CN106338380B - 干涉仪系统、干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法，包括：将用于配合检测的面状光学元件放置于干涉仪系统的待测台上；调整所述面状光学元件在所述待测台上的放置状态，而使得所述面状光学元件分别处于多个放置状态；通过干涉仪系统的成像部相应地分别成像形成多个面形图，每个面形图中包括的干涉条纹的数量不同；以及至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。本发明还提供一种干涉仪系统。本发明提供的干涉仪系统及检测方法，可通过简单且较准确的方式检测干涉仪传递函数及性能的优劣。

Description

干涉仪系统、干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，特别涉及一种干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法及一种干涉仪系统。

背景技术

在高精度光学检测过程中，检测过程采用的干涉仪大部分采用菲索干涉仪，这是由于菲索干涉仪具有原理简单、易于实现、共光路、精度高等优点。菲索干涉仪中的激光器发出的光经过整形和空间滤波形成近点光源，再经过准直镜得到一束平行光。平行光通过标准镜后被参考面反射一部分形成参考光束，透过的光经过被测面反射回光路中形成被测光束，由于参考光和被测光基本原路返回，消除了共光路误差，但对于有些待测光学元件难以经常在零条纹下进行测量。因此，难以避免的会引入非共光路误差，此时，干涉仪的内部光学元件的设计及整体的传递函数等会很大程度上影响非共光路误差。

随着检测精度的提高，非共光路误差无法根本上予以消除，因此，在测量过程中，需要根据测量精度的要求来判断干涉仪本身引入的非共光路误差会多大，但是，测量非共光路误差及干涉仪内部的传递函数和整体光学系统性能就需要借助大量的外部材料和设备，导致这一测量比较繁琐。因此，在这种情况下，如果能够提供一种快速便捷并且准确的识别出干涉仪的内部的传递函数及整体光学系统性能是否优劣的方法，是非常有意义的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法及干涉仪系统，能够通过简单便捷且准确的方式检测出干涉仪系统的内部的传递函数及整体光学系统性能是否优劣。

一种干涉仪系统，所述干涉仪系统包括：激光器，用于发射检测光；

待测台，用于放置面状光学元件；分光部，用于将激光器发射的检测光传输至位于待测台上的面状光学元件的表面，所述分光部还用于将面状光学元件反射回来的光线反射至成像部；所述成像部，用于对面状光学元件的表面进行成像而形成面状光学元件的面形图；以及处理器；其中，通过调整所述面状光学元件在所述待测台上的放置状态，而使得所述面状光学元件分别处于多个放置状态，成像部相应地至少分别成像形成多个面形图，所述多个面形图中的每一个包含的干涉条纹的数量不同；所述处理器用于至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个面形图之间的残差而得到第二残差，处理器还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能等在内的优劣。

进一步的，当面状光学元件处于所述待测台上的第一放置状态时，成像部形成包括零条干涉条纹的第一面形图；当面状光学元件处于所述待测台上的第二放置状态时，成像部形成包括N条干涉条纹的第二面形图；当面状光学元件处于所述待测台上的第三放置状态时，成像部形成包括M条干涉条纹的第三面形图，其中，M大于N，且M、N均为大于等于1的正整数。

进一步的，所述处理器至少计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差，并计算第三面形图与第一面形图之间的残差得到第二残差，处理器还至少将第一残差以及第二残差进行比对，如果相差较大，则说明光学系统及内部元件较差；如果相差较小，则说明干涉仪系统内部及整体的光学系统性能较好。

进一步的，所述处理器至少计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差，并计算第三面形图与第二面形图之间的残差得到第二残差，处理器还至少将第一残差以及第二残差进行比对，如果相差较大，则说明光学系统及内部元件较差；如果相差较小，则说明干涉仪系统内部及整体的光学系统性能较好。

进一步的，所述分光部包括分束器、准直镜及TS镜头；所述准直镜用于维持激光器发射的检测光的准直性；所述TS镜头为一摇摆、移轴功能的镜头，可以供用户手动调整景深以及手动调整透视畸；所述分束器位于准直镜与TS镜头之间，为一半透半反射透镜，所述分束器靠近准直镜的一面为透光面，靠近TS镜头的一面为反射面，所述分束器允许准直镜传输过来的检测光通过而传输至TS镜头，然后通过TS镜头传输至面状光学元件，并将面状光学元件反射回来通过TS镜头的光线反射至成像部。

进一步的，所述成像部包括成像透镜和图像传感器，所述成像透镜用于将分束器反射的光聚焦至图像传感器，所述图像传感器用于感应光而成像形成面形图。

还提供一种干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法，用于检测干涉仪系统的传递函数及性能的优劣，该方法包括步骤：将用于配合检测的面状光学元件放置于干涉仪系统的待测台上；调整所述面状光学元件在所述待测台上的放置状态，而使得所述面状光学元件分别处于多个放置状态；通过干涉仪系统的成像部相应地分别成像形成多个面形图，每个面形图中包括的干涉条纹的数量不同；以及至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。

进一步的，所述多个放置状态至少包括第一放置状态、第二放置状态及第三放置状态，所述步骤“通过干涉仪系统的成像部相应地分别成像形成多个面形图，每个面形图中包括的干涉条纹的数量不同”，包括：至少形成包括与第一放置状态对应的第一面形图、与第二放置状态对应的第二面形图以及与第三放置状态对应的第三面形图；其中，所述第一面形图为包括零条干涉条纹的面形图，所述第二面形图为包括N条干涉条纹的面形图，所述第三面形图为包括M条干涉条纹的面形图，其中M大于N，且N、M均为大于等于1的正整数。

进一步的，所述步骤“至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣”包括：计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差；计算第三面形图与第一面形图之间的残差得到第二残差；以及将第一残差以及第二残差进行比对，如果相差较大，则说明光学系统及内部元件较差，如果相差较小，则说明干涉仪系统内部及整体的光学系统性能比较好。

进一步的，所述步骤“至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣”包括：计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差；计算第三面形图与第二面形图之间的残差得到第二残差；以及将第一残差以及第二残差进行比对，如果相差较大，则说明光学系统及内部元件较差，如果相差较小，则说明干涉仪系统内部及整体的光学系统性能比较好。

本发明的有益效果在于：通过简单便捷且准确的方式可检测出干涉仪系统的内部的传递函数及整体光学系统性能是否优劣。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的明显变形方式。

图1为本发明一实施方式中的干涉仪系统的结构示意图；

图2为本发明一实施方式中的面状光学元件处于第一放置状态时产生的第一面形图及第一面形图的相关参数；

图3为本发明一实施方式中的面状光学元件处于第二放置状态时产生的第二面形图及第二面形图的相关参数；

图4为本发明一实施方式中的面状光学元件处于第三放置状态时产生的第三面形图及第三面形图的相关参数；

图5为本发明一实施方式中的第二面形图及第三面形图分别减去第一面形图得出的第一残差及第二残差的参数示意图；

图6为本发明一实施方式中的干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

首先请参考图1，示出了本发明一实施方式中的干涉仪系统100。所述干涉仪系统100包括激光器10、分光部20、成像部30、待测台40以及处理器50。

其中，所述待测台40用于承载一用于配合检测的面状光学元件41(球面或者平面)，所述面状光学元件的的选择标准为面形较好的面状光学元件。

如图1所示，所述激光器10用于发射检测光，所述分光部20用于将激光器10发射的检测光传输至位于待测台40上的面状光学元件41的表面，所述分光部20还用于将面状光学元件41反射回来的光线反射至成像部30。

所述成像部30用于对面状光学元件41的表面进行成像而形成面状光学元件41的面形图。

其中，通过调整所述面状光学元件41在所述待测台40上的放置状态，而使得所述面状光学元件41分别处于多个放置状态，成像部30相应地至少分别成像形成多个面形图。其中，所述多个面形图中的每一个包含的干涉条纹的数量不同。其中，调整所述面状光学元件41在所述待测台40上的放置状态为通过手动进行调整，例如，调整面状光学元件41在所述待测台40上的摆放倾斜角度而调整面状光学元件41在所述待测台40上的放置状态。

所述处理器50用于计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个面形图之间的残差而得到第二残差，处理器50并根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统100的包括传递函数和整体光学性能等在内的优劣。

其中，所述处理器50计算两个面形图之间的残差为将干涉条纹多的面形图减去干涉条纹少的面形图。

以下将结合图2-5给出一个具体的示例进行说明。

请一并参阅图2-5，具体的，在一实施例中，面状光学元件41可处于三个放置状态。当面状光学元件41处于所述待测台40上的第一放置状态时，成像部30形成的面形图为如图2所示的包括零条干涉条纹的第一面形图P1。

如图3所示，当面状光学元件41处于所述待测台40上的第二放置状态时，成像部30形成的面形图为包括N条干涉条纹的第二面形图P2。如图4所示，当面状光学元件41处于所述待测台40上的第三放置状态时，成像部30形成的面形图为包括M条干涉条纹的第三面形图P3，M大于N，且M、N均为大于等于1的正整数。在本实施例中，M＝2N。

在一实施方式中，所述N为8，即第二面形图P2包括如图3所示的8条干涉条纹，所述第三面形图P3中的干涉条纹的数量为第二面形图P2中的干涉条纹数量的两倍，即为16。

如图5所示，在一些实施方式中，所述处理器50计算第二面形图P2与第一面形图P1之间的残差而得到第一残差，并计算第三面形图P3与第一面形图P1之间的残差得到第二残差。

例如，如图2所示第一面形图P1中的PV(Peak Value，最大差别值/峰值)值为146.932nm(纳米)，rms(Root-Mean-Square，均方根)值为37.606nm，power(能量)值为-117.028nm。如图3所示的第二面形图P2中的PV值为151.576nm，rms值为38.165nm，power值为-118.556nm。如图4所示的第三面形图P3中的PV值为154.174nm，rms值为38.322nm，power值为-119.182nm。

从而，如图5中(a)所示，处理器50计算第二面形图P2与第一面形图P1之间的残差而得到第一残差，其中第一残差中的PV值为7.300nm，rms为0.552nm，power值为-1.528nm。如图5中(b)所示，处理器50计算第三面形图P3与第一面形图P1之间的残差而得到第二残差，其中，第二残差中的PV值为15.739nm，rms为0.721nm，power值为-2.154nm。

处理器50还至少将第一残差以及第二残差进行比对，如果相差较大，则说明光学系统及内部元件较差；如果相差较小，则说明干涉仪系统100内部及整体的光学系统性能较好。

上述的例子中，残差大小相对于待测光学元件面形来说，残差所占比例不足0.02，但是随着倾斜条纹的增多，引入的误差就会越大，说明存在干涉条纹的前提下检测面形图，干涉仪系统100的传递函数及光学系统性能的好坏很大程度上会影响到面形图的误差。但是，根据残差所占面形比例不足0.02，因此，上述的例子可简单地评价为此干涉仪系统100的传递函数及光学系统性能等较好。

显然，以上仅为一个作为说明的例子，在一些实施例中，所述面状光学元件41在所述待测台40上可分别处于四个、五个等数量的放置状态，而使得成像部30至少分别成像形成四个、五个等数量的面形图。即，所述状光学元件41可以倾斜两次角度，也可以倾斜三次，或者四次，甚至更多次倾斜角度，而处于多个放置状态，而使得成像部30分别成像形成三个、四个、五个等数量的面形图。每个面形图中的干涉条纹的数量不同，通过具有不同数量干涉条纹的面形图相减，而可得出多个残差，例如还可以得出第三残差、第四残差、第五残差等。所述处理器50可通过多个残差进行对比而判断干涉仪系统100的传递函数及光学系统性能是否优良。

其中，所述面状光学元件41竖直放置于待测台40上而使得被侧面正对激光器10发射的检测光时的放置状态为所述第一放置状态，当所述面状光学元件41相对于所述第一放置状态倾斜，且倾斜角度不断加大而处于第二放置状态、第三放置状态等状态。只要能够保证倾斜角度后不再是零条纹，但是，又在干涉仪系统100本身的识别范围内即可。

其中，所述第一残差并不限于第二面形图P2减去第一面形图P1，第二残差并不限于第三面形图P3减去第一面形图P1。在一些实施方式中，所述第一残差为第二面形图P2减去第一面形图P1，第二残差为第三面形图P3减去第二面形图P2。

显然，在一些实施例中，在满足残差为将干涉条纹多的面形图减去干涉条纹少的面形图的前提下，可以将任意的两个面形图相减得到不同的残差。所述处理器50可通过多个残差进行对比而判断干涉仪系统100的传递函数及光学系统性能是否优良。

请返回参考图1，在本实施例中，所述干涉仪系统100还包括空间滤波器60，所述空间滤波器60用于对激光器10发射的检测光进行光学滤波。

如图1所示，所述分光部20包括分束器21、准直镜22及TS(tile/shift)镜头23。所述准直镜22用于维持激光器10发射的检测光的准直性。

所述TS镜头23为一摇摆、移轴功能的镜头，可以供用户手动调整景深以及手动调整透视畸。

所述分束器21位于准直镜22与TS镜头23之间，为一半透半反射透镜，所述分束器21靠近准直镜22的一面为透光面，靠近TS镜头23的一面为反射面。从而，所述分束器21允许准直镜22传输过来的检测光通过而传输至TS镜头23，然后通过TS镜头23传输至面状光学元件41，并将面状光学元件41反射回来通过TS镜头23的光线反射至成像部30。

所述成像部30包括成像透镜31和图像传感器(CCD)32，所述成像透镜31用于将分束器21反射的光聚焦至图像传感器32，所述图像传感器用于感应光而成像，形成前述的面形图。

如图1所示，在一些实施例中所述面状光学元件41为一凹面光学元件，例如为一凹面镜，其正对分光部20的待测面为一凹面。可选的，所述面状光学元件41可为不同口径、厚度的光学平板，不同曲率半径、焦距的凸球面或者凹球面。

请参阅图6，为本发明一实施方式中的干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法的流程图。首先，将用于配合检测的面状光学元件41放置于干涉仪系统100的待测台40上(S601)。

调整所述面状光学元件41在所述待测台40上的放置状态，而使得所述面状光学元件41分别处于多个放置状态(S603)。其中，所述多个放置状态至少包括第一放置状态、第二放置状态及第三放置状态。

成像部30相应地分别成像形成多个面形图，每个面形图中包括的干涉条纹的数量不同(S605)。具体的，所述多个面形图至少包括与第一放置状态对应的第一面形图、与第二放置状态对应的第二面形图以及与第三放置状态对应的第三面形图，所述第一面形图为包括零条干涉条纹的面形图，所述第二面形图为包括N条干涉条纹的面形图，所述第三面形图为包括M条干涉条纹的面形图，其中M大于N，且N、M均为大于等于1的正整数。

处理器50计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，处理器50还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统100的包括传递函数和整体光学性能等在内的优劣(S607)。在一些实施例中，所述处理器50计算第二面形图P2与第一面形图P1之间的残差而得到第一残差，并计算第三面形图P3与第一面形图P1之间的残差得到第二残差。在其他实施例中，所述处理器50计算第二面形图P2与第一面形图P1之间的残差而得到第一残差，并计算第三面形图P3与第二面形图P2之间的残差得到第二残差。所述处理器50并将第一残差以及第二残差进行比对，如果相差较大，则说明光学系统及内部元件较差；如果相差较小，则说明干涉仪系统100内部及整体的光学系统性能较好。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种干涉仪系统，其特征在于，所述干涉仪系统包括：

激光器，用于发射检测光；

待测台，用于放置面状光学元件；

分光部，用于将激光器发射的检测光传输至位于待测台上的面状光学元件的表面，所述分光部还用于将所述面状光学元件反射回来的光线反射至成像部；

所述成像部，用于对面状光学元件的表面进行成像而形成所述面状光学元件的面形图；

以及处理器；

其中，通过调整所述面状光学元件在所述待测台上的放置状态，而使得所述面状光学元件分别处于多个放置状态，成像部相应地至少分别成像形成多个面形图，每一个所述多个面形图包含的干涉条纹的数量不同；所述处理器用于至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个面形图之间的残差而得到第二残差，处理器还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。

2.如权利要求1所述的干涉仪系统，其特征在于，当面状光学元件处于所述待测台上的第一放置状态时，成像部形成包括零条干涉条纹的第一面形图；当面状光学元件处于所述待测台上的第二放置状态时，成像部形成包括N条干涉条纹的第二面形图；当面状光学元件处于所述待测台上的第三放置状态时，成像部形成包括M条干涉条纹的第三面形图，其中，M大于N，且M、N均为大于等于1的正整数。

3.如权利要求2所述的干涉仪系统，其特征在于，所述处理器至少计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差，并计算第三面形图与第一面形图之间的残差得到第二残差，处理器还至少将第一残差以及第二残差进行比对，根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。

4.如权利要求2所述的干涉仪系统，其特征在于，所述处理器至少计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差，并计算第三面形图与第二面形图之间的残差得到第二残差，处理器还至少将第一残差以及第二残差进行比对，根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。

5.如权利要求1所述的干涉仪系统，其特征在于，所述分光部包括分束器、准直镜及TS镜头；

所述准直镜用于维持激光器发射的检测光的准直性；

所述TS镜头为一摇摆、移轴功能的镜头，可以供用户手动调整景深以及手动调整透视畸；

所述分束器位于准直镜与TS镜头之间，为一半透半反射透镜，所述分束器靠近准直镜的一面为透光面，靠近TS镜头的一面为反射面，所述分束器允许准直镜传输过来的检测光通过而传输至TS镜头，然后通过TS镜头传输至面状光学元件，并将面状光学元件反射回来通过TS镜头的光线反射至成像部。

6.如权利要求5所述的干涉仪系统，其特征在于，所述成像部包括成像透镜和图像传感器，所述成像透镜用于将分束器反射的光聚焦至图像传感器，所述图像传感器用于感应光而成像形成面形图。

7.一种干涉仪传递函数及性能优劣的检测方法，用于检测干涉仪系统的传递函数及性能的优劣，该方法包括步骤：

将用于配合检测的面状光学元件放置于干涉仪系统的待测台上；

调整所述面状光学元件在所述待测台上的放置状态，而使得所述面状光学元件分别处于多个放置状态；

通过干涉仪系统的成像部相应地分别成像形成多个面形图，每个面形图中包括的干涉条纹的数量不同；以及

至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多个放置状态至少包括第一放置状态、第二放置状态及第三放置状态，所述步骤“通过干涉仪系统的成像部相应地分别成像形成多个面形图，每个面形图中包括的干涉条纹的数量不同”，包括：

至少形成包括与第一放置状态对应的第一面形图、与第二放置状态对应的第二面形图以及与第三放置状态对应的第三面形图；其中，所述第一面形图为包括零条干涉条纹的面形图，所述第二面形图为包括N条干涉条纹的面形图，所述第三面形图为包括M条干涉条纹的面形图，其中M大于N，且N、M均为大于等于1的正整数。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤“至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣”包括：

计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差；

计算第三面形图与第一面形图之间的残差得到第二残差；以及

将第一残差以及第二残差进行比对，根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤“至少计算其中两个面形图之间的残差得到第一残差以及计算其中另外两个之间的残差而得到第二残差，还至少根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣”包括：

计算第二面形图与第一面形图之间的残差而得到第一残差；

计算第三面形图与第二面形图之间的残差得到第二残差；以及

将第一残差以及第二残差进行比对，根据第一残差以及第二残差之间的区别大小程度来判断干涉仪系统的包括传递函数和整体光学性能在内的优劣。