CN105277338B - 大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪及其测试方法，该衍射干涉仪包括：测试基准光路，测试光路，针孔基板；所述针孔基板上设有测试针孔和测试基准针孔；在所述测试针孔发出的衍射波前经所述针孔基板附近的被测试光学元部件反射后会聚到测试基准针孔附近，其波前中带有被测试光学元部件的面形信息，其经过针孔基板反射后与由测试基准针孔发出的衍射波前干涉形成干涉条纹。本发明的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪采用双针孔基板和双光路会聚照明形式实现测试光路与基准光路的分离，防止两光路的相互干扰导致移相式过程中的干涉图像状态改变；通过小视场干涉图光学成像系统避开了测试光路对图像的影响，实现移相方式的大数值孔径测试。

Description

大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪及其测试方法
技术领域
本发明涉及点衍射干涉仪技术领域，特别涉及一种大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪及其测试方法。
背景技术
点衍射干涉仪以其独特的干涉测试波前基准生成技术使得其成为计量级别的光学波前测试仪器，主要用于对商用干涉仪标准镜头的计量标定和高精度光刻物镜的研制中。
目前，国际上的点衍射干涉仪的工作机理主要分为两种：一种是在光学基板上刻制小于1微米的针孔，当照明光路通过时发生衍射产生高精度球面波，把其中的一部分作为测试光，另一部分作为测试基准光，两部分光经光路折转后干涉产生干涉图，通过移动测试镜产生多幅不同位相干涉图，进而分析获得被测试镜(或光学系统)波面面形与测试基准之间的波面误差。另外一种是采用光纤出射光发生的衍射产生基准球面波，采用短相干光源实现对被测试镜的高精度测试。
其中，第一种点衍射干涉仪由于把衍射波前分为两部分，可测试的角度仅相当于通过针孔的波前衍射角度的一半，因此，可测试角度受限，最大为NA0.3。由于采用移动测试镜，干涉腔长有变化，导致测试精度降低，而且条纹对比度不可调，导致在测试无镀膜镜时对比度低，测试精度下降。
第二种点衍射干涉仪存在的问题是，由于小纤芯直径光纤的制作很困难，导致由光纤端面出射的波前衍射角度小，因此可测试的数值孔径NA小。同时，由于采用短相干光源，对被测试镜曲率半径匹配有限制要求，导致测试过程繁琐。
发明内容
本发明要解决现有技术中的点衍射干涉仪存在的测试角度受限、测试精度低、对比度不可调、测试过程繁琐等技术问题。本发明提供一种测试光与基准光互不干扰，可实现大数值孔径(NA)高精度测试的，大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪及其测试方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪，包括：
测试基准光路，测试光路，针孔基板；所述针孔基板上设有测试针孔和测试基准针孔；
在所述测试光路上激光光源发出的激光可依次经过测试激光扩束系统和测试激光会聚系统后，照明针孔基板上的测试针孔；
在所述测试基准光路上激光光源发出的激光依次经过测试基准激光扩束系统，光楔移相机构和测试基准激光会聚系统后，照明针孔基板上的测试基准针孔；
在所述测试针孔发出的衍射波前经所述针孔基板附近的被测试光学元部件反射后会聚到测试基准针孔附近，其波前中带有被测试光学元部件的面形信息，其经过针孔基板反射后与由测试基准针孔发出的衍射波前干涉形成干涉条纹；
根据形成的所述干涉条纹可以得到干涉图像；可通过光楔移相机构获得多幅移相干涉图；经过对多幅移相干涉图的图像信息分析可高精度获得被测试光学元部件的面形误差。
在上述技术方案中，所述测试基准光路上还设有光强衰减机构，调节该光强衰减机构可使干涉条纹对比度达到最佳。
在上述技术方案中，所述激光光源包括：工作用激光光源和调试用激光光源。
一种大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪的测试方法，所述大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪中还设有：调试观察光学成像系统，星点图像光电采集系统，小视场干涉图光学成像系统，干涉图光电采集系统；用来安装被测试光学元部件的被测试光学元部件方位调试机构；激光光源包括工作用激光光源和调试用激光光源，所述工作用激光光源和调试用激光光源处设有折反透分光棱镜；
该测试方法包括以下步骤：
i、接通电源，使得工作用激光光源和调试用激光光源开始出射光并稳定；
ii、在针孔基板附近沿测试光路光轴安装被测试光学元部件；
iii、打开调试用激光光源，使其发出的光经折反透分光棱镜进入干涉仪系统中；
iv、使调试观察光学成像系统和星点图像光电采集系统对准测试基准光路，通过观察星点图像光电采集系统的星点图像，调整被测试光学元部件方位调试机构使被测试光学元部件位置变动，使由测试针孔发出的衍射光通过被测试光学元部件后反射回来会聚光点落在针孔基板上并在测试基准针孔附近；
v、关闭调试用激光光源，打开工作用激光光源，使激光经折反透分光棱镜进入干涉仪系统中，形成测试基准光路和测试光路；
vi、将调试观察光学成像系统和星点图像光电采集系统移出光路，并使小视场干涉图光学成像系统和干涉图光电采集系统对准测试基准光路，由测试基准针孔衍射的基准光波与由被测试光学元部件反射回来会聚到测试基准针孔附近的测试光波发生干涉；
vii、调整测试基准光路上设有的光强衰减机构，使得干涉条纹对比度最佳；
viii、控制光楔移相机构和小视场干涉图光学成像系统、干涉图光电采集系统的配合，实现对多幅移相干涉图的采集；
ix、通过移相干涉图处理软件实现对被测试光学元部件的光学波前高精度测试。
本发明具有以下的有益效果：
本发明的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪采用双针孔基板和双光路会聚照明形式实现测试光路与基准光路的分离，防止两光路的相互干扰导致移相式过程中的干涉图像状态改变。小视场干涉图光学成像系统仅对准基准光路成像，避开测试光路对图像的影响，实现移相方式的大数值孔径(NA)测试。同时，采用阶梯式光学移相板，通过横向移动楔形的光学移相板，改变光学移相板在测试基准光路中的厚度，从而改变测试基准光路与测试光路的光程差，降低了对移相机构精度的要求。工作光源采用632.8nm氦氖激光源，相干长度大，可实现大动态范围的测试。达到测试精度高、测试孔径大、测试范围广的特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪的光路结构示意图。
图中的附图标记表示为：
1.工作用激光光源；2.调试用激光光源；3.折反透分光棱镜；4.调试光源快门；5.工作光源快门；6.测试基准激光扩束系统；7.光楔移相机构；8.测试基准光束反射折光镜；9.光强衰减机构；10.测试基准激光会聚系统；11.测试激光扩束系统；12.测试光束反射折光镜；13.测试激光会聚系统；14.针孔基板；15.调试观察光学成像系统；16.星点图像光电采集系统；17.小视场干涉图光学成像系统；18.干涉图光电采集系统；19.被测试光学元部件；20.被测试光学元部件方位调试机构；21.测试基准光路；22.测试光路；23.测试基准针孔；24.测试针孔；25.计算机。
具体实施方式
本发明的发明思想为：
本发明的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪采用双针孔基板和双光路会聚照明形式实现测试光路与反射光路的分离，防止两光路的相互干扰导致移相式过程中的干涉图像状态改变。小视场干涉图光学成像系统仅对准基准光路成像，避开测试光路对图像的影响，实现移相方式的大NA数值孔径测试。同时，采用阶梯式光学移相板，通过横向移动楔形的光学移相板，改变光学移相板在测试基准光路中的厚度，从而改变测试基准光路与测试光路的光程差，降低了对移相机构精度的要求。采用632.8nm氦氖激光源，相干长度大，可实现大动态范围的测试。达到测试精度高、测试孔径大、测试范围广的特点。
本发明的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪中带有光学图像调试对准观察系统，以方便快捷的调试被测试光学部件方位，使得测试光返回的会聚光点易于对准到基准针孔基板上。现已完成测试装置研制，装置体积小，可实现光轴水平与光轴垂直状态的使用，可实现被测试镜在使用状态下的超高精度测试。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
如图1所示，一种大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪，包括：
测试基准光路21，测试光路22，针孔基板14；调试观察光学成像系统15，星点图像光电采集系统16，小视场干涉图光学成像系统17，干涉图光电采集系统18；用来安装被测试光学元部件19的被测试光学元部件方位调试机构20；激光光源，包括工作用激光光源1和调试用激光光源2。所述工作用激光光源1为高稳定性激光光源，适用于长时间的稳定工作；所述调试用激光光源2为大功率激光光源，适用于光路的调试和测试。
所述工作用激光光源1和调试用激光光源2处设有折反透分光棱镜3；所述针孔基板14上设有测试针孔24和测试基准针孔23。
在所述测试光路22上激光光源发出的激光可依次经过测试激光扩束系统11和测试激光会聚系统13后，到达针孔基板14上的测试针孔24；
在所述测试基准光路21上激光光源发出的激光依次经过测试基准激光扩束系统6，光楔移相机构7和测试基准激光会聚系统10后，到达针孔基板上14的测试基准针孔23；控制所述光楔移相机构7可获得多幅移相干涉图。
在所述测试针孔24发出的衍射波前经所述针孔基板14附近的被测试光学元部件19反射后会聚到测试基准针孔23附近，其波前中带有被测试光学元部件19的面形信息，其经过针孔基板14反射后与由测试基准针孔23发出的衍射波前干涉形成干涉条纹；所述测试基准光路21上设有光强衰减机构9，调节该光强衰减机构9可使干涉条纹对比度达到最佳。
本发明的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪在工作过程中，用工作用激光光源1经过折反透分光棱镜3的透射和反射形成测试基准光路21和测试光路22。两路光经过测试基准激光扩束系统6、光楔移相机构7、测试基准光束反射折光镜8、光强衰减机构9、测试基准激光会聚系统10和测试激光扩束系统11、测试光束反射折光镜12、测试激光会聚系统13后会聚分别对准照射在针孔基板14上的测试基准针孔23和测试针孔24上，发生衍射。由测试基准针孔23发出的衍射波前作为干涉测试基准波前；由测试针孔24发出的衍射波前经被测试光学元部件19反射后会聚到测试基准针孔23附近，其波前中带有被测试光学元部件19的面形信息，其经过带有双针孔的针孔基板14反射后与由测试基准针孔23发出的衍射波前干涉形成干涉条纹，经过小视场干涉图光学成像系统17和干涉图光电采集系统18获得干涉图像，通过光强衰减机构调试干涉条纹对比度，通过光楔移相机构获得多幅移相干涉图，经过对图像信息的分析高精度获得被测试光学元部件19的面形误差。
本发明的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪的测试方法包括以下步骤：
步骤1、打开移相式点衍射干涉仪主机电源开关，使得工作用激光光源1和调试用激光光源2开始出射光并稳定；
步骤2、安装被测试光学元部件19在被测试光学元部件方位调试机构20上；
步骤3、通过计算机25控制打开调试光源快门4，使得调试用激光光源2发出的光经折反透分光棱镜3进入干涉仪系统中；
步骤4、通过计算机25控制伺服电机使调试观察光学成像系统15和星点图像光电采集系统16组合系统对准测试基准光路21，通过观察星点图像光电采集系统16的星点图像，调整被测试光学元部件方位调试机构20使得被测试光学元部件19位置变动，使得由测试针孔24发出的衍射光通过被测试光学元部件19后反射回来会聚光点落在带有双针孔的针孔基板14上并在测试基准针孔23附近；
步骤5、通过计算机25控制关闭调试光源快门4，并打开工作光源快门5使得工作用激光光源1发出的光经折反透分光棱镜3进入干涉仪系统中，形成测试基准光路21和测试光路22；
步骤6、通过计算机25控制使调试观察光学成像系统15和星点图像光电采集系统16移出光路，并使小视场干涉图光学成像系统17和干涉图光电采集系统18对准测试基准光路21，由测试基准针孔23衍射的基准光波与由被测试光学元部件19反射回来会聚到测试基准针孔23附近的测试光波发生干涉；
通过小视场干涉图光学成像系统17和干涉图光电采集系统18可观察到干涉条纹图像。通过被测试光学元部件方位调试机构20细调被测试光学部件19的位置，可通过干涉图光电采集系统18在计算机25上观察到符合采集要求的干涉条纹图像(干涉条纹尽量少)；
步骤7、调整光强衰减机构9，使得干涉条纹对比度最佳；
步骤8、通过计算机25控制光楔移相机构7和小视场干涉图光学成像系统17、干涉图光电采集系统18部件的配合，实现对多幅移相干涉图的采集功能；
步骤9、通过移相干涉图处理软件实现对被测试光学元部件19的光学波前高精度测试。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪的测试方法，所述大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪包括：
测试基准光路(21)，测试光路(22)，针孔基板(14)；所述针孔基板(14)上设有测试针孔(24)和测试基准针孔(23)；
在所述测试光路(22)上激光光源发出的激光可依次经过测试激光扩束系统(11)和测试激光会聚系统(13)后，照明针孔基板(14)上的测试针孔(24)；
在所述测试基准光路(21)上激光光源发出的激光依次经过测试基准激光扩束系统(6)，光楔移相机构(7)和测试基准激光会聚系统(10)后，照明针孔基板(14)上的测试基准针孔(23)；
在所述测试针孔(24)发出的衍射波前经所述针孔基板(14)附近的被测试光学元部件(19)反射后会聚到测试基准针孔(23)附近，其波前中带有被测试光学元部件(19)的面形信息，其经过针孔基板(14)反射后与由测试基准针孔(23)发出的衍射波前干涉形成干涉条纹；
根据形成的所述干涉条纹可以得到干涉图像；可通过光楔移相机构(7)获得多幅移相干涉图；经过对多幅移相干涉图的图像信息分析可高精度获得被测试光学元部件(19)的面形误差；
所述大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪中还设有：调试观察光学成像系统(15)，星点图像光电采集系统(16)，小视场干涉图光学成像系统(17)，干涉图光电采集系统(18)；用来安装被测试光学元部件(19)的被测试光学元部件方位调试机构(20)；激光光源包括工作用激光光源(1)和调试用激光光源(2)，所述工作用激光光源(1)和调试用激光光源(2)处设有折反透分光棱镜(3)；
其特征在于，该测试方法包括以下步骤：
i、接通电源，使得工作用激光光源(1)和调试用激光光源(2)开始出射光并稳定；
ii、在针孔基板(14)附近安装被测试光学元部件(19)；
iii、打开调试用激光光源(2)，使其发出的光经折反透分光棱镜(3)进入干涉仪系统中；
iv、使调试观察光学成像系统(15)和星点图像光电采集系统(16)对准测试基准光路，通过观察星点图像光电采集系统(16)的星点图像，调整被测试光学元部件方位调试机构(20)使被测试光学元部件(19)位置变动，使由测试针孔(24)发出的衍射光通过被测试光学元部件(19)后反射回来会聚光点落在针孔基板(14)上并在测试基准针孔(23)附近；
v、关闭调试用激光光源(2)，打开工作用激光光源(1)，使激光经折反透分光棱镜(3)进入干涉仪系统中，形成测试基准光路(21)和测试光路(22)；
vi、将调试观察光学成像系统(15)和星点图像光电采集系统(16)移出光路，并使小视场干涉图光学成像系统(17)和干涉图光电采集系统(18)对准测试基准光路(21)，由测试基准针孔(23)衍射的基准光波与由被测试光学元部件(19)反射回来会聚到测试基准针孔(23)附近的测试光波发生干涉；
viii、控制光楔移相机构(7)和小视场干涉图光学成像系统(17)、干涉图光电采集系统(18)的配合，实现对多幅移相干涉图的采集；
ix、通过移相干涉图处理软件实现对被测试光学元部件(19)的光学波前高精度测试。
2.根据权利要求1所述的大数值孔径移相式双针孔衍射干涉仪的测试方法，其特征在于，步骤vi之后，步骤viii之前还设有步骤：
vii、调整测试基准光路(21)上设有的光强衰减机构(9)，使得干涉条纹对比度最佳。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述测试基准光路(21)上还设有光强衰减机构(9)，调节该光强衰减机构(9)可使干涉条纹对比度达到最佳。
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