CN110332883A - 斐索干涉仪回程误差的消除方法 - Google Patents

Abstract

一种斐索干涉仪回程误差消除方法，该方法应用的系统包括斐索干涉仪，参考镜、被测镜、参考镜调整架、被测镜调整架；本发明方法通过两次调节参考镜调整架，两次调节被测镜调整架，然后平均上述四次测量结果实现回程误差的消除；并且，采用载波条纹载频频率值作为参考镜调整架和被测镜调整架的定量调节的依据，可以选择能够实现载波测量的任意载频进行实际测量，具有精度高，定量调节，通用性强的优点。

Description

斐索干涉仪回程误差的消除方法

技术领域

本发明涉及干涉测量领域，特别是一种斐索干涉仪回程误差消除方法。

背景技术

一般认为斐索(Fizeau)干涉仪具有共光路的特点，即参考镜返回的参考光与被测镜返回的测量光在干涉仪内部经过了相同的路径，干涉光程差仅由参考镜和被测镜引起。但实际上，仅在干涉条纹为零条纹时满足该状态，特别是当干涉仪存在载波条纹时，参考光与测量光在斐索干涉仪内部也会产生光程差，称为回程误差。在干涉条纹有几十条时，回程误差可达到λ/20PV以上，对于高精度测量是不可忽略的。

由于载波条纹干涉能够基于单幅干涉图完成测量，对环境振动不敏感，可实现动态测量，因此载波干涉测量也获得了广泛应用(见在先技术1：张磊，刘斯宁，林殿阳，吕志伟，基于空间载波条纹图的相位提取方法研究进展，激光技术，2005(01)：90-93)。除了所述的回程误差影响测量精度外，载波条纹本身也难以判读被测相位的凸凹信息，即测量结果可能与真值相反，也可能相同。

对测量结果正反的判断可以采用传统条纹弯曲、移动方向等辅助方法(见在先技术2：宫美望，刘文君，平晶检定时干涉条纹的快速调整方法与平面度计算，工业计量，2007(05)：8-11)；也可以通过与相移干涉方法测量结果进行比较，并记录斐索干涉仪内部对准相机光斑位置信息，确定参考光和测量光汇聚于对准相机特定位置时测量结果的正反情况(美国Zygo公司、Apre公司采用的方法)。

对于回程误差的标定与消除方法，美国Zygo公司在载波干涉测量过程中，采用一种回程误差消除方法以实现高精度载波条纹测量。消除回程误差时，可以调节参考镜，也可以调节被测镜，平面镜为倾斜调节，球面镜也可以采用平移调节。以调节参考镜为例，使参考镜在两个垂直的倾斜方向，均分别进行正负符号相反，数值相同的两次倾斜，从而产生4次载波干涉，并分别进行测量，四组测量值通过加/减及平均运算，获得消除回程误差的测量值；在获得消除回程误差的测量结果后，任一测量条件下的测量结果减去消除回程误差的测量结果，即为该测量条件下的干涉仪回程误差；对于一致性较好的一批被测件，可以直接利用该回程误差值来提高测量精度，而不必每次测量都再次进行上述步骤。调节被测镜时有相同的步骤，调节球面被测镜时，通常采用平移调整，即在垂直于干涉仪光轴的平面内的两个相互垂直的平移方向，均分别进行正负符号相反，数值相同的两次平移，从而进行4次载波干涉测量。

美国Apre等公司也通过类似方法，调节参考镜在一个倾斜方向，进行正负符号相反，数值相同的两次倾斜，并进行两次测量，通过对测量值的加/减平均运算消除干涉仪回程误差。这种方法实际上是Zygo公司所采用方法的简化，省略了两次测量。

上述回程误差消除方法有一个共同的特点，即测量过程中仅调节参考镜，或仅调节被测镜，基本原理均是认为参考镜或被测镜在一个调节方向，进行正负符号相反，数值相同的两次调节(倾斜或平移)，载波干涉测量结果中具有数值相同，正负相反的回程误差。该方法忽略了参考镜和被测镜对光路的影响，在一些高精度测量应用场合，不能满足回程误差消除的需求。

此外，Zygo，ESDI等公司均采用伪干涉条纹的形式协助操作人员将参考镜或被测镜调节至特定的载波条纹量，虽然伪干涉条纹较为直观，但定量性不足；操作人员也无法采用与干涉仪默认设置不同的载波条纹密度，限制了消除方法的通用性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种斐索干涉仪回程误差消除方法，具有精度更高、定量调节、通用性强的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种斐索干涉仪回程误差的消除方法，该方法应用的系统包括斐索干涉仪，参考镜、被测镜、参考镜调整架和被测镜调整架；所述的参考镜安装在参考镜调整架上，所述的被测镜安装在被测镜调整架上；所述的斐索干涉仪出射光通过参考镜后入射至被测镜表面，经被测镜反射返回的光线(测量光)再次通过参考镜，在斐索干涉仪内与参考镜的反射光(参考光)干涉；所述的参考镜调整架和被测镜调整架是二维倾斜调整架，或二维平移调整架，或平移倾斜调整多自由度调整架；其特点在于该方法包括下列步骤：

1)调节参考镜调整架和被测镜调整架，使得测量光和参考光均与斐索干涉仪光轴方向一致，斐索干涉仪观测到最少的条纹；

2)以能够实现载波测量的载波条纹载频频率值(Fx0,Fy0)为进行斐索干涉仪回程误差消除的目标载频位置，其中Fx0为X方向载频值，Fy0为Y方向载频值；调节参考镜调整架和被测镜调整架中的一个调整架，沿方向A的正向调节，使得在方向A的正向斐索干涉仪观测到载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W1；

3)继续调节步骤2)中所调节的参考镜调整架或被测镜调整架，沿方向A的负向调节，使得在方向A的负向斐索干涉仪观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W2；

4)继续调节步骤2)和步骤3)中所调节的参考镜调整架或被测镜调整架，使得斐索干涉仪观测到最少的条纹；

5)调节参考镜调整架和被测镜调整架中步骤2)～4)未调节的另一个调整架，沿方向B的正向调节，使得在方向B正向斐索干涉仪观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W3；

6)继续调节步骤5)中所调节的参考镜调整架或被测镜调整架，沿方向B的负向调节，使得在方向B的负向斐索干涉仪观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W4；

7)采用下面公式计算消除干涉仪回程误差的测量值：

W＝(W1+W2+W3+W4)/4；

8)分别计算W1-W，W2-W，W3-W，W4-W，即分别为上述四种测量条件下的干涉仪回程误差；

所述的方向A和方向B为倾斜方向或平移方向：当参考镜和被测镜为平面光学元件时，方向A和方向B为相同的倾斜方向；当参考镜和被测镜为球面光学元件时，方向A和方向B为相同的平移方向，或相同的倾斜方向，或一个为平移方向，一个为倾斜方向；

所述的能够实现载波测量的载波条纹载频频率值(Fx0,Fy0)是使得斐索干涉仪能够实现载波测量的任意载频频率值。

本发明的技术原理是，干涉仪回程误差消除过程中，若仅调节参考镜，进行正负符号相反，数值相同的两次调节(倾斜或平移)，判断测量结果的正反，求平均得到的测量结果虽然消除了大部分回程误差，但仍然包含较小的残余回程误差WRrez；若调节被测镜，进行相同载波条纹方向和数量的另外两次载波测量，判断测量结果的正反，求平均得到的测量结果同样也消除了大部分回程误差，残余回程误差的值则接近-WRrez；本发明通过上述四组测量结果求平均获得的测量结果能够更好的消除回程误差，得到更准确的测量值W。

本发明的技术效果在于克服上述现有技术的不足，本发明方法，具有精度更高、定量调节、通用性强的优点：精度更高，在本发明技术原理中已进行了叙述；定量调节，是本发明采用载波条纹载频频率值作为参考镜调整架和被测镜调整架的定量调节的依据；通用性强是指由于本发明以载波条纹载频频率值作为调节依据，操作人员可以选择能够实现载波测量的任意载频进行实际测量，而不仅仅是采用现有技术中干涉仪制造商规定的干涉条纹密度进行测量。

附图说明

图1为本发明干涉仪回程误差消除方法所应用的斐索干涉仪系统实施例的结构示意图；

图2为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例W1测量结果；

图3为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例W2测量结果；

图4为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例W3测量结果；

图5为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例W4测量结果；

图6为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例零条纹干涉测量结果；

图7为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例利用W1和W2消除回程误差测量结果；

图8为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例利用W3和W4消除回程误差测量结果；

图9为本发明干涉仪回程误差消除方法实施例利用W1、W2、W3和W4消除回程误差测量结果；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不以此实施例限制本发明的保护范围。

图1为本发明干涉仪回程误差消除方法所应用的斐索干涉仪系统实施例的结构示意图，

本发明干涉仪回程误差消除方法所应用的系统包括斐索干涉仪1，参考镜2、被测镜3、参考镜调整架4、被测镜调整架5；所述的参考镜2安装在参考镜调整架4上，所述的被测镜3安装在被测镜调整架5上；所述的斐索干涉仪1出射光通过参考镜2后入射至被测镜3表面，经被测镜3反射返回的光线(测量光)再次通过参考镜2，在斐索干涉仪1内与参考镜2反射光(参考光)干涉；

所述的参考镜调整架4和被测镜调整架5是二维倾斜调整架，或二维平移调整架，或平移倾斜调整多自由度调整架；

特征在于该方法包括下列步骤：

1)调节参考镜调整架4和被测镜调整架5，使得测量光和参考光均与斐索干涉仪1光轴方向一致，斐索干涉仪1观测到最少的条纹；

2)以能够实现载波测量的载波条纹载频频率值(Fx0,Fy0)为进行斐索干涉仪回程误差消除的目标载频位置，其中Fx0为X方向载频值，等于150，Fy0为Y方向载频值，等于20，载频值的单位为傅里叶变换频域分辨率；调节参考镜调整架4，沿方向A正向调节，使得在方向A正向斐索干涉仪1观测到载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪1进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W1，如图2所示；所述的判断测量结果正反的方法采用在先技术，如通过与相移干涉方法测量结果进行比较，记录斐索干涉仪内部对准相机光斑位置信息，确定参考光和测量光汇聚于对准相机特定位置时测量结果的正反情况；

3)继续调节参考镜调整架4，沿方向A负向调节，使得在方向A负向斐索干涉仪1观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W2，如图3所示；

4)继续调节参考镜调整架4，使得斐索干涉仪1观测到最少的条纹；

5)调节被测镜调整架5，沿方向B正向调节，使得在方向B正向斐索干涉仪1观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪1进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W3，如图4所示；

6)继续调节被测镜调整架5，沿方向B负向调节，使得在方向B负向斐索干涉仪1观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪1进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W4，如图5所示；

(7)采用下面公式计算消除干涉仪回程误差的测量值W

W＝(W1+W2+W3+W4)/4；

测量结果W如图9所示；

(8)分别计算W1-W，W2-W，W3-W，W4-W，即分别为上述四种测量条件下的干涉仪回程误差；

上述实施例中，参考镜和被测镜为平面光学元件，方向A和方向B为相同的倾斜方向。

图6为干涉仪零条纹时的测量结果，测量结果中不包含回程误差；图2～图5测量结果与图6明显不同，图2～图5与图6的差分波前达到了λ/10PV，其中λ为斐索干涉仪的工作波长，即回程误差达到了λ/10PV，测量误差较大。

图7和图8分别为采用在先技术，利用W1和W2，或者利用W3和W4消除回程误差测量结果；可见，图7与图8测量结果的相位分布与图6并不完全一致。与图6结果求差分波前，差分波前约为λ/30PV；可见，在先技术消除了大部分的回程误差，但相位分布测量结果尚不满足高精度测量的要求。

比较图6干涉仪零条纹时的测量结果与图9本实施例测量结果，可见相位分布基本一致，求图6与图5的差分波前，差分波前约为λ/40PV，回程误差消除精度明显优于在先技术。

本发明的技术效果在于克服上述现有技术的不足，本发明斐索干涉仪回程误差消除方法，首先精度更高；其次，定量调节，采用载波条纹载频频率值作为参考镜调整架和被测镜调整架的定量调节的依据；并且通用性强，操作人员可以选择能够实现载波测量的任意载频进行实际测量，而不仅仅是采用现有技术中干涉仪制造商规定的干涉条纹密度进行测量。

Claims (3)

1.一种斐索干涉仪回程误差的消除方法，该方法应用的系统包括斐索干涉仪(1)，参考镜(2)、被测镜(3)、参考镜调整架(4)、被测镜调整架(5)；所述的参考镜(2)安装在参考镜调整架(4)上，所述的被测镜(3)安装在被测镜调整架(5)上；所述的斐索干涉仪(1)出射光通过参考镜(2)后入射至被测镜(3)表面，经被测镜(3)反射返回的光线(测量光)再次通过参考镜(2)，在斐索干涉仪(1)内与参考镜(2)反射光(参考光)干涉；所述的参考镜调整架(4)和被测镜调整架(5)是二维倾斜调整架，或二维平移调整架，或平移倾斜调整多自由度调整架；其特征在于该方法包括下列步骤：

1)调节参考镜调整架和被测镜调整架，使得测量光和参考光均与斐索干涉仪光轴方向一致，斐索干涉仪观测到最少的条纹；

2)以能够实现载波测量的载波条纹载频频率值(Fx0,Fy0)为进行斐索干涉仪回程误差消除的目标载频位置，其中Fx0为X方向载频值，Fy0为Y方向载频值；调节参考镜调整架和被测镜调整架中的一个调整架，沿方向A的正向调节，使得在方向A的正向斐索干涉仪观测到载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W1；

3)继续调节步骤2)中所调节的参考镜调整架或被测镜调整架，沿方向A的负向调节，使得在方向A的负向斐索干涉仪观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W2；

4)继续调节步骤2)和步骤3)中所调节的参考镜调整架或被测镜调整架，使得斐索干涉仪观测到最少的条纹；

5)调节参考镜调整架和被测镜调整架中步骤2)～4)未调节的另一个调整架，沿方向B的正向调节，使得在方向B正向斐索干涉仪观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W3；

6)继续调节步骤5)中所调节的参考镜调整架或被测镜调整架，沿方向B的负向调节，使得在方向B的负向斐索干涉仪观测到与步骤2)相近的载波干涉条纹；对采集到的干涉图进行傅里叶变换，当计算得到的载波条纹载频值等于或近似等于(Fx0,Fy0)时，完成调节；斐索干涉仪进行一次载波干涉测量，判断测量结果的正反，记录正向测量值为W4；

7)采用下面公式计算消除干涉仪回程误差的测量结果：

W＝(W1+W2+W3+W4)/4；

8)分别计算W1-W，W2-W，W3-W，W4-W，即分别为上述四种测量条件下的干涉仪回程误差。

2.根据权利要求1所述的斐索干涉仪回程误差的消除方法，其特征在于所述的方向A和方向B为倾斜方向或平移方向：当参考镜和被测镜为平面光学元件时，方向A和方向B为相同的倾斜方向；当参考镜和被测镜为球面光学元件时，方向A和方向B为相同的平移方向，或相同的倾斜方向，或一个为平移方向，一个为倾斜方向。

3.根据权利要求1或2所述的斐索干涉仪回程误差的消除方法，其特征在于所述的能够实现载波测量的载波条纹载频频率值(Fx0,Fy0)是使得斐索干涉仪能够实现载波测量的任意载频频率值。