜（10）上作为参考光，另外一束经由第一镜组（3）聚焦后入射到被测非球面（2）上，从参考反射镜（10）和被测非球面（2）反射的光重新在分光镜（4）上叠加形成干涉，干涉条纹经过成像透镜（8）后由CCD相机（9）获取，经过CCD相机（9）完成光电转换后由图像卡（11）完成模数转换，最后进入计算机（12）进行信号处理获得光程差和面形信息；其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤（1）、猫眼位置设置：将被检非球面的顶点调整到与干涉仪测量光束的焦点重合，此位置Oc称为猫眼位置，重合的判据是干涉条纹最少；

步骤（2）、扫描光源的波长，同时记录干涉条纹，计算猫眼位置绝对光程差，记为OPDc； 步骤（3）、通过平移台将被检非球面移至顶点球位置，此时测量光束波面与非球面顶点球重合；

步骤（4）、扫描光源的波长，同时记录干涉条纹，计算顶点位置绝对光程差，记为OPDa；则该顶点球位置与步骤1中猫眼位置的距离d为被测面的顶点球曲率半径：                                                

；

步骤（5）、通过平移台分步移动非球面，每一步中扫描光源的波长同时记录干涉条纹，计算各点的绝对光程差，直至覆盖非球面的整个口径，随着被测非球面的移动，顶点球位置与猫眼位置的距离d逐渐增加，测量波前与被测非球面的切点会从非球面顶点位置依次向外扩，直到所有的非球面口径全部测量完毕；

步骤（6）、综合步骤（1）-步骤（5）的测量结果获得非球面面形信息。

2.一种应用波长扫描干涉仪的非球面测量方法，所述波长扫描干涉仪包括平移台（1）、被测非球面（2）、第二镜组（14）、分光镜（4）、扩束镜（6）、可调谐激光器（7）、成像透镜（8）、CCD相机（9）、图像卡（11）、计算机（12）和数据卡（13）；其中，所述被测非球面（2）固定在平移台（1），被测非球面（2）、第二镜组（14）、分光镜（4）、成像透镜（8）和CCD相机（9）依次同轴放置，CCD相机（9）、图像卡（11）、计算机（12）和数据卡（13）依次相连，扩束镜（6）和可调谐激光器（7）相连，平移台（1）和可调谐激光器（7）分别与数据卡（13）相连；从可调谐激光器（7）出射的光束经过扩束镜（6）扩束后成为平行光束，其中一部分被分光镜（4）反射到第二镜组（14），第二镜组（14）的最后一个表面没有镀增透膜，因此入射到上面的光会有一部分被反射回分光镜（4），另外一部分由第二镜组（14）聚焦后入射到被测非球面（2）上并被反射回来；两部分光重新在分光镜（4）上叠加形成干涉；干涉条纹经过成像透镜（8）后由CCD相机（9）获取，经过CCD相机（9）完成光电转换后由图像卡（11）完成模数转换，最后进入计算机（12）进行信号处理获得光程差和面形信息；其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤（1）、猫眼位置设置：将被检非球面的顶点调整到与干涉仪测量光束的焦点重合，此位置Oc称为猫眼位置，重合的判据是干涉条纹最少；

步骤（2）、扫描光源的波长，同时记录干涉条纹，计算猫眼位置绝对光程差，记为OPDc； 步骤（3）、通过平移台将被检非球面移至顶点球位置，此时测量光束波面与非球面顶点球重合；

步骤（4）、扫描光源的波长，同时记录干涉条纹，计算顶点位置绝对光程差，记为OPDa；则该顶点球位置与步骤1中猫眼位置的距离d为被测面的顶点球曲率半径：

；

步骤（5）、通过平移台分步移动非球面，每一步中扫描光源的波长同时记录干涉条纹，计算各点的绝对光程差，直至覆盖非球面的整个口径，随着被测非球面的移动，顶点球位置与猫眼位置的距离d逐渐增加，测量波前与被测非球面的切点会从非球面顶点位置依次向外扩，直到所有的非球面口径全部测量完毕；

步骤（6）、综合步骤（1）-步骤（5）的测量结果获得非球面面形信息。

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