光纤点衍射移相干涉仪的平面面形测量方法

摘要

本发明公开了一种光纤点衍射移相干涉仪的平面面形测量方法，属于光学测量技术领域。首先从测量光纤衍射的球面波经被测平面镜反射，经辅助正透镜汇聚到参考光纤的倾斜端面并再次反射，与参考光纤衍射的球面波汇合而发生干涉，干涉图用标准方法分析和处理；该步测量得到被测平面镜和辅助正透镜引入的像差。然后，移除被测平面镜，移动测量光纤端面到关于被测平面镜的共轭位置，从测量光纤和参考光纤衍射的球面波汇合而再次发生干涉；该步测量得到辅助正透镜引入的像差；将第一、二步测量结果相减即得到被测平面镜引入的像差，按球面波前入射角度修正即得到被测平面镜的面形。本发明方法有效的提高了光纤点衍射移相干涉仪上的平面面形测量精度。

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及光纤点衍射移相干涉仪上的平面面形测量方法，能够实现光学平面的全面形高精度测量。

背景技术

平面光学元件在光学系统中应用极为广泛，其平面度通常在一个波长以下。平面元件一般采用光干涉方法测量其平面度，测量时需要一个标准的参考平面作为平面基准。通常的干涉仪使用光学加工制造出的标准平板作为参考平面，总是存在着一定的面形误差，因而限制了干涉仪测量平面面形的准确度。当前干涉仪平面面形的测量准确度只能达到λ/20～λ/50(λ为光波长，值为632.8nm)，远不能满足超精密加工及紫外光刻等前沿技术研究的需求。

因此，寻找高精度的参考平面便成了提高干涉法平面面形测量精度的关键问题。

Lord Rayleigh最早提出使用液体平面代替干涉仪的参考面，作为干涉测量的平面基准。液体平面基本上具有与地球表面相等的曲率半径，用液面作为基准参考面是很理想的，但液面易受干扰，机械震动、灰尘影响、温度梯度、静电荷分子引力作用、外界磁场作用以及液体的自身不均匀性都会使液面曲率发生变化，同时使用液面作为干涉基准平面时，被测光学平面必须水平夹持，这样由于万有引力作用引起的被测平面下垂也会引入较大误差，因此这种方法难以在生产中实用化。

G.Schulz和J.Schwider提出并发展了无基准平面的光学平面绝对检验方法，即三平板方法：由精度相当的三个平面两两相对，进行三次干涉检验。由于在两个面干涉测量时，要将其中一个面的坐标系相对于y轴翻转，这样三个方程就只能得到三个面沿y轴上的面形误差分布。传统的三平板方法仅给出了被测平面元件某一径向方向的偏差，而非整个平面上的平面度偏差。例如Zygo GPI系列干涉仪上的三平板测试通过自带的ThreeFlt.app应用程序实现，通过4次组合测量只能检测x、y两个方向上的面形绝对分布，其测量精度达到λ/100。后来的很多研究者尝试通过旋转被测平面增加测量数据来扩展该测量方法。例如Fritz利用Zernike多项式函数的旋转不变性，将所有波面均用最小二乘法进行拟合，用Zernike多项式作为基底函数。这样每一个波面都可以写成Zernike多项式的线性组合，根据波面的不同对称方式分成四组，分别求得三个波面各自的Zernike多项式系数。这种方法使平面绝对检验不仅停留在一条线上或几条线上，而是测试整个平面，而且可程序化，便于计算机辅助处理。

综上所述，平面干涉测量技术基本分为两类，一类是有基准平面的相对干涉测量方法，另一类是无基准平面的绝对干涉测量法。有基准平面方法的优点是只需一次测量即可得到结果，测量效率高，但精度受限于参考平面的精度。无基准平面方法的优点是可以得到更高的测量精度，但测量过程比较复杂，其要得到被测平面的全面形测量结果需要多次互换和旋转，测量次数通常都在5次以上，测量效率非常低。且内部机械机构的旋转定位会引入更多的误差源，其精度直接制约着最终结果的测量精度。

实现光学平面高精度测量的关键在于寻求更为理想的参考波面。从精度考虑，这种波面也不能仅仅局限在平面波前。通常，借助于小孔点衍射可以产生近似理想的球面波，小孔的大小决定了衍射光的数值孔径和偏离球面波的误差。如果小孔直径为4λ，即衍射光束在数值孔径0.2时，其远场的衍射球面偏差小于λ/10⁴，这个精度远远超过了目前已知的各种参考波面。对实际测量而言，其参考球面可视为理想波面。用柔性光纤纤芯的端面代替小孔就构成了光纤点衍射干涉仪。

点衍射产生的参考球面波前是发散的，因而天然适合于测量凹球面，却无法直接应用于平面测量。假设将点衍射波前通过被测平面镜反射，则反射波前仍然是球面波前，但携带有被测平面镜的面形信息，只要将该球面波与另一根光纤衍射的参考球面波发生干涉即可得到被测平面镜的面形信息。

基于上述原理，并通过引入一块平板分束镜来实现参考波面与测量波面的汇合，中国专利申请“一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法”(申请号：200910237426.8)以及“一种光学平面面形的绝对干涉测量方法”(申请号：201010001177.5)实现了基于光纤点衍射移相干涉技术的平面面形测量。

但是，上述两种方法都需要对平板分束镜本身所引入像差进行修正。实际上，平板分束镜只有在平行光路中才不带入附加像差，在发散的点衍射光路中使用平板分束镜将带入原理性像差。尤其在大口径平面测量过程中平板分束镜带入的像差就更大，甚至大大超出被测平面镜本身的像差，这就给像差分离和平面面形测量带来了困难。

发明内容

本发明的目的是：为克服现有光纤点衍射平面面形测量技术中，因使用平板分束镜导致引入较大的附加像差从而影响测量精度的缺陷，提出一种新的测量方法。

其基本原理是：通过尽可能减小中间光学元件所引入的像差，从而进一步提高光纤点衍射移相干涉仪上的平面面形测量精度。本发明通过使用一块辅助正透镜代替平板分束镜来实现参考光与测量光的汇合，并将参考光纤的端面抛光成28度斜面，由此实现了光纤点衍射移相干涉仪上的一种新的平面面形测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

光纤点衍射移相干涉仪的平面面形测量方法。包括以下步骤：

第一步，部署以下测量装置，包括分光系统、测量光纤、辅助正透镜、被测平面镜、参考光纤、成像镜头、CCD摄像机、计算机；分光系统包括激光器、可调中性密度滤光片、1/2波片、偏振分束棱镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第一1/4波片、第二1/4波片、压电陶瓷、第一偏振片、第二偏振片、第二显微物镜和第二显微物镜。

第二步：从分光系统进入测量光纤的光束，在测量光纤的端面发生衍射；衍射波前在被测平面镜表面发生反射，反射波前是携带有被测平面镜面形信息的球面波前，其球心位于测量光纤端面在被测平面镜中所形成的像点P处；所述球面波前经辅助正透镜汇聚到参考光纤的倾斜端面，经参考光纤的倾斜端面反射后形成测量波前；从参考光纤的倾斜端面衍射的参考球面波前与上述测量波前汇合而发生干涉；经成像镜头、CCD摄像机采集干涉图，送入计算机用标准方法进行处理和分析，得到被测平面镜与辅助正透镜的波差。

第三步：移除被测平面镜，同时固定其他光学元件不动；将测量光纤的端面移动到上述像点P处；从测量光纤端面衍射的球面波经辅助正透镜汇聚到参考光纤的倾斜端面，经参考光纤的倾斜端面反射后形成测量波前；从参考光纤的倾斜端面衍射的参考球面波前与上述测量波前汇合发生干涉；经成像镜头、CCD摄像机采集干涉图，送入计算机用标准方法进行处理和分析，得到辅助正透镜的波差。

第四步：用第二步得到的结果减去第三步得到的结果，得到被测平面镜的波差。然后，将该波差按测量光纤的衍射波前在被测平面镜的入射角度进行逐点校正，得到被测平面镜的面形结果。面形获取方法如下：

首先，定义为得到的被测平面镜在坐标点(i，j)处的波差，其单位为波长，F(i，j)为被测平面镜在(i，j)点的面形误差，则有：

其中：k_i，j＝cos[α(i，j)]/2，α(i，j)为测量光纤的衍射波前在(i，j)点的入射角度，k_i，j为在(i，j)点的修正系数；

然后，通过被测平面镜在(i，j)点的面形误差F(i，j)，进一步得到被测平面镜面形的结果。

有益效果

本发明方法相对国内外现有光纤点衍射平面面形测量技术的优点在于：使用一块辅助正透镜作为中间光学元件，由于理想正透镜对球面波前变换并不带入附加的像差，而平板分束镜则会对球面波前引入原理性像差。使用经过良好光学设计的正透镜将大大减小中间光学系统带入的像差，从而提高了光纤点衍射移相干涉仪上的平面面形测量精度。

附图说明

图1为光纤点衍射移相干涉仪上的一种平面面形测量方法的第二步示意图；

图2为光纤点衍射移相干涉仪上的一种平面面形测量方法的第三步示意图；

图3为参考光纤的端面形状及波前示意图；

其中，1-激光器；2-可调中性密度滤光片；3-1/2波片；4-偏振分束棱镜；5-直角棱镜A；6-直角棱镜B；7-第一1/4波片；8-第二1/4波片；9-压电陶瓷；10-第一偏振片；11-第二偏振片；12-第一显微物镜；13-第二显微物镜；14-测量光纤；15-辅助正透镜；16-被测平面镜；17-测量光纤14的端面关于被测平面镜16的共轭像点P；18-参考光纤；19-成像镜头；20-CCD摄像机；21-计算机，22-插芯；23-轴线；24-端面法线；25-衍射光束轴线；26-入射测量光束；27-反射的测量光束；28-衍射波前。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

光纤点衍射移相干涉仪的平面面形测量方法，包括以下步骤：

第一步，部署一套测量装置，如图1、图2所示，包括：分光系统、测量光纤14、辅助正透镜15、被测平面镜16、参考光纤18、成像镜头19、CCD摄像机20、计算机21；

其中，分光系统包括激光器1、可调中性密度滤光片2、1/2波片3、偏振分束棱镜4、第一直角棱镜5、第二直角棱镜6、第一1/4波片7、第二1/4波片8、压电陶瓷9、第一偏振片10、第二偏振片11、第一显微物镜12和第二显微物镜13。

第二步：获得被测平面镜16与辅助正透镜15的波差，方法如下：

如图1所示，由激光器1出射的线偏振光通过可调中性密度滤光片2衰减，由1/2波片3调整偏振方向后入射到偏振分束棱镜4，被分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光，一束透射(测量光束)，一束反射(参考光束)。在两束线偏振光分别被第一直角棱镜5和第二直角棱镜6反射回偏振分束棱镜4的过程中，都分别两次经过第一1/4波片7和第二1/4波片8，其偏振方向各自改变90度，先前的透射光束将反射，并通过压电陶瓷9实现步长为π/2的移相，而先前的反射光束将透射。从偏振分束棱镜4出射的两束正交偏振光分别通过第一偏振片10、第二偏振片11调整其偏振方向，然后再分别通过第一显微物镜12、第二显微物镜13，分别耦合到测量光纤14和参考光纤18。从测量光纤14的端面衍射的球面波经被测平面镜16反射，反射波前是携带有被测平面镜16面形信息的球面波前，其球心位于测量光纤14的端面在被测平面镜16中所形成的虚像点P17处。所述球面波前经辅助正透镜15汇聚到参考光纤18的倾斜端面，经参考光纤18的倾斜端面反射后形成测量波前；从参考光纤18的倾斜端面衍射的参考球面波与上述测量波前汇合发生干涉；经成像镜头19、CCD摄像机20采集干涉图，送入计算机21按四步移相算法或者五步移相算法进行处理分析，得到被测平面镜16与辅助正透镜15的波差。

在上述过程中，可通过旋转1/2波片3和第一偏振片10、第二偏振片11调整参考光束与测量光束的相对强度，并通过移动第一直角棱镜5调整参考光束与测量光束的光程差，以达到最佳的条纹对比度。显然，该步测量结果不仅含有被测平面镜16的波差，而且含有辅助正透镜15引入的波差。

第三步：单独获取辅助正透镜15的波差，方法如下：

如图2所示，在第二步的基础上，保持辅助正透镜15、参考光纤18、成像镜头19、CCD摄像机20以及其他光学元件固定不动，移除被测平面镜16。将测量光纤14的端面移动到像点P17处；从测量光纤14端面衍射的球面波前经辅助正透镜15汇聚到参考光纤18的倾斜端面，经参考光纤18的倾斜端面反射后形成测量波前；从参考光纤18的倾斜端面衍射的参考球面波与上述测量波前汇合而发生干涉；经成像镜头19、CCD摄像机20采集干涉图，送入计算机21按四步移相算法或者五步移相算法进行处理分析。

上述过程中，通过计算机22控制压电陶瓷9实现步长为π/2的移相；通过旋转1/2波片3和第一偏振片10、第二偏振片11调整参考光与测量光的相对强度；通过移动第一直角棱镜5调整参考光与测量光的光程差，以达到最佳的条纹对比度。显然，该步测量结果仅仅含有辅助正透镜15引入的波差。

第四步：用第二步得到的结果减去第三步得到的结果，得到被测平面镜16的波差。然后，将该波差按测量光纤14的衍射波前在被测平面镜16的入射角度进行逐点校正，得到被测平面镜的面形结果。面形获取方法如下：

定义为通过上述步骤得到的被测平面镜16在坐标点(i，j)处的波差，其单位为波长，F(i，j)为被测平面镜15在(i，j)点的面形误差，则有：

其中：k_i，j＝cos[α(i，j)]/2，α(i，j)为测量光纤14的衍射波前在(i，j)点的入射角度，k_i，j是在(i，j)点的修正系数；

然后，通过被测平面镜16在(i，j)点的面形误差F(i，j)，进一步得到被测平面镜16面形的结果。

上述过程中，所述参考光纤18的端面要求抛光成斜面，其倾斜角度计算如下：

参考光纤18的端面形状及波前如图3所示，参考光纤18的端面连带插芯22被整体抛光成角度为α的斜面，端面镀有半透半反膜。其中参考光纤18的轴线23与端面法线24夹角为α，参考光纤18的衍射光束轴线25与参考光纤18的端面法线24夹角为β，根据折射定律，并取空气折射率为1，有：

nsinα＝sinβ

取参考光纤18的纤芯折射率为n＝1.5，若想得到β＝45°的折射角，由上式可计算出参考光纤18的端面倾斜角度为：α≈28°。即当参考光纤18的端面抛光成28°斜面时，携带被测平面面形信息的入射测量光束26以45°角入射到参考光纤18的端面，其反射的测量光束27将折转90°，恰好与参考光纤18的衍射波前28重合而产生干涉。