CN112857238B

CN112857238B - 一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法

Info

Publication number: CN112857238B
Application number: CN202110410048.XA
Authority: CN
Inventors: 海阔; 曾靖超; 李凯隆; 陈玉川; 樊伟; 张云飞
Original assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Current assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2041-04-16
Also published as: CN112857238A

Abstract

本发明公开了一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法，包括测量待测平晶的a面面形数据和b面面形数据；将测量得到的a面面形数据进行左右镜像处理，并将处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合处理，得到a面面形数据的拟合多项式；将测量得到的b面面形数据进行多项式拟合处理，得到b面面形数据的拟合多项式；提取得到待测平晶a面的装调误差，对a面的装调误差镜像取反则为待测平晶b面的装调误差；将拟合多项式减去装调误差，得到待测平晶的像差；从而得到待测平晶厚度均匀性的误差分布。本发明能够实现大型光学元件的厚度分布检测，从而为后续超精密加工修行提供技术支撑。

Description

一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法

技术领域

本发明属于光学系统测量技术领域，具体涉及一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法。

背景技术

随着光学技术飞速发展，应用在红外波段的大型平行平晶(以下简称平晶)作为一种高精度的光学元件经常应用于航空航天，高能激光系统等各个领域，如天文望远镜以及卫星上的大型硅片等。这些平晶的光学性能除了与光学镜片的平面度、光洁度、表面质量有关，还与其平行度即厚度均匀性密切相关。现有的检测平晶厚度的方法，常使用光学计测量法与透射法。光学计测量法是将测头接触被检平晶的中心并调整读数为零，再移动平晶，分别在工件直径方向最远处测8个点取最大最小读数之差最为平行度误差。透射法检测是通过平行光透过平晶后再经反射再次透过平晶产生干涉，通过计算两次的光程差，再去掉反射镜与空腔的系统误差，从而解算平晶的透射波前信息，最终得出厚度分布。但针对一种应用于红外透射的大口径单晶硅平晶(n＝3.39)，常规激光干涉仪，使用的氦氖激光器632.8nm光源，只能检测反射波前，无法通过透射测量计算出厚度分布。此外，工作在红外波段的激光干涉仪，在测量较大口径平晶时还需要配置专用的扩束系统，且分辨率低、成本高、用途有限。而基于三坐标测量法的摆臂轮廓仪、激光轮廓仪等由于待测量工件尺寸大，测量时间长，且检测精度只能在微米量级以上，制约了后续的纳米精度下的高精度抛光。

因此，大口径高精度平行平晶的高精度检测方法亟待研究解决。

发明内容

为了解决现有测量技术无法测量大口径平行平晶厚度分布的问题，本发明提供了解决上述问题的一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法。本发明通过两次干涉测量前后表面的面形，经过解耦两次面形误差，消除装调等系统误差后，最终得到工件各点位的厚度分布情况，且能够实现纳米级的检测。

本发明通过下述技术方案实现：

一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，测量待测平晶的a面面形数据和b面面形数据；其中，待测平晶的a面面形PV优于b面面形PV，且a面和b面面形均满足：PV<1λ@632.8nm，RMS<0.1λ@632.8nm；

步骤S2，将测量得到的a面面形数据进行左右镜像处理，并将处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合处理，得到a面面形数据的Zernike拟合多项式；将测量得到的b面面形数据进行Zernike多项式拟合处理，得到b面面形数据的Zernike拟合多项式；

步骤S3，从a面面形数据拟合多项式提取得到待测平晶a面的装调误差，由于a面面形PV优于b面面形PV，则以a面的装调误差作为待测平晶的装调误差，对a面的装调误差镜像取反则为待测平晶b面的装调误差；

步骤S4，将a面的拟合多项式减去a面装调误差，得到待测平晶a面的seidel像差；将b面的拟合多项式减去b面装调误差，得到待测平晶b面的seidel像差；

步骤S5，将待测工件两表面像差相加则可得到待测平晶厚度均匀性的误差分布。

优选的，本发明的步骤S1采用的测量装置包括2台激光干涉仪、调整装置。

优选的，本发明的步骤S1的测量过程具体包括：

将一台激光干涉仪a的镜头正对另一台激光干涉仪b，进行所述激光干涉仪a和激光干涉仪b的互相标定，使得所述激光干涉仪a产生的激光垂直于所述激光干涉仪b的镜头表面；

将待测平晶安装在固定装置上，且待测平晶的a面对准所述激光干涉仪a的方向，b面对准所述激光干涉仪b的方向；

调整待测平晶的姿态，使激光干涉仪a与激光干涉仪b能够同时测量待测平晶的表面面形数据。

优选的，本发明的激光干涉仪a和激光干涉仪b的标定过程为：

将激光干涉仪b作为标准镜，采用激光干涉仪a测量激光干涉仪b镜头的面形，当所测标准镜面形条纹数为0时，则激光干涉仪a产生的激光垂直于所述激光干涉仪b的镜头表面，即可完成所述激光干涉仪a和激光干涉仪b的互相标定。

优选的，本发明的步骤S1采用的测量装置包括一台激光干涉仪、分光镜、2个孔径光阑、2个标准镜和3个反射镜。

优选的，本发明的步骤S1的测量过程具体包括：

进行测量装置的安装调整：激光干涉仪产生的激光经分光镜分光透过第一孔径光阑进入第一标准镜的出射处表面，调整所述第一标准镜，使所述激光干涉仪测量产生的光点在测量范围内，完成所述第一标准镜的安装调整；在距离所述第一标准镜预设位置处安装第二标准镜，且第一标准镜和第二标准镜保持平行状态；3个反射镜与光路呈45°夹角安装，使所述激光干涉仪产生的激光能经分光镜分光透过第二孔径光阑，依次经过3个反射镜，垂直入射到第二标准镜中；

进行测量装置的光路标定：打开第二孔径光阑，关闭第一孔径光阑，激光干涉仪产生的激光通过分光镜透过第二孔径光阑后依次经过3个45°反射镜后，以第二标准镜作为所述激光干涉仪的标准参考镜对第一标准镜进行测量，通过调整3个反射镜的姿态，直到测量产生的干涉条纹为0；

将调整装置以及待测平晶安装在测量装置中，并对待测平晶的姿态进行调整使得待测平晶的a面能够与第一标准镜发生干涉的同时，待测平晶的b面能够与第二标准镜发生干涉；

进行待测平晶的表面面形数据测量。

优选的，本发明通过以下过程确保第一标准镜和第二标准镜平行：以第一标准镜作为激光干涉仪的标准参考镜对第二标准镜进行测量，调整第二标准镜的姿态，直到测量产生的干涉条纹为0。

优选的，本发明通过以下过程使得待测平晶的a面能够与第一标准镜发生干涉的同时，待测平晶的b面能够与第二标准镜发生干涉：

将调整装置以及待测平晶安装在第一标准镜和第二标准镜之间的光路上，且待测平晶的a面对准第一标准镜的方向，b面对准第二标准镜的方向；

打开第一孔径光阑，关闭第二孔径光阑，激光干涉仪产生的激光通过分光镜分光后透过第一孔径光阑，以第一标准镜为测量装置的标准参考镜对待测平晶a面进行测量，调整待测平晶的姿态，使待测平晶的a面能够与第一标准镜产生干涉条纹；

打开第二孔径光阑，关闭第一孔径光阑，激光干涉仪产生的激光通过分光镜分光后透过第二孔径光阑，之后依次经过3个反射镜，以第二标准镜为测量装置的标准参考镜对待测平晶b面进行测量，调整待测平晶的姿态，使待测平晶的b面能够与第二标准镜产生干涉条纹；

重复待测平晶的a面与第一标准镜的干涉调节以及待测平晶的b面与第二标准镜的干涉调节过程，直到待测平晶的a面能够与第一标准镜发生干涉的同时，b面能够与第二标准镜发生干涉。

优选的，本发明预先对待测平晶的a面进行抛光处理，使得待测平晶的a面面形PV优于b面面形PV。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供了一种不需要反复装卸待测镜面的条件下，同时用干涉仪检测平晶的两侧表面面形，然后进行拟合，消除装调误差与重力变形等的影响，实现大口径平行平晶的厚度分布检测，从而为后续超精密加工修行提供技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明对测量结果的处理原理示意图。

图3为本发明实际的测量结果示意图。

图4为本发明第一实施例的测量过程示意图。其中，(a)为双干涉仪标定示意图；(b)为双干涉仪相互标定后，期望得到的干涉仪的成像效果；(c)为双干涉仪测量待测平晶的结构原理示意图。

图5为本发明第二实施例的测量过程示意图。其中，(a)为单个干涉仪测量装置的标定示意图；(b)为单个干涉仪测量待测平晶的结构原理示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

11-激光干涉仪a，12-激光干涉仪b，13-调整装置d，14-待测平晶c，21-激光干涉仪，22-分光镜，23-第一孔径光阑，24-第一平面标准镜，25-第二孔径光阑，26-第二平面标准镜，27-第一反射镜，28-第二反射镜，29-第三反射镜，30-调整装置，31-待测平晶。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法。本实施例的测量原理为：光学元件平行度与工件两表面各个位置的距离相关，可看作平均值加上各位置误差，平均值不影响平行度，故实际需要的则是两表面各个位置的误差，这个误差无法直接测量，需要分别测量工件两表面的面型数据做匹配计算，通过测量工件波前可得到对应面形数据，进而得到平晶厚度分布，如图1所示。

具体如图2-3所示，本实施例的方法包括以下步骤：

步骤S1，测量待测平晶的a面面形数据W(ρ，θ)和b面面形数据W′(ρ，θ)；其中，待测平晶的a面面形PV优于b面面形PV，且a面和b面面形均满足：PV＜1λ@632.8nm，RMS＜0.1λ@632.8nm；此时测量得到的面形数据均为待测平晶表面去除系统像差后的波前像差，例如，对于a面，W(ρ，θ)＝W₁(ρ，θ)-W₂(ρ，θ)，其中，W₁(ρ，θ)为待测镜像差，W₂(ρ，θ)为标准镜像差，同理，能够得到b面的波前像差。

步骤S2，将测量得到的a面面形数据进行左右镜像处理，并将处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合处理，得到a面面形数据的Zernike拟合多项式，表示为：

将测量得到的b面面形数据进行Zernike多项式拟合处理，得到b面面形数据的Zernike拟合多项式，表示为：

式中，Z_i和Z′_i表示Zernike多项式各项系数，ρ表示原点到对应点的矢量长度，θ表示矢量ρ与X轴逆时针方向夹角值；

步骤S3，从拟合得到的a面面形数据提取得到待测平晶a面的装调误差Z₀(ρ，θ)、Z₁(ρ，θ)和Z₂(ρ，θ)，由于a面经预先抛光处理及反射检测表面面形PV＜1λ@632.8nm，RMS＜0.1λ@632.8nm，可将a面的装调误差作为待测平晶的装调误差，对其镜像取反，则为待测平晶b面的装调误差Z′₀(ρ，θ)、Z₁(ρ，θ)和Z′₂(ρ，θ)，其中，Z₀、Z′₀表示Zernike系数对应的平移像差，Z₁和Z′₁表示X轴倾斜像差，计作ρ Cos(θ)，Z₂和Z′₂表示Y轴倾斜像差，计作ρ Sin(θ)；

步骤S4，由于测量的是平行平晶的厚度分布情况，故工件两表面在制造过程中产生的楔角也算在工件整体的厚度分布中，因此将a面的拟合多项式减去a面装调误差，得到待测平晶a面的seidel像差(如：离焦、像散、彗差等)，表示为Z_s(ρ，θ)；将b面的拟合多项式减去b面装调误差，得到待测平晶b面的seidel像差(如：离焦、像散、彗差等)，表示为Z′_s(ρ，θ)；

步骤S5，将待测工件两表面像差相加则可得到待测平晶厚度均匀性的误差分布Er＝Z_s(ρ，θ)+Z′_s(ρ，θ)。

本实施例的方法通过同时测量待测工件两侧表面面形，将其拟合成Zernike多项式，从中提取待测工件当前的装调误差，同时消除待测工件两侧表面的装调误差以及重力变形等影响后可以得到工件厚度分布。

实施例2

本实施例对上述实施例1的步骤S1进行了进一步优化设计，本实施例的步骤S1采用双干涉仪测量装置实现待测平晶两侧表面面形测量。

具体如图4所示，本实施例采用的装置包括2台激光干涉仪(激光干涉仪a11和激光干涉仪b12)、调整装置d13以及待测平晶c14(待测平晶c14两表面经过干涉仪单独测量，待测平晶c14的两侧表面变形均满足：PV＜1λ@632.8nm，RMS<0.1λ@632.8nm)。

本实施例在进行面形测量之前需要对装置进行标定，具体过程为：

将一台激光干涉仪镜头a11正对另一台激光干涉仪b12，如图2中(a)所示，令干涉仪b12的镜头作为标准镜，并使用干涉仪a11测量干涉仪b12镜头的面形，当所测标准镜面形条纹数为0时，如图2中(b)所示，干涉仪a11产生的激光垂直于干涉仪b12的镜头表面，即完成干涉仪的互相标定工作；将抛光完一侧的待测平晶c14安装在固定装置d13上，其中面形PV较好的一面(a面，即经过预先抛光处理的表面)对准干涉仪a11的方向，另一面则对准干涉仪b12的方向调整镜面位置与角度，如图2中(c)所示，使激光干涉仪a11与激光干涉仪b12可以同时测量待测平晶c14的两侧面形。

实施例3

由于使用两台干涉仪成本较高，进一步优化测量环境，本实施例的步骤S1采用单个干涉仪实现待测平晶两侧表面面形测量。

具体如图5所示，本实施例使用一台干涉仪利用分光镜、反射镜、平面标准镜以及孔径光阑，产生两条测量光路，也可直接测量工件的两表面，实现工件厚度分布的测量。

本实施例在测量之前需要对测量装置进行安装调整以及标定等工作，具体过程包括：

(1)使用一台激光干涉仪21，加入分光镜22，第一孔径光阑23，第二孔径光阑25以及第一平面标准镜4，如图3所示进行安装，关闭第二孔径光阑5，打开第一孔径光阑3，使激光干涉仪21产生的激光经分光镜22分光透过第一孔径光阑23进入第一平面标准镜24的出射处表面，调整第一平面标准镜24，使激光干涉仪21测量产生的光点在测量范围内，完成第一标准镜24的安装调整；

(2)在距第一平面标准镜24一定位置处安装第二平面标准镜26，用第一标准镜24作为激光干涉仪21的标准参考镜测量第二标准镜26的表面，参考平面与待检测平面的反光发生干涉后产生干涉条纹，通过成像系统来接收。调整第二标准镜26的位置与角度，使之测量产生的干涉条纹数为零，确保第一标准镜24和第二标准镜26保持平行状态；

(3)如图5中(a)所示安装3个平面反射镜(第一反射镜27、第二反射镜28和第三反射镜29)，与光路成45°夹角，使光路能经分光镜22，透过第二孔径光阑25，经反射镜27、28和29，垂直入射到第二标准镜26中；

(4)打开第二孔径光阑25，关闭第一孔径光阑23，激光干涉仪21产生的激光通过分光镜22透过第二孔径光阑25经3个45°反射镜后，以第二平面标准镜26作为激光干涉仪21的标准参考镜对第一平面标准镜24进行测量，通过调整反射镜27、28、29的位置角度，直到测量产生的干涉条纹为零，完成整个测量系统的光路标定；

(5)如图5中(b)所示放入安装待测平晶31的调整装置30，打开第一孔径光阑23，关闭第二孔径光阑25，激光干涉仪21产生的激光通过分光镜22透过第一孔径光阑23，以第一标准镜24为测量系统的标准参考镜对待测平晶a面进行测量，调节调整装置30的位置以及待测平晶31的姿态，使待测平晶31的a面能与第一标准镜24产生干涉条纹；

(6)同理，打开第二孔径光阑25，关闭第一孔径光阑23，激光干涉仪21产生的激光通过分光镜22透过第二孔径光阑25，经平面反射镜27、28、29以第二标准镜26为测量系统的标准参考镜对待测平晶31的b面进行测量，调节调整装置30的位置以及待测平晶31的姿态，使待测平晶31的b面能与第二标准镜26产生干涉条纹；

(7)执行完过程(6)后可能造成第一标准镜24无法与待测平晶31的a面干涉的情况，因此重复过程(5)～(6)，直到待测平晶31的a表面能与第一标准镜24发生干涉的同时，b表面能与第二标准镜26发生干涉；

(8)打开第一孔径光阑23，关闭第二孔径光阑25，测量待测平晶31的a面面形数据，同理打开第二孔径光阑25，关闭第一孔径光阑23，测量待测平晶31的b面面形数据，此时的面形数据均为待测工件表面去除系统像差后的波前像差。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S5，将待测工件两表面的seidel像差相加则可得到待测平晶厚度均匀性的误差分布。

2.根据权利要求1所述的干涉测量方法，其特征在于，所述步骤S1采用的测量装置包括2台激光干涉仪、调整装置。

3.根据权利要求2所述的干涉测量方法，其特征在于，所述步骤S1的测量过程具体包括：

4.根据权利要求3所述的干涉测量方法，其特征在于，所述激光干涉仪a和激光干涉仪b的标定过程为：

5.根据权利要求1所述的干涉测量方法，其特征在于，所述步骤S1采用的测量装置包括一台激光干涉仪、分光镜、2个孔径光阑、2个标准镜和3个反射镜；所述步骤S1的测量过程具体包括：

进行待测平晶的表面面形数据测量。

6.根据权利要求5所述的干涉测量方法，其特征在于，通过以下过程确保第一标准镜和第二标准镜平行：以第一标准镜作为激光干涉仪的标准参考镜对第二标准镜进行测量，调整第二标准镜的姿态，直到测量产生的干涉条纹为0。

7.根据权利要求5所述的干涉测量方法，其特征在于，通过以下过程使得待测平晶的a面能够与第一标准镜发生干涉的同时，待测平晶的b面能够与第二标准镜发生干涉：

8.根据权利要求1所述的干涉测量方法，其特征在于，在所述步骤S1之前预先对待测平晶的a面进行抛光处理，使得待测平晶的a面面形PV优于b面面形PV。