專利名稱：一種光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法，可以在全面形上實(shí)現(xiàn)光學(xué)平面的逐點(diǎn)高精度測量。

背景技術(shù)：
平面光學(xué)元件在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛，其作用主要是折轉(zhuǎn)光路和成像，其平面度通常在一個(gè)波長以下。光學(xué)平面的面形測量一般采用干涉方法，這就需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考平面作為平面基準(zhǔn)。通常的干涉儀使用光學(xué)加工制造出的標(biāo)準(zhǔn)平板作為參考平面，總是存在著一定的面形誤差，因而限制了干涉儀測量平面面形的準(zhǔn)確度，當(dāng)前干涉儀平面面形的測量準(zhǔn)確度只能達(dá)到λ/20～λ/50(λ為光波長，值為632.8nm)，遠(yuǎn)不能滿足超精密加工及紫外光刻等前沿技術(shù)研究的需求。
實(shí)現(xiàn)光學(xué)平面高精度測量的關(guān)鍵在于尋求更為理想的參考波面。從精度考慮，這種波面也不能僅僅局限在平面波前。我們知道，借助于小孔點(diǎn)衍射可以產(chǎn)生近似理想的球面波。小孔的大小決定了衍射光的數(shù)值孔徑和偏離球面波的誤差。如果小孔直徑為4λ，即衍射光束在數(shù)值孔徑0.2時(shí)，其遠(yuǎn)場的衍射球面偏差小于λ/104，這個(gè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前已知的各種參考波面。對實(shí)際測量而言，其參考球面可視為理想波面。用柔性光纖纖芯的端面代替小孔就構(gòu)成了光纖點(diǎn)衍射干涉儀。
點(diǎn)衍射產(chǎn)生的參考球面波前是發(fā)散的，因而天然適合于測量凹球面，卻無法直接應(yīng)用于平面測量。我們設(shè)想將點(diǎn)衍射波前通過被測平面鏡反射，則反射波前仍然是球面波前，但攜帶有被測平面鏡的面形信息，只要將該球面波與另一根光纖衍射的參考球面波發(fā)生干涉即可得到被測平面鏡的面形信息。這可以通過平板分束鏡來實(shí)現(xiàn)。平板分束鏡雖然可以完成參考波面與測量波面的匯合，但平板分束鏡本身的像差無疑給平面的測量引入了誤差。要得到準(zhǔn)確的平面面形測量結(jié)果，就必須準(zhǔn)確測量平板分束鏡引入的像差并對測量結(jié)果進(jìn)行修正。
本申請人的在先專利申請“一種光學(xué)平面面形的光纖點(diǎn)衍射移相干涉測量方法”(申請?zhí)?00910237426.8)遵循上面的思路，提出一種通過引入平板分束鏡使攜帶被測平面鏡面形信息的測量波前與參考波前匯合而產(chǎn)生干涉，從而提高測量精度的方法。但是，該方法的缺點(diǎn)是在其操作步驟的第一步中，從分光系統(tǒng)進(jìn)入測量光纖的測量光束，透過平板分束鏡三次后與參考光束發(fā)生干涉，而在第二步中，測量光束透過平板分束鏡兩次后與參考光束發(fā)生干涉；即，在第二步中測量光束在平板分束鏡中走過的光路與第一步并不完全相同，因而不能完全補(bǔ)償?shù)谝徊街衅桨宸质R所帶入的波差；如果平板分束鏡較厚，這種差異帶來的誤差會使得最終的測量精度提高有限。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)“一種光學(xué)平面面形的光纖點(diǎn)衍射移相干涉測量方法”存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，提出一種光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法，實(shí)現(xiàn)對平板分束鏡像差的完全修正，從而達(dá)到更高的測量精度。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一種光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法，實(shí)現(xiàn)該方法的測量裝置包括分光系統(tǒng)、測量光纖、參考光纖、平板分束鏡、中繼透鏡、成像鏡頭、CCD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、被測平面鏡；分光系統(tǒng)包括激光器、可調(diào)中性密度濾光片、1/2波片、偏振分束棱鏡、直角棱鏡A、直角棱鏡B、1/4波片A、1/4波片B、壓電陶瓷、偏振片A、偏振片B、顯微物鏡A和顯微物鏡B；其具體實(shí)施步驟如下 第一步從分光系統(tǒng)進(jìn)入測量光纖的測量光束，在測量光纖端面發(fā)生衍射；衍射波前在被測平面鏡表面發(fā)生反射，反射波前是攜帶有被測平面鏡面形信息的球面波前，其球心位于測量光纖端面在被測平面鏡中所形成的像點(diǎn)P；所述球面波前射向并透過平板分束鏡，形成測量波前；參考光纖的端面位于所述像點(diǎn)P關(guān)于平板分束鏡的共軛位置P′處，從參考光纖端面衍射的球面波被平板分束鏡反射形成參考波前，并與所述測量波前匯合而發(fā)生干涉；經(jīng)中繼透鏡，成像鏡頭用CCD攝像機(jī)采集干涉圖，送入計(jì)算機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行處理和分析； 第二步移除被測平面鏡，同時(shí)固定其他光學(xué)元件不動；將測量光纖端面移動到所述像點(diǎn)P處；從測量光纖端面衍射的球面波透過平板分束鏡形成測量波前；從參考光纖端面衍射的球面波被平板分束鏡反射形成參考波前；所述參考波前與測量波前匯合而發(fā)生干涉；經(jīng)中繼透鏡，成像鏡頭用CCD攝像機(jī)采集干涉圖，并用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行處理和分析； 第三步從第一步結(jié)果減去第二步結(jié)果即得到被測平面鏡的波差，然后將該波差按測量光纖的衍射波前在被測平面鏡的入射角度進(jìn)行逐點(diǎn)校正，即可得到被測平面鏡面形的結(jié)果； 所述被測球面鏡面形獲取方法如下 定義

為通過上述步驟得到的被測平面鏡在坐標(biāo)點(diǎn)(i，j)處的波差，其單位為波長，F(xiàn)(i，j)為被測平面鏡在(i，j)點(diǎn)的面形誤差，則有
其中ki，j＝cos[α(i，j)]/2，α(i，j)為測量光纖的衍射波前在(i，j)點(diǎn)的入射角度，ki，j是在(i，j)點(diǎn)的修正系數(shù)； 然后，通過被測平面鏡在(i，j)點(diǎn)的面形誤差F(i，j)，進(jìn)一步得到被測平面鏡面形的結(jié)果。
有益效果 本發(fā)明相對國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn) 1、以光纖點(diǎn)衍射產(chǎn)生的理想球面波前作為參考波面，可以在被測平面元件的全面形上實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)、高精度干涉測量； 2、完全消除測試光路中光學(xué)元件所引入的像差，得到平面面形的絕對干涉測量結(jié)果。



圖1為本發(fā)明關(guān)于光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法的一種具體實(shí)施方式
的第一步示意圖； 圖2為本發(fā)明關(guān)于光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法的一種具體實(shí)施方式
的第二步示意圖； 其中，1-激光器；2-可調(diào)中性密度濾光片；3-1/2波片；4-偏振分束棱鏡；5-直角棱鏡A；6-直角棱鏡B；7-1/4波片A；8-1/4波片B；9-壓電陶瓷；10-偏振片A；11-偏振片B；12-顯微物鏡A；13-顯微物鏡B；14-測量光纖；15-平板分束鏡；16-被測平面鏡；17-測量光纖14的端面關(guān)于被測平面鏡16的共軛像點(diǎn)P；18-參考光纖；19-中繼透鏡；20-成像鏡頭；21-CCD攝像機(jī)；22-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的平面面形絕對干涉測量方法，實(shí)現(xiàn)該方法的測量裝置，如圖1、圖2所示，包括分光系統(tǒng)、測量光纖14、參考光纖18、平板分束鏡15、中繼透鏡19、成像鏡頭20、CCD攝像機(jī)21、計(jì)算機(jī)22、被測平面鏡16；分光系統(tǒng)包括激光器1、可調(diào)中性密度濾光片2、1/2波片3、偏振分束棱鏡4、直角棱鏡A5、直角棱鏡B6、1/4波片A7、1/4波片B8、壓電陶瓷9、偏振片A10、偏振片B11、顯微物鏡A12和顯微物鏡B13； 其中，被測平面鏡16為直徑25mm的平面反射鏡；平板分束鏡15的尺寸為145×85×19mm(長×寬×厚)；激光器1的波長為532nm；測量光纖14、參考光纖18采用單模光纖，芯徑為3.5um，可計(jì)算出其遠(yuǎn)場衍射波前的球面偏差小于λ/104，因而實(shí)際測量中可以忽略；顯微物鏡A12和顯微物鏡B13的放大率為10×，數(shù)值孔徑為0.2；CCD攝像機(jī)21為8位數(shù)字CCD攝像機(jī)，1024×1024像素。
其具體實(shí)施步驟如下 第一步如圖1所示從激光器1出射的線偏振光通過可調(diào)中性密度濾光片2衰減，由1/2波片3調(diào)整偏振方向后入射到偏振分束棱鏡4，被分解成偏振方向互相垂直的兩束線偏振光，一束透射(測量光束)，一束反射(參考光束)。在兩束線偏振光分別被直角棱鏡A5和直角棱鏡B6反射回偏振分束棱鏡4的過程中，都分別兩次經(jīng)過1/4波片A7和1/4波片B8，其偏振方向各自改變90度，先前的透射光束將反射，并通過壓電陶瓷9實(shí)現(xiàn)步長為π/2的移相，而先前的反射光束將透射。從偏振分束棱鏡4出射的兩束正交偏振光分別通過偏振片A10、偏振片B11調(diào)整其偏振方向，然后再通過顯微物鏡A12、顯微物鏡B13分別耦合到測量光纖14和參考光纖18。從測量光纖14的端面衍射的球面波經(jīng)被測平面鏡16反射，反射波前是攜帶有被測平面鏡16面形信息的球面波前，其球心位于測量光纖14的端面在被測平面鏡16中所形成的虛像點(diǎn)P17處。該球面波前射向并透過平板分束鏡15，形成測量波前。參考光纖18的端面置于像點(diǎn)P17關(guān)于平板分束鏡15的共軛位置P′處，從參考光纖18衍射的球面波經(jīng)平板分束鏡15反射形成參考波前，與上述測量波前匯合而發(fā)生干涉。干涉場經(jīng)中繼透鏡19匯聚，通過成像鏡頭20被CCD攝像機(jī)21接收，送入計(jì)算機(jī)22按四步移相算法或者五步移相算法進(jìn)行處理分析。
測試中可通過旋轉(zhuǎn)1/2波片3和偏振片A10、偏振片B11可以調(diào)整參考光束與測量光束的相對強(qiáng)度，通過移動直角棱鏡A5可以調(diào)整參考光束與測量光束的光程差，以達(dá)到最佳的條紋對比度。顯然，該步測量結(jié)果不僅含有被測平面鏡16的波差，而且含有平板分束鏡15引入的波差。
第二步如圖2所示保持平板分束鏡15、參考光纖18、中繼透鏡19、成像鏡頭20、CCD攝像機(jī)21以及其他光學(xué)元件固定不動，移除被測平面鏡16。將測量光纖14的端面移動到像點(diǎn)P17處。從測量光纖14的端面衍射的球面波透過平板分束鏡15形成測量波前，而從參考光纖18的端面衍射的球面波經(jīng)平板分束鏡15反射形成參考波前，上述測量波前與參考波前匯合并再次發(fā)生干涉。干涉場經(jīng)中繼透鏡19匯聚，通過成像鏡頭20被CCD攝像機(jī)21接收，送入計(jì)算機(jī)22按四步移相算法或者五步移相算法進(jìn)行處理分析。測量過程中通過計(jì)算機(jī)22控制壓電陶瓷9實(shí)現(xiàn)步長為π/2的移相。通過旋轉(zhuǎn)1/2波片3和偏振片A10、偏振片B11可以調(diào)整參考光與測量光的相對強(qiáng)度，通過移動直角棱鏡A5可以調(diào)整參考光與測量光的光程差，以達(dá)到最佳的條紋對比度。顯然，該步測量結(jié)果僅僅含有平板分束鏡15引入的波差。
第三步從第一步結(jié)果中減去第二步結(jié)果即得到被測平面鏡的波差，然后將該波差按測量光纖的衍射波前在被測平面鏡16的入射角度進(jìn)行逐點(diǎn)校正，即可得到被測平面鏡16面形的結(jié)果； 所述被測球面鏡16的面形的獲取方法如下 定義

為通過上述步驟得到的被測平面鏡在坐標(biāo)點(diǎn)(i，j)處的波差，其單位為波長，F(xiàn)(i，j)為被測平面鏡在(i，j)點(diǎn)的面形誤差，則有
其中ki，j＝cos[α(i，j)]/2，α(i，j)為測量光纖的衍射波前在(i，j)點(diǎn)的入射角度，ki，j是在(i，j)點(diǎn)的修正系數(shù)； 然后，通過被測平面鏡16在(i，j)點(diǎn)的面形誤差F(i，j)，進(jìn)一步得到被測平面鏡16的面形的結(jié)果。
被測平面鏡16面形的峰谷值PV和整個(gè)面型的均方根值RMS，如表1中“本發(fā)明方法”對應(yīng)的結(jié)果所示。
為了說明本發(fā)明效果，進(jìn)行了另外兩項(xiàng)對比試驗(yàn) 1.使用上述裝置，采用專利《一種光學(xué)平面面形的光纖點(diǎn)衍射移相干涉測量方法》(申請?zhí)?00910237426.8)中公開的方法對被測平面鏡16重新進(jìn)行測量，得到PV和RMS值，如表1中“在先申請方法”對應(yīng)的結(jié)果所示； 2.使用高精度ZYGO GPI干涉儀對被測平面鏡16進(jìn)行測量，得到PV和RMS值，如表1中“ZYGO GPI干涉儀”的對應(yīng)結(jié)果所示。
表1使用不同方法的測量結(jié)果表 將高精度ZYGO GPI干涉儀的測量結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，由表1可知，本申請方法與高精度ZYGO GPI干涉儀測試結(jié)果更為接近，而在先申請方法的平面度測量結(jié)果偏大，因此結(jié)論為本發(fā)明方法的測量精度更高。
以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法，實(shí)現(xiàn)該方法的測量裝置包括分光系統(tǒng)、測量光纖(14)、平板分束鏡(15)、被測平面鏡(16)、參考光纖(18)、中繼透鏡(19)、成像鏡頭(20)、CCD攝像機(jī)(21)、計(jì)算機(jī)(22)；其特征在于其具體實(shí)施步驟如下
第一步從分光系統(tǒng)進(jìn)入測量光纖(14)的測量光束，在測量光纖(14)的端面發(fā)生衍射；衍射波前在被測平面鏡(16)表面發(fā)生反射，反射波前是攜帶有被測平面鏡(16)面形信息的球面波前，其球心位于測量光纖(14)端面在被測平面鏡中所形成的像點(diǎn)P(17)；所述球面波前射向并透過平板分束鏡(15)，形成測量波前；參考光纖(18)的端面位于所述像點(diǎn)P(17)關(guān)于平板分束鏡(15)的共軛位置P′處，從參考光纖(18)端面衍射的球面波被平板分束鏡(15)反射形成參考波前，并與所述測量波前匯合而發(fā)生干涉；經(jīng)中繼透鏡(19)，成像鏡頭(20)用CCD攝像機(jī)(21)采集干涉圖，送入計(jì)算機(jī)(22)用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行處理和分析；
第二步移除被測平面鏡(16)，同時(shí)固定其他光學(xué)元件不動；將測量光纖(14)的端面移動到所述像點(diǎn)P(17)處；從測量光纖(14)端面衍射的球面波透過平板分束鏡(15)形成測量波前；從參考光纖(18)端面衍射的球面波被平板分束鏡(15)反射形成參考波前；所述參考波前與測量波前匯合而發(fā)生干涉；經(jīng)中繼透鏡(19)，成像鏡頭(20)用CCD攝像機(jī)(21)采集干涉圖，送入計(jì)算機(jī)(22)用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行處理和分析；
第三步從第一步結(jié)果中減去第二步結(jié)果即得到被測平面鏡(16)的波差，然后將該波差按測量波前在被測平面鏡(16)的入射角度進(jìn)行逐點(diǎn)校正，即可得到被測平面鏡(16)面形結(jié)果；
所述被測球面鏡面形獲取方法如下
定義
為通過上述步驟得到的被測平面鏡(16)在坐標(biāo)點(diǎn)(i，j)處的波差，其單位為波長，F(xiàn)(i，j)為被測平面鏡(16)在(i，j)點(diǎn)的面形誤差，則有
其中ki，j＝cos[α(i，j)]/2，α(i，j)為測量光束在(i，j)點(diǎn)的入射角度，ki，j是在(i，j)點(diǎn)的修正系數(shù)；
然后，通過被測平面鏡(16)在(i，j)點(diǎn)的面形誤差F(i，j)，進(jìn)一步得到被測平面鏡(16)面形結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)平面面形的絕對干涉測量方法，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。該方法首先從測量光纖衍射的球面波經(jīng)被測平面鏡反射，折向并透過平板分束鏡，與參考光纖衍射并被平板分束鏡反射的球面波前匯合而發(fā)生干涉；干涉圖用標(biāo)準(zhǔn)方法分析和處理；該步測量得到被測平面鏡和平板分束鏡引入的像差。然后，移除被測平面鏡，移動測量光纖端面到關(guān)于被測平面鏡的共軛位置，從測量光纖和參考光纖衍射的球面波匯合而再次發(fā)生干涉；該步測量得到平板分束鏡引入的像差；將第一、二步測量結(jié)果相減即得到被測平面鏡引入的像差，按球面波前入射角度修正即得到被測平面鏡的面形。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光學(xué)平面的全面形逐點(diǎn)、高精度干涉測量，是一種平面絕對干涉測量方法。
文檔編號G01B11/24GK101762242SQ20101000117
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者陳凌峰, 任雅青, 李 杰, 周桃庚 申請人:北京理工大學(xué)