CN110057543B - 基于同轴干涉的波面测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴干涉的波面测量装置，包括用于产生干涉条纹场的马赫曾德双光束干涉系统、用于产生同轴干涉的合束元件、采集干涉信号的光探测器、以及用于扫描双光束干涉场的二维移动台和测量位移的激光干涉仪系统。其特点是在传统的马赫曾德双光束干涉仪中引入小尺寸合束元件，使两束相干光产生同轴干涉，通过二维扫描测量该干涉信号的周期变化，实现对马赫曾德双光束干涉场周期的高精度测量，从而推算出双光束波面的分布情况。利用小尺寸合束元件的扫描测量，该发明可以实现大尺寸波面的测量，而不需要相应尺寸的合束元件或参考波面。

Description

基于同轴干涉的波面测量装置

技术领域

本发明涉及基于同轴干涉的波面测量技术领域，具体涉及一种基于同轴干涉的波面测量装置。

背景技术

波面是光学元件以及光学系统的重要性能参数，波面的准确测量可以用于判断光学元件的加工质量，同时为进一步改善波面提供了定量参考，因此有重要的工程应用价值。随着光学加工能力的提升以及科学技术的发展，光学元件的应用一方面表现为加工尺寸越来越大，以天文望远镜为例，单个镜面尺寸早已经超过1米直径，我国最近就成功完成了4米直径的单体碳化硅反射镜研磨，是目前国际上口径最大的单体碳化硅反射镜；另一方面，光学元件的面形加工以及波面要求越来越高，比如在SIM(Space Interferometry Mission)太空望远镜系统中，反射镜的表面质量要求PV值达到1/50波长以上，才能够观测到太阳系外行星产生的干涉条纹。极高的应用要求不仅考验着光学加工的能力，同时对波面的大尺寸高精度测量技术也是一项非常严峻的挑战。

经过一个多世纪的发展，针对特定的光学元件面形以及反射或透射波面的测量，已经出现了多种非常实用的技术，大致可以分为非干涉法和干涉法两类。哈特曼-夏克波前传感器是典型的非干涉法，该方法通过微透镜阵列将波前聚焦在CCD面阵探测器上，当平面波入射在微透镜阵列上时，将在CCD上形成均匀分布的参考聚焦点阵，当波前偏离平面波，产生的聚焦点同时也将偏离参考点位置，通过几何光学可以定量的推断出波面的偏离量。该方法简单有效，在许多精度和分辨率要求不高的波面测量领域应用较多。另外，刀口法、波前曲率传感器等方法同样属于非干涉波面测量方法。其主要特点时测量方法简单，但测量分辨率和精度不够高。

干涉法基于全息相干能够高精度的标定波面，因此是目前应用最广泛的光学元件面形和波面的测量方法。剪切干涉仪基于光学平板的前后表面反射，形成波面与其自身错位后的干涉，从而实现待测波面的标定。该技术简单、稳定性好，不需要参考光，因此应用灵活，特别适用于在线测量。但是为了实现大尺寸波面的测量，必须要有相应尺寸的光学平板，这对光学加工提出了很大的挑战。

斐索干涉仪是目前商业化最普遍的波面干涉测量技术，包括Zygo，Vecco等公司均有相关产品，且测量精度很高，达到1/20波长以上。该技术通过楔形平板的反射以及待测元件的反射光形成准共光路干涉，干涉条纹代表了待测光学元件反射波面与楔形平板反射面的光程差。因此这种测量方法只能得到波面的相对值，其精度与楔形平板的表面面形有关，而加工大尺寸极高等级的楔形平板的难度非常大，也限制了该技术进一步提高测量精度的能力。

马赫曾德干涉仪和迈克尔逊干涉仪是两种非常重要，同时也是非常传统的干涉测量波面的手段。马赫曾德干涉仪通过分束镜形成两路光，一路作为参考光，一路作为测量光，两路光经过反射镜和另外一个分束镜重新合成一束，其干涉条纹反映了参考光与测量光之间的波面差，因此同样测得的是波面的相对值。迈克尔逊干涉仪与马赫曾德干涉仪非常相近，这种技术通过分束镜形成两路光，但是两路光通过垂直于光路放置的反射镜原路返回，经过同一个分束镜合成一路产生干涉条纹。不同之处在于，通常马赫曾德干涉仪用于测量透射波前的分布情况，而迈克尔逊干涉仪则用来测量反射元件的波面情况。两种方法测量精度接近，也面临同样的问题，即当待测元件较大时，需要同样尺寸的分束镜和反射镜，对应分束镜和反射镜的要求不止是尺寸上要比较大，同时其表面面形要求也很高，因此其测量精度很难进一步提高。

在上述马赫曾德干涉系统中，参考光与测量光相交形成的干涉场是高密度光栅场，该干涉光栅场的周期与两束光的波面相关。当参考光和测量光均为平面波时，在整个光场中的周期是恒定值，而当在测量光路插入待测光学元件，其波面偏离平面波，将会使原本恒定的干涉条纹周期发生变化，通过高精度测量这种周期变化，就能够精确推算出待测波面的分布情况。

于是波面的测量问题转变成了干涉条纹周期的精确测量问题。在先技术【C.G.Chen,“Beam alignment and image metrology for scanning beam interferencelithography:fabricating gratings with nanometer phase accuracy,”Ph.D.thesis,Massachusetts Institute of Technology,2003.】中，深入研究了扫描干涉光刻技术，特别是提出了基于分束棱镜的在线光栅周期测量方法。扫描干涉光刻技术利用两束小光斑干涉产生的光栅场，通过重叠扫描的方法实现大面积光栅的加工。Carl Chen通过引入一块分束棱镜，将两干涉光束组合成一束光并导入光电探测器中，当移动分束棱镜时，合成光束的光强会发生周期性的变化，对应的移动距离就是光栅场的周期。该技术通过测量几千个周期的信号变化，使测量误差降低了几千倍，从而实现皮米量级的光栅周期在线测量。在先技术【Xiansong Xiang,etc.“Precision fringe period metrology using LSQ sine fitalgorithm,”Applied Optics 57，4777-4784(2018).】中，Xiansong Xiang等人对该方法进行了改进，通过设计新型的干涉棱镜，并利用最小二乘法进行拟合，同样实现了皮米量级的光栅周期测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于同轴干涉的波面测量装置，该装置通过小尺寸合束元件实现同轴干涉和扫描探测，并利用干涉条纹周期变化与波面的关系推算出待测波面分布。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于同轴干涉的波面测量装置，所述的波面测量装置包括：

马赫曾德双光束干涉系统，其为双光束全息干涉光路，用于产生稳定的高密度干涉条纹场，并用于待测光学元件输出波面的测量；

同轴干涉及记录模块，包括合束元件和光探测器，用于产生同轴干涉信号，并记录该信息，其中，所述的合束元件，利用光的反射或衍射特性，使马赫曾德干涉光路的两束光重合，产生同轴干涉，从而形成稳定的干涉场；所述的光探测器，用于接收干涉场的光强信息；

二维移动和位移测量系统，包括二维移动平台和激光干涉仪，用于实现大尺寸光场的二维扫描以及位移的精确测量，其中，所述的二维移动平台，用于承载合束元件与光探测器实现对同轴干涉光场的二维扫描，二维移动平台的一维运动方向与马赫曾德干涉光场的条纹方向垂直，另外一维运动方向与干涉光场的条纹方向平行；所述的激光干涉仪，用于高精度测量二维移动平台垂直于干涉光场方向的位移；

数据采集与处理系统，用于控制光探测器采集同轴干涉强度信息、二维移动平台的二维运动以及激光干涉仪的位移测量，并通过数字计算对采集光强的周期信号进行处理，实现大尺寸波面的测量。

进一步地，所述的马赫曾德双光束干涉系统为双光束全息干涉光路，包括：激光器、1×2光纤耦合器、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、第一准直透镜、第二准直透镜以及待测光学元件；所述的激光器经1×2光纤耦合器均匀分束并分别进入第一单模保偏光纤和第二单模保偏光纤，光纤输出的球面波分别经对称放置的第一准直透镜和第二准直透镜形成相交的两束平面波，产生高密度的干涉光场，其干涉条纹的密度通过改变两束平面波的夹角进行调节，其中，两束平面波中的一束作为参考光，另外一束作为测量光，当插入待测光学元件后输出的波面会发生变化，并改变高密度干涉条纹的周期。

进一步地，所述的第一单模保偏光纤和第二单模保偏光纤的偏振方向与干涉条纹方向一致。

进一步地，所述的合束元件是半透半反镜、光栅或分束棱镜。

进一步地，所述的光探测器是光电倍增管，CCD阵列或雪崩二极管。

进一步地，所述的同轴干涉及记录模块还包括小孔光阑，同轴干涉光场经所述的小孔光阑进入光探测器，通过改变小孔光阑的大小控制光探测器的采集信息为同轴干涉光场的一小部分，并且小于干涉条纹周期的二分之一。

进一步地，所述的二维移动平台上同时固定有激光干涉仪的反射镜，激光干涉仪的其他部分放置在与马赫曾德双光束干涉系统同一平台上，所述的反射镜以及激光干涉仪出射的激光与所述的合束元件位于同一水平面。

进一步地，所述的数据采集与处理系统由一台计算机实现进行控制，所述的光探测器、激光干涉仪以及二维移动平台通过控制器与计算机连接，并利用计算机指令实现对以上设备的同步控制，该计算机在完成数据采集后，实现对数据的处理，通过干涉条纹周期与波面的关系，计算得到待测波面的分布情况。

进一步地，所述的数据采集与处理系统进行数据处理的过程如下：

在垂直于条纹的方向上，将马赫曾德双光束干涉形成的强度表示为：

I＝1+m*cos(2πf₀x+Φ₁(x)-Φ₂(x)) (1)

其中f₀是干涉条纹的基频，m为调制度，当两束光的强度相等时m最大为1，参考光和测量光的位相分别为Φ₁和Φ₂，定义干涉条纹的位相：

通过对式(2)求导可以得到与位相对应的每一个位置上的频率：

利用扫描位移与周期变化次数之比得到干涉条纹的频率，因此该测量频率是在一段长度上的平均，即：

其中L表示测量周期时扫描的位移量，于是由式(4)得到位相差与平均频率的关系：

利用式(5)得到间隔L上的每个位置的相对位相值，即参考光与测量光波面之差；

当插入待测光学元件，产生的位相差携带该待测光学元件的波面信息Φ₀，此时式(2)中的位相表示为：

ΔΦ′(x)≡Φ₁(x)-Φ₁(x)-Φ₀(x) (6)

分别测量在插入待测元件前以及插入后的马赫曾德干涉条纹周期，并计算其波面差，得到待测元件的波面绝对分布。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、现有波面测量技术通常需要与标准波面进行比较，因此如果要测量较大尺寸的波面，就需要标准具产生同等尺寸的标准波面，这对于标准具的加工提出了很大的挑战，特别是当加工尺寸达到米级以上，加工精度难以保证，加工成本也非常高。本发明通过同轴干涉扫描的方法实现大尺寸波面的测量，探测信号通过尺寸很小的光栅等分束元件得到，扫描范围不再受到标准具大小的限制，因此本发明在测量尺寸上具有良好的扩展性，对于超大尺寸光场的波面测量，以及相应尺寸元器件的高精度制造有重要价值。

2)、在二维移动平台运动过程中，光探测器记录的信息为周期性变化的光强，其周期与马赫曾德双光束干涉条纹周期一致，其周期的轻微变化反映了波面的变化，因此可以反推出待测波面的分布情况。该方法基于激光干涉仪的精确定位，将测量精度直接溯源到激光波长上，能够实现可靠的波面高精度测量，而现有波面测量技术需要对参考平面进行标定，存在标定误差，影响测量精度，因此本发明具有显著的优点。

3)、本发明采用光纤分束结构的马赫曾德双光束干涉光路使得系统变得更简单可靠，并且易于调节。与传统的马赫曾德干涉系统相比，本发明省去了大尺寸分束镜的使用，使得波面测量不再受分束镜的尺寸和面形精度的限制。第一单模保偏光纤3和第二单模保偏光纤4的偏振方向与干涉条纹方向一致，以获得最高对比度的高密度干涉条纹。

附图说明

图1是本发明中基于同轴干涉的波面测量装置的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例中利用半透半反镜实现同轴干涉的合束示意图；

图2(b)是本发明实施例中利用光栅实现同轴干涉的合束示意图；

图2(c)是本发明实施例中利用分束棱镜实现同轴干涉的合束示意图；

图3(a)是本发明实施例中未插入光学元件的波面测量示意图；

图3(b)是本发明实施例中插入光学元件的波面测量示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种基于同轴干涉的大尺寸波面测量装置，包括：马赫曾德双光束干涉系统，其为双光束全息干涉光路，用于产生稳定的高密度干涉条纹场，并用于待测光学元件输出波面的测量；

同轴干涉及记录模块，包括合束元件和光探测器，用于产生同轴干涉信号，并记录该信息，其中，所述的合束元件，利用光的反射或衍射特性，使马赫曾德干涉光路的两束光重合，产生同轴干涉，从而形成稳定的干涉场；所述的光探测器，用于接收干涉场的光强信息；

二维移动和位移测量系统，包括二维移动平台和激光干涉仪，用于实现大尺寸光场的二维扫描以及位移的精确测量，

其中，所述的二维移动平台，用于承载合束元件与光探测器实现对同轴干涉光场的二维扫描，其中，一维运动方向与马赫曾德干涉光场的条纹方向垂直，另外一维运动方向与干涉光场的条纹方向平行；所述的激光干涉仪，用于高精度测量二维移动平台垂直于干涉光场方向的位移；

数据采集与处理系统，用于控制光探测器采集同轴干涉强度信息、二维移动平台的二维运动以及激光干涉仪的位移测量，并通过数字计算对采集光强的周期信号进行处理，实现大尺寸波面的测量。在二维移动平台运动过程中，光探测器记录的信息为周期性变化的光强，其周期与马赫曾德双光束干涉条纹周期一致，其周期的轻微变化反映了波面的变化，因此可以反推出待测波面的分布情况。该方法利用小尺寸的合束元件并通过扫描实现大尺寸波面的测量，因此具有显著的优点。

如图1所示，基于同轴干涉的波面测量装置主要由激光器1、1×2光纤耦合器2、第一单模保偏光纤3、第二单模保偏光纤4、第一准直透镜5、第二准直透镜6、同轴干涉及记录模块7、二维移动平台8、激光干涉仪9、反射镜10、计算机11以及待测光学元件12组成。

马赫曾德双光束干涉系统为双光束全息干涉光路，用于产生高密度的干涉条纹场，具体包括：激光器1、1×2光纤耦合器2、第一单模保偏光纤3、第二单模保偏光纤4、第一准直透镜5、第二准直透镜6以及待测光学元件12。激光器1经1×2光纤耦合器2均匀分束并分别进入第一单模保偏光纤3和第二单模保偏光纤4，光纤输出的球面波分别经对称放置的第一准直透镜5和第二准直透镜6形成相交的两束平面波，产生高密度的干涉光场，其干涉条纹的密度可以通过改变两束平面波的夹角进行调节。其中，两束平面波中的一束作为参考光，另外一束作为测量光，当插入待测光学元件12后输出的波面会发生变化，并改变高密度干涉条纹的周期。

本发明采用光纤分束结构的马赫曾德双光束干涉光路使得系统变得更简单可靠，并且易于调节。与传统的马赫曾德干涉系统相比，本发明省去了大尺寸分束镜的使用，使得波面测量不再受分束镜的尺寸和面形精度的限制。第一单模保偏光纤3和第二单模保偏光纤4的偏振方向与干涉条纹方向一致，以获得最高对比度的高密度干涉条纹。

同轴干涉及记录模块用于产生同轴干涉信号，并记录该信息。该模块由合束元件13、小孔光阑14和光探测器15组成。如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，合束元件13可以是半透半反镜13-1、光栅13-2或分束棱镜13-3等，其作用是通过光的反射和衍射特性，使原本相交的马赫曾德双光束变成方向一致的同轴光束，实现同轴干涉。在图2(a)和图2(c)中，半透半反镜13-1和分束棱镜13-3作为合束元件，利用了光的反射特性，使马赫曾德干涉系统中的一束光反射，另外一束光透射，从而形成同轴干涉，其特点是反射率与透射率相近，从而使同轴干涉场对比度最大；而光栅13-2基于光的衍射特性，使双光束的某个衍射级次重合实现同轴干涉，其特点是该衍射级次的效率相同，确保同轴干涉场对比度最大。根据衍射级次的选择，其密度可以与马赫曾德干涉光场周期一致，或者与其成倍数关系，在图2(b)中，光栅密度为马赫曾德干涉周期的一半。几种合束方法比较，半透半反镜13-1的成本更低，光栅13-2使用更灵活，而分束棱镜13-3的稳定性更好，根据具体的测量要求可以选择不同的合束元件。

合束元件13的尺寸与马赫曾德干涉的双光束干涉光场相比小得多，合束元件13放置于马赫曾德干涉光场中，通过调节合束元件13相对干涉光场的角度，可以使同轴干涉条纹变得非常稀疏，同轴干涉光场经小孔光阑14进入光探测器15。光探测器15可以是光电倍增管，CCD阵列或者雪崩二极管等光敏器件，通过改变小孔光阑14的大小控制光探测器15采集信息为同轴干涉光场的一小部分，小于干涉条纹周期的二分之一，同时为了获得较高的信噪比，小孔光阑14不宜取的过小。

二维移动和位移测量系统用于实现大尺寸光场的二维扫描以及位移的精确测量。其中，二维移动平台8具有大行程的运动扫描性能，其中一维运动方向与马赫曾德干涉光场的条纹方向垂直，另外一维运动方向与干涉光场的条纹方向平行。二维移动平台8承载合束元件13、小孔光阑14和光探测器15一起运动，实现对马赫曾德干涉光场的二维扫描探测。当二维移动平台8垂直干涉光场方向运动时，光探测器15采集的同轴干涉光强信号将呈现周期性变化的特点，该周期对应了马赫曾德干涉光场的条纹周期，周期的波动变化则反映了待测波面的分布情况。

二维移动平台8上同时固定有激光干涉仪9的反射镜10，反射镜10为激光干涉仪9的组成部件之一，其中，激光干涉仪9用于测量移动台垂直于干涉光场方向的运动距离，激光干涉仪9其他部分放置在与马赫曾德双光束干涉系统同一平台上。利用激光干涉仪9对该方向进行高精度测量是为了准确测量干涉光场的条纹周期，从而精确推算出波面，另外一维运动方向的测量精度要求不高，可通过二维移动平台8本身的位置传感器得到。反射镜10以及激光干涉仪出射的激光应与合束元件13位于同一水平面，避免阿贝误差的影响。

数据采集与处理系统由一台计算机11实现进行控制，光探测器15、激光干涉仪9以及二维移动平台8通过控制器与一台计算机11连接，并利用计算机指令实现对以上设备的同步控制。计算机11在完成数据采集后，将通过算法实现对数据的处理，通过干涉条纹周期与波面的关系，精确计算得到待测波面的分布情况。

条纹周期的倒数为频率，为了简便，考虑从频率域进行分析。如图3(a)和图3(b)所示，在垂直于条纹的方向上，马赫曾德双光束干涉形成的强度可以表示为：

I＝1+m*cos(2πf₀x+Φ₁(x)-Φ₂(x)) (1)

其中f₀是干涉条纹的基频，m为调制度，当两束光的强度相等时m最大为1。参考光和测量光的位相分别为Φ₁和Φ₂，定义干涉条纹的位相：

通过对式(2)求导可以得到与位相对应的每一个位置上的频率：

本技术利用扫描位移与周期变化次数之比可以得到干涉条纹的频率，因此该测量频率是在一段长度上的平均，即：

其中L表示测量周期时扫描的位移量，于是由式(4)可以得到位相差与平均频率的关系：

利用式(5)可以得到间隔L上的每个位置的相对位相值，即参考光与测量光波面之差。理想情况下，当参考光与测量光均为平面波时，周期恒定，该波面差为零。

当插入待测光学元件12，产生的位相差携带了该元件的波面信息Φ₀。此时式(2)中的位相表示为：

ΔΦ′(x)≡Φ₁(x)-Φ₁(x)-Φ₀(x) (6)

分别测量在插入待测元件前以及插入后的马赫曾德干涉条纹周期，并计算其波面差，可以得到待测元件的波面绝对分布，不受参考光和测量光波面的影响。

实施例二

在本实施例中，马赫曾德双光束干涉条纹周期为1000nm(1000线/毫米)，采用He-Ne激光器，波长为632.8nm，因此光束的夹角为36.89度。通过光纤耦合使入射光以1：1的能量比分成两束并进入单模保偏光纤，光纤出射的球面波经过两套准直透镜变成准平面波并相交在二维移动平台上。

二维移动平台竖直放置于马赫曾德双光束干涉光场中，移动平台上固定基片调整架，以及激光干涉仪(Angilent，型号为5530，双频干涉仪)的反射镜，反射镜和基片调整架处于同一平面内。调节反射镜和激光干涉仪的入射激光，使测量方向与干涉条纹方向垂直。本实施例中将采用密度为500线/毫米的透射光栅作为合束元件，光栅尺寸25mm×25mm，微调两束相干光夹角以及光栅姿态，使通过透射光栅后，左边光束的负一级和右边光束的正一级衍射光方向一致，实现同轴干涉，干涉光场接近零条纹，通过调节小孔光阑使光探测器接收的信号信噪比最佳。

波面测量过程分为两步，首先测量无待测元件情况下的波面差，如图3(a)所示，通过计算机同步控制，激光干涉仪精确测量得到位移变化Δx(t)，光探测器记录相应的信号变化I(t)，从而可以得到对应位移变化的干涉光强变化曲线。该变化曲线接近正弦形，通过计算一段位移距离上的干涉光强变化次数，可以得到条纹的频率，其测量精度可以达到十万分之一以上，然后利用式(5)计算得到初始的位相差。如图3(b)所示，将待测光学元件插入测量光束，采用同样的方法测量相应的条纹频率，并通过式(5)计算待测位相差，两个测量结果相减可以消除参考光与测量光波面的影响，得到待测波面的绝对值。

对式(5)求微分可以得到波面测量的误差水平：

实验中的参数为：

于是可以得到：

也就是说波面的测量精度大概是1/100波长量级，优于大部分现有的波面测量技术。

本实施例表明，基于同轴干涉的波面测量技术是可行的，测量和调节精度达到了百分之一波长量级，同时待测波面的尺寸不受分束镜或参考镜大小的限制，因此在大尺寸波面测量和大尺寸光学元件面形测量及加工中有重要的应用前景。

综上所述，上述实施例对传统的马赫曾德干涉仪进行了改进，利用小尺寸的合束元件实现同轴干涉，并通过二维扫描完成整个大尺寸光场的同轴干涉信号测量，该技术通过光探测器记录了同轴干涉信号的一小部分光强。当合束元件与光探测器一起运动时，所采集的信号强度会发生周期性的变化，该周期对应了马赫曾德双光束干涉的条纹周期。当参考光束和测量光束均为平行光时，该周期是恒定值，当插入待测元件时，其波面偏离平面波，使得干涉周期也会发生改变，通过测量周期的改变可以实现待测波面的精确重构。本技术的优点是测量波面的尺寸和精度不再受限于分束镜的大小和表面质量，因此在大尺寸波面以及大尺寸光学元件面形测量中具有很好的应用前景。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的波面测量装置包括：

马赫曾德双光束干涉系统，其为双光束全息干涉光路，用于产生稳定的高密度干涉条纹场，并用于待测光学元件输出波面的测量；

同轴干涉及记录模块，包括合束元件和光探测器，用于产生同轴干涉信号，并记录该信号，其中，所述的合束元件，利用光的反射或衍射特性，使马赫曾德干涉光路的两束光重合，产生同轴干涉，从而形成稳定的干涉场；所述的光探测器，用于接收干涉场的光强信息；

二维移动和位移测量系统，包括二维移动平台和激光干涉仪，用于实现大尺寸光场的二维扫描以及位移的精确测量，其中，所述的二维移动平台，用于承载合束元件与光探测器实现对同轴干涉光场的二维扫描，二维移动平台的一维运动方向与马赫曾德干涉光场的条纹方向垂直，另外一维运动方向与干涉光场的条纹方向平行；所述的激光干涉仪，用于高精度测量二维移动平台垂直于干涉光场方向的位移；

数据采集与处理系统，用于控制光探测器采集同轴干涉强度信息、二维移动平台的二维运动以及激光干涉仪的位移测量，并通过数字计算对采集光强的周期信号进行处理，实现大尺寸波面的测量；

其中，所述的数据采集与处理系统由一台计算机实现进行控制，所述的光探测器、激光干涉仪以及二维移动平台通过控制器与计算机连接，并利用计算机指令实现对以上设备的同步控制，该计算机在完成数据采集后，实现对数据的处理，通过干涉条纹周期与波面的关系，计算得到待测波面的分布情况；

所述的数据采集与处理系统进行数据处理的过程如下：

在垂直于条纹的方向上，将马赫曾德双光束干涉形成的强度表示为：

I＝1+m*cos(2πf₀x+Φ₁(x)-Φ₂(x)) (1)

其中f₀是干涉条纹的基频，m为调制度，当两束光的强度相等时m最大为1，参考光和测量光的位相分别为Φ₁和Φ₂，定义干涉条纹的位相：

通过对式(2)求导可以得到与位相对应的每一个位置上的频率：

利用扫描位移与周期变化次数之比得到干涉条纹的频率，因此该测量频率是在一段长度上的平均，即：

其中L表示测量周期时扫描的位移量，于是由式(4)得到位相差与平均频率的关系：

利用式(5)得到间隔L上的每个位置的相对位相值，即参考光与测量光波面之差；

当插入待测光学元件，产生的位相差携带该待测光学元件的波面信息Φ₀，此时式(2)中的位相表示为：

ΔΦ′(x)≡Φ₁(x)-Φ₁(x)-Φ₀(x) (6)

分别测量在插入待测元件前以及插入后的马赫曾德干涉条纹周期，并计算其波面差，得到待测元件的波面绝对分布。

2.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的马赫曾德双光束干涉系统为双光束全息干涉光路，包括：激光器、1×2光纤耦合器、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、第一准直透镜、第二准直透镜以及待测光学元件；所述的激光器经1×2光纤耦合器均匀分束并分别进入第一单模保偏光纤和第二单模保偏光纤，光纤输出的球面波分别经对称放置的第一准直透镜和第二准直透镜形成相交的两束平面波，产生高密度的干涉光场，其干涉条纹的密度通过改变两束平面波的夹角进行调节，其中，两束平面波中的一束作为参考光，另外一束作为测量光，当插入待测光学元件后输出的波面会发生变化，并改变高密度干涉条纹的周期。

3.根据权利要求2所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的第一单模保偏光纤和第二单模保偏光纤的偏振方向与干涉条纹方向一致。

4.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的合束元件是半透半反镜、光栅或分束棱镜。

5.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的光探测器是光电倍增管，CCD阵列或雪崩二极管。

6.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的同轴干涉及记录模块还包括小孔光阑，同轴干涉光场经所述的小孔光阑进入光探测器，通过改变小孔光阑的大小控制光探测器的采集信息为同轴干涉光场的一小部分，并且小于干涉条纹周期的二分之一。

7.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的二维移动平台上同时固定有激光干涉仪的反射镜，激光干涉仪的其他部分放置在与马赫曾德双光束干涉系统同一平台上，所述的反射镜以及激光干涉仪出射的激光与所述的合束元件位于同一水平面。

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