一种基于同轴干涉的波面测量系统和方法与流程

本发明涉及波面测量技术领域，具体涉及一种基于同轴干涉的波面测量系统和方法。

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(spaceinterferometrymission)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。其主要特点是测量方法简单，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，因此时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,“beamalignmentandimagemetrologyforscanningbeaminterferencelithography:fabricatinggratingswithnanometerphaseaccuracy,”ph.d.thesis,massachusettsinstituteoftechnology,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。carlchen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【xiansongxiang,etc.“precisionfringeperiodmetrologyusinglsqsinefitalgorithm,”appliedoptics57，4777-4784(2018).】中，xiansongxiang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。但是，上述的测量方法需要借助复杂的光学元件，成本高昂，测量过程繁冗，不易实现。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于同轴干涉的波面测量系统和方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于同轴干涉的波面测量系统，包括：马赫曾德双光束干涉光路、同轴干涉记录单元、二维移动平台、激光干涉仪单元及数据处理单元；待测光学元件设置在所述马赫曾德双光束干涉光路中，所述马赫曾德双光束干涉光路用于产生两束马赫曾德干涉光路，一路作为参考光，另一路作为测量光，其中测量光经过待测光学元件，所述同轴干涉记录单元设置在二维移动平台上，用于将两束马赫曾德干涉光路合路成同轴干涉信号，并记录同轴干涉信号的光强信息，并将光强信息发送至数据处理单元；激光干涉仪单元用于测量二维移动平台的位移，并将测得位移数据发送至数据处理单元，二维移动平台和数据处理单元连接，数据处理单元根据光强信息、位移数据和二维移动平台的运动数据计算待测波面的分布。

优选地，马赫曾德双光束干涉光路包括：激光器，1×2光纤耦合器、单模保偏光纤以及准直透镜；单模保偏光纤和准直透镜的数量均为2；激光器经1×2光纤耦合器均匀分束并分别进入单模保偏光纤，两束由单模保偏光纤输出的球面波分别经两套对称放置的准直透镜形成相交的平面波，产生马赫曾德干涉光场。

优选地，所述同轴干涉记录单元包括合束元件、小孔光阑和光探测器，合束元件用于使马赫曾德双光束干涉光路产生的两束光重合，产生同轴干涉光，形成马赫曾德干涉光场，光探测器用于接收通过小孔光阑的马赫曾德干涉光场的光强信息，并将光强信息发送至数据处理单元。

优选地，所述合束元件包括：半透半反镜，光栅或分束棱镜。

优选地，所述光探测器是光电倍增管、ccd阵列或者雪崩二极管。

优选地，所述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马赫曾德干涉光场的条纹方向平行。

优选地，所述激光干涉仪单元包括：反射镜和激光干涉仪；所述反射镜设置在二维移动平台上，所述激光干涉仪出射的激光、反射镜与合束元件位于同一水平面，所述激光干涉仪出射的激光经反射镜反射，所述激光干涉仪和数据处理单元连接。

一种基于同轴干涉的波面测量系统的测量方法，包括：

s1，无待测元件时利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差；

s2，将待测元件插入所述基于同轴干涉的波面测量系统中，使得测量光束通过待测元件，利用利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差；

s3，将s2和s1所得的测量结果相减，得到待测波面的绝对值。

优选地，步骤s1包括：在未插入待测元件时，激光干涉仪测量得到位移数据δx(t)，光探测器记录相应的同轴干涉信号的光强信息i(t)，数据处理单元通过位移数据δx(t)和光强信息i(t)计算得到对应位移变化的第一干涉光强变化曲线；数据处理单元通过第一干涉光强变化曲线计算一段位移距离上的干涉光强变化次数，得到条纹的频率，利用相位差频率公式计算得到初始相位差；

步骤s2包括：将待测光学元件插入测量光束时，激光干涉仪测量得到位移数据δx’(t)，光探测器记录相应的同轴干涉信号的光强信息i’(t)，数据处理单元通过位移数据δx’(t)和光强信息i’(t)计算得到对应位移变化的第二干涉光强变化曲线；数据处理单元通过第二干涉光强变化曲线计算一段位移距离上的干涉光强变化次数，得到条纹的频率，利用相位差频率公式计算得到待测相位差。

优选地，在垂直于马赫曾德干涉光场条纹的方向上，马赫曾德双光束干涉形成的强度为：

i＝1+m*cos(2πf0x+φ1(x)-φ2(x))(i)

其中f0是干涉条纹的基频，m为调制度，当参考光和测量光的强度相等时m为最大值1，参考光和测量光的相位分别为φ1和φ2，定义干涉条纹的相位：

通过对式(2)求导得到与相位对应的每一个位置上的频率：

在一段扫描位移l上的平均频率为：

其中l表示测量周期时扫描的位移量，通过式(4)得到所述相位差频率公式为：

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本发明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马赫曾德干涉光场的同轴干涉信号测量，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。本方案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。

附图说明

图1是一实施例的基于同轴干涉的波面测量系统的结构示意图。

图2(a)是一实施例的同轴干涉记录单元的结构示意图。

图2(b)是另一实施例的同轴干涉记录单元的结构示意图。

图2(c)是又一实施例的同轴干涉记录单元的结构示意图。

图3(a)是一实施例的无待测元件时利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差的示意图。

图3(b)是一实施例的有待测元件时利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种基于同轴干涉的波面测量系统，包括：马赫曾德双光束干涉光路、同轴干涉记录单元7、二维移动平台8、激光干涉仪单元及数据处理单元11；待测光学元件12设置在所述马赫曾德双光束干涉光路中，所述马赫曾德双光束干涉光路用于产生两束马赫曾德干涉光路，一路作为参考光，另一路作为测量光，其中测量光经过待测光学元件12，所述同轴干涉记录单元7设置在二维移动平台8上，用于将两束马赫曾德干涉光路合路成同轴干涉信号，并记录同轴干涉信号的光强信息，并将光强信息发送至数据处理单元11；激光干涉仪单元用于测量二维移动平台8的位移，并将测得位移数据发送至数据处理单元11，二维移动平台8和数据处理单元11连接，数据处理单元11根据光强信息、位移数据和二维移动平台8的运动数据计算待测波面的分布情况。所述数据处理单元11为计算机。

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台8上。

在本实施例，马赫曾德双光束干涉光路包括：激光器1，1×2光纤耦合器2、单模保偏光纤3、4以及准直透镜5、6；单模保偏光纤3、4和准直透镜5、6的数量均为2；激光器1经1×2光纤耦合器2均匀分束并分别进入单模保偏光纤3、4，两束由单模保偏光纤3、4输出的球面波分别经两套对称放置的准直透镜5、6形成相交的平面波，产生马赫曾德干涉光场。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，所述的单模保偏光纤3、4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。

参见图2(a)-2(c)，所述同轴干涉记录单元7包括合束元件、小孔光阑14和光探测器15，合束元件用于使马赫曾德双光束干涉光路产生的两束光重合，产生同轴干涉光，形成稳定的马赫曾德干涉光场，光探测器15用于接收通过小孔光阑14的同轴干涉光场的光强信息，并将光强信息发送至数据处理单元11。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。

在二维移动台8运动过程中，光探测器15记录的光强信息为周期性变化的光强，其周期与马赫曾德干涉光场的条纹周期一致，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。

合束元件的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。所述合束元件的尺寸与马赫曾德干涉的双光束干涉光场相比小得多，合束元件放置于马赫曾德干涉光场中，通过调节合束元件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。

在本实施例，参见图2(a)，所述合束元件为光栅13-2。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。更具体地，本实施例中采用密度为500线/毫米的透射光栅13-2作为合束元件，光栅13-2尺寸25mm×25mm，微调两束相干光夹角以及光栅13-2姿态，使通过透射光栅13-2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14使光探测器15接收的信号信噪比最佳。

作为另一可实施例，参见图2(b)，所述合束元件为半透半反镜13-1。

作为又一可实施例，参见图2(c)，所述合束元件为分束棱镜13-3。半透半反镜和分束棱镜作为合束元件，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。

在本实施例，所述光探测器15是光电倍增管、ccd阵列或者雪崩二极管。

在本实施例，所述二维移动平台8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马赫曾德干涉光场的条纹方向平行。所述二维移动台承载合束元件和光探测器15一起运动，实现对马赫曾德干涉光场的二维扫描探测。当二维移动台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。

在本实施例，所述激光干涉仪单元包括：反射镜10和激光干涉仪9；所述反射镜10设置在二维移动平台8上，所述激光干涉仪9出射的激光、反射镜10与合束元件位于同一水平面，所述激光干涉仪9出射的激光经反射镜10反射，所述激光干涉仪9和数据处理单元11连接。二维移动台上同时固定有反射镜10，激光干涉仪9单元用于测量二维移动台垂直于干涉光场方向的运动距离，激光干涉仪9放置在与基于同轴干涉的波面测量系统的同一平台上。利用激光干涉仪9对垂直于干涉光场方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，可通过二维移动台本身的位置传感器得到。所述的反射镜10、干涉仪出射的激光与合束元件位于同一水平面，避免阿贝误差的影响。

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1，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3、4，光纤出射的球面波经过两套准直透镜5、6变成准平面波并相交在二维移动台8上。二维移动台8竖直放置于马赫曾德双光束干涉光场中，二维移动台8上固定基片调整架，以及激光干涉仪9(angilent，型号为5530，双频干涉仪)的反射镜10，反射镜10和基片调整架处于同一平面内。调节反射镜10和激光干涉仪9的入射激光，使测量方向与干涉条纹方向垂直。

所述的光探测器15，激光干涉仪9以及二维移动台通过控制器与一台计算机连接，并利用计算机指令实现对这些设备的同步控制。计算机在完成数据采集后，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。

上述所述的基于同轴干涉的波面测量系统测量方法，包括：

s1，无待测元件时利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差；

s2，将待测元件插入所述基于同轴干涉的波面测量系统中，使得测量光束通过待测元件，利用利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差；

s3，将s2和s1所得的测量结果相减，得到待测波面的绝对值。

其中，参见图3(a)，步骤s1包括：在未插入待测元件时，激光干涉仪9测量得到位移数据δx(t)，光探测器15记录相应的同轴干涉信号的光强信息i(t)，数据处理单元11通过位移数据δx(t)和光强信息i(t)计算得到对应位移变化的第一干涉光强变化曲线；数据处理单元11通过第一干涉光强变化曲线计算一段位移距离上的干涉光强变化次数，得到条纹的频率，利用相位差频率公式计算得到初始相位差；

参见图3(b)，步骤s2包括：将待测光学元件12插入测量光束时，激光干涉仪9测量得到位移数据δx’(t)，光探测器15记录相应的同轴干涉信号的光强信息i’(t)，数据处理单元11通过位移数据δx’(t)和光强信息i’(t)计算得到对应位移变化的第二干涉光强变化曲线；数据处理单元11通过第二干涉光强变化曲线计算一段位移距离上的干涉光强变化次数，得到条纹的频率，利用相位差频率公式计算得到待测相位差。

其中，条纹周期的倒数为频率，为了简便，考虑从频率域进行分析。在垂直于马赫曾德干涉光场条纹的方向上，马赫曾德双光束干涉形成的强度为：

i＝1+m*cos(2πf0x+φ1(x)-φ2(x))(i)

其中f0是干涉条纹的基频，m为调制度，当参考光和测量光的强度相等时m为最大值1，参考光和测量光的相位分别为φ1和φ2，定义干涉条纹的相位：

通过对式(2)求导得到与相位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可以得到干涉条纹的频率，因此，在一段扫描位移l上的平均频率为：

其中l表示测量周期时扫描的位移量，通过式(4)得到所述相位差频率公式为：

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。

当插入待测元件，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)-ф1(x)-φ0(x)(6)

初始相位差和待测相位差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：

l＝1mm，

于是可以得到：

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方法是可行的，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。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。