专利名称：一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法
技术领域：
本发明的一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，属于光学测 量技术领域。
背景技术：
当前光学球面面形测量的主要技术手段是激光数字波面移相干涉仪，代表性
的如美国ZYGO和WYKO公司的相关产品。这类仪器都使用标准球面镜头来产 生参考球面波，但由于光学加工和装配的影响，其参考球面的像差一般都大于 A/50，无法进一步减小，这直接导致其球面面形的测量准确度只能达到Ay20 V50 (波长为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。
提高干涉法球面面形测量精度的关键在于寻找高精度的参考球面波，借助 于小孔点衍射产生近似理想的球面波前是一个可行的方法。而用柔性光纤纤芯 的端面代替小孔就构成了光纤点衍射干涉仪。光纤芯径的大小决定了衍射光的 数值孔径和偏离球面波的误差。理论计算表明，若采用He-Ne激光器(A =0.6328 um)，光纤的纤芯直径为2.4um(4A)，数值孔径(NA)为0.3时的衍射球面偏 差小于入/104。可见点衍射参考球面波的精度比实物镜头产生的参考球面精度高 200倍以上。对实际测量而言，其参考球面可视为理想波面，采用光纤点衍射干 涉法将提高球面面形的测量准确度。
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 法直接应用于凸球面测量。只有汇聚的参考球面波才可直接应用于凸球面测量， 由于汇聚球面波通过焦点后的波前是发散的，故汇聚球面波也可以用来测量凹 球面。
要用点衍射方法同时实现凹球面和凸球面的测量，首先必须通过中继光学 系统将发散的点衍射波前变换为汇聚的球面波前。使用辅助正透镜虽然可以完 成波面变换，但正透镜本身的像差无疑给球面面形的测量引入了误差。要得到 准确的球面面形测量结果，就必须准确测量辅助正透镜引入的像差并对测量结 果进行修正。既有的光纤点衍射干涉方法测量凹球面的面形时，是将光纤衍射波前的一 部分作为测量光束，而取衍射波前的另一部分作为参考光束。由于无法利用到 光纤的全部有效衍射孔径，因而限制了可测球面的口径。
发明内容
本发明的目的是为了解决普通光纤点衍射移相干涉测量方法只能检测凹球 面而不能检测凸球面，以及测量的球面口径小的问题，提出了一种光学球面面 形的光纤点衍射移相干涉测量方法。
本发明通过引入一个辅助正透镜对发散的点衍射波前进行变换，以实现在 同一套装置上完成凸球面和凹球面的测量。球面面形测量过程分为两步首先 测量包含被测球面与中继光学系统的波差，然后单独测量中继光学系统的像差。 两步测量都使用接近理想的点衍射球面波作为参考波前，以确保每次测量的准 确度。被测球面的面形可以由两步测量结果相减得到。
本发明中为了利用光纤产生的全部有效衍射孔径，本发明将参考光纤的端 面抛光成一定角度斜面，并以该倾斜端面代替反射镜。使得当测量光以一定入 射角度入射到参考光纤端面时，反射的测量光正好与参考光纤衍射的参考球面 波汇合而发生干涉。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，实现该方法 的测量装置包括分光系统、测量光纤、参考光纤、分光棱镜、辅助正透镜、凸 面镜、端面、成像镜头、CCD摄像机、计算机、平面反射镜和凹面镜，被测球 面镜为凸面镜或凹面镜，被测球面镜球心置于辅助正透镜的焦点处；分光系统 包括激光器、可调中性密度滤光片、波片、偏振分束镜、直角棱镜、1/2波片、 1/4波片、压电陶瓷、偏振片和显微物镜，
本发明的一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，其具体实施 步骤如下
第一步从分光系统进入测量光纤并发生衍射的球面波通过分光棱镜反射 到辅助正透镜，被变换为汇聚的球面波前；上述汇聚球面波前在被测球面镜的 表面反射，反射波前携带了被测球面镜的面形信息；上述反射波前通过辅助正透镜，透过分光棱镜汇聚到参考光纤端面，形成测量波前；参考光纤端面被抛 光成斜面并镀半透半反膜，上述测量波前在参考光纤端面作镜向反射，反射的 测量波前与参考光纤自身衍射的高精度球面波前汇合而发生干涉；干涉图采用 标准方法进行处理和分析；
第二步移除被测球面镜，保持其他光学元件原位不动，在辅助正透镜的 焦点处放置平面反射镜；由测量光纤衍射的球面波通过分光棱镜反射到辅助正 透镜，被变换为汇聚的球面波前；该汇聚球面波前被上述平面反射镜反射，反 射波前通过辅助正透镜，透过分光棱镜，汇聚到参考光纤端面，形成测量波前； 参考光纤端面被抛光成斜面并镀半透半反膜，上述测量波前在参考光纤端面作 镜向反射，反射的测量波前与参考光纤自身衍射的高精度球面波前汇合而发生 干涉；干涉图采用标准方法进行处理和分析。
从第一步测量结果中减去第二步测量结果即得到被测球面镜的波差；将该 波差除以2即得到被测球面镜的面形。
有益效果
本发明的方法在同一台装置上实现了凸球面和凹球面的面形测量，解决了普 通点衍射干涉仪只能测量凹球面而无法测量凸球面的难题。同时由于利用了测 量光纤和参考光纤点衍射产生的全部有效衍射孔径，因而可以用于大相对孔径 球面面形的测量，解决了常规点衍射干涉仪的球面测量口径有限的难题。
本发明的凸球面和凹球面测量都分为两步来实现，两步测量都利用了接近理 想的点衍射球面波作为参考波前，能够保证两次干涉测量的高精度，也就能够 保证最终球面面形测量结果的精度。
图1为凸球面的光纤点衍射移相干涉测量示意图2为中继光学系统像差的光纤点衍射移相干涉测量示意图3为凹球面的光纤点衍射移相干涉测量示意图4为参考光纤的端面形状及波前示意其中，l-激光器、2-可调中性密度滤光片、3-1/2波片、4-偏振分束镜、5-
5直角棱镜、6-直角棱镜、7-1/4波片、8-1/4波片、9-压电陶瓷、10-偏振片、11-偏振片、12-显微物镜、13-显微物镜、14-测量光纤、15-参考光纤、16-分光棱镜、 17-辅助正透镜、18-凸面镜、19-端面、20-成像镜头、21-CCD摄像机、22-计算 机、23-平面反射镜、24-凹面镜、25-插芯、26-衍射光束轴线、27-端面法线、28-测量光束、29-测量光束、30-衍射波前、31-轴线。
具体实施例方式
在上述测量方法的基础上，通过引入常规的移相器件和使用偏振光的光强调 整方案(如图1、图2、图3所示)，实现了一种用于球面面形测量的光纤点衍 射移相干涉测量方法。
实施例1
本发明的凸球面测量方法如下
第一步如图1所示从激光器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)， 一束反射(参考光)。当这两
束线偏光分别被直角棱镜5和直角棱镜6反射回偏振分束镜4时已两次经过1/4 波片7和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，而 先前的反射光束将透射。这其中的测量光束通过压电陶瓷9实现移相。从偏振 分束镜4出射的两束正交偏振光分别通过偏振片10、偏振片11调整其偏振方向， 然后再通过显微物镜12、显微物镜13分别耦合到测量光纤14和参考光纤15。 从测量光纤14另一端衍射的球面波通过分光棱镜16反射到辅助正透镜17，被 变换为汇聚的球面波前。由于被测凸面镜18的球心位于辅助正透镜17的焦点 处，汇聚球面波将在被测凸面镜18的表面反射。携带被测凸面镜18面形信息 的反射波前沿原光路返回，通过辅助正透镜17，并透过分光棱镜16汇聚到参考 光纤15的端面19，形成测量波前。由于参考光纤15的端面19被抛光成斜面并 镀半透半反膜，测量波前将在参考光纤15的端面19作镜向反射，反射的测量 波前(如图中虚线所示)与参考光纤15自身衍射的高精度球面波前(如图中实 线所示)汇合而发生干涉。通过计算机22控制压电陶瓷9实现步长为7t/2的移 相，移相干涉图通过成像镜头20被CCD摄像机21接收，送入计算机22按标
6准方法(4步或5步移相算法)进行处理分析。图5中通过旋转1/2波片3和偏 振片IO、 11可以调整参考光与测量光的相对强度，以达到最佳的条纹对比度。 显然，该步测量结果不仅包含有被测凸面镜18的波差，还包含有辅助正透镜17、 分光棱镜16及参考光纤15的端面19粗糙度所带入的波前误差，第二步将测量 这些中继光学系统引入的像差。
第二步如图2所示移除被测凸面镜18，并保持其他光学元件原位不动， 在辅助正透镜17的焦点处放置平面反射镜23，由测量光纤14衍射的球面波通 过分光棱镜16反射到辅助正透镜17，被变换为汇聚的球面波前。该汇聚球面波 前被平面反射镜23反射，反射波前通过辅助正透镜17，透过分光棱镜16，汇 聚到参考光纤15的端面19，形成测量波前。由于参考光纤15的端面19被抛光 成斜面并镀半透半反膜，测量波前将在参考光纤15的端面19作镜向反射，反 射的测量波前(如图中虚线所示)与参考光纤15自身衍射产生的高精度球面波 前(如图中实线所示)汇合而发生干涉。通过计算机22控制压电陶瓷9实现步 长为7c/2的移相，移相干涉图通过成像镜头20被CCD摄像机21接收，送入计 算机22按标准方法(4步或5步移相算法)进行处理分析。由于第二步测量的 光路与第-步基本一致，故该步测量可以得到所有中继光学系统引入的像差。
从第一步测量结果中减去第二步测量得到的中继光学系统像差即可得到被 测凸面镜18的波差，要得到被测凸面镜18的面形，只需将被测凸面镜18的波 差除以2即可。
实施例2
本发明的凹球面测量方法如下
第一步如图3所示从激光器l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)， 一束反射(参考光)。当这两 束线偏光分别被直角棱镜5和6反射回偏振分束镜4时已两次经过1/4波片7和 8，其偏振方向各自改变90度，先前的透射光束将反射，而先前的反射光束将 透射。这其中的测量光束通过压电陶瓷9实现移相。从偏振分束镜4出射的两 束正交偏振光分别通过偏振片10、 11调整其偏振方向，然后再通过显微物镜12、13分别耦合到测量光纤14和参考光纤15。从测量光纤14另一端衍射的球面波通过分光棱镜16反射到辅助正透镜17，被变换为汇聚的球面波前。由于被测凹面镜24的球心位于辅助正透镜17的焦点处，汇聚球面波通过辅助正透镜17的焦点继续传播并在被测M面镜24的表面反射。携带被测凹面镜24面形信息的反射波前沿原光路返回，通过辅助正透镜17，并透过分光棱镜16汇聚到参考光纤15的端面19，形成测量波前。由于参考光纤15的端面19被抛光成28°斜面并镀半透半反膜，测量波前将在参考光纤15的端面19作镜向反射，反射的测量波前(如图中虚线所示)与参考光纤15自身衍射的高精度球面波前(如图中实线所示)汇合而发生干涉。通过计算机22控制压电陶瓷9实现步长为7t/2的移相，移相干涉图通过成像镜头20被CCD摄像机21接收，送入计算机22按标准方法(4步或5步移相算法)进行处理分析。图7中通过旋转1/2波片3和偏振片10、 11可以调整参考光与测量光的相对强度，以达到最佳的条纹对比度。显然，该步测量结果不仅包含有被测凹面镜24的波差，还包含有辅助正透镜17、分光棱镜16及参考光纤15的端面19粗糙度所带入的波前误差，第二歩将测量这些中继光学系统引入的像差。
第二步如图2所示移除被测凹面镜24，并保持其他光学元件原位不动，在辅助正透镜17的焦点处放置平面反射镜23，由测量光纤14衍射的球面波通过分光棱镜16反射到辅助正透镜17，被变换为汇聚的球面波前。该汇聚球面波前被平面反射镜23反射，反射波前通过辅助正透镜17，透过分光棱镜16，汇聚到参考光纤15的端面19，形成测量波前。由于参考光纤15的端面19被抛光成28。斜面并镀半透半反膜，测量波前将在参考光纤15的端面19作镜向反射，反射的测量波前(如图中虚线所示)与参考光纤15自身衍射的高精度球面波前(如图中实线所示)汇合而发生干涉。通过计算机22控制压电陶瓷9实现步长为兀/2的移相，移相干涉图通过成像镜头20被CCD摄像机21接收，送入计算机22按标准方法(4步或5步移相算法)进行处理分析。由于第二步测量的光路与第一步基本一致，故该步测量可以得到所有中继光学系统引入的像差。
从第一步测量结果中减去第二步测量得到的中继光学系统像差即可得到被测凹面镜24的波差，要得到被测凹面镜24的面形，只需将被测凹面镜24的波差除以2即可。光纤端面角度的计算方法光纤15的端面19的形状及波前如图4所示
参考光纤15的端面19连带插芯25被整体抛光成角度为《的斜面，端面19镀有半透半反膜。其中参考光纤15的轴线31与端面法线27夹角为a，参考光纤15的衍射光束轴线26与参考光纤15的端面法线27夹角为(3，根据折射定律，并取空气折射率为1，有
wsina = sin/
取参考光纤15的纤芯折射率为!!=1.5，若想得到p二45。的折射角，由上式可计算出参考光纤15端面19的倾斜角度为a-28°。即当参考光纤15的端面19抛光成28。斜面时，携带被测球面面形信息的测量光束28以45。角入射到参考光纤15的端面19，其反射的测量光束29将折转90°，恰好与参考光纤15的衍射波前30重合而产生干涉。
9
权利要求
1、一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，实现该方法的测量装置包括分光系统、测量光纤(14)、参考光纤(15)、分光棱镜(16)、辅助正透镜(17)、凸面镜(18)、端面(19)、成像镜头(20)、CCD摄像机(21)、计算机(22)、平面反射镜(23)和凹面镜(24)，被测球面镜为凸面镜(18)或凹面镜(24)，其特征在于被测球面镜球心置于辅助正透镜(17)的焦点处；第一步从分光系统进入测量光纤(14)并发生衍射的球面波通过分光棱镜(16)反射到辅助正透镜(17)，被变换为汇聚的球面波前；上述汇聚球面波前在被测球面镜的表面反射，反射波前携带了被测球面镜的面形信息；上述反射波前通过辅助正透镜(17)，透过分光棱镜(16)汇聚到参考光纤(15)端面(19)，形成测量波前；参考光纤(15)端面(19)被抛光成28°斜面并镀半透半反膜，上述测量波前在参考光纤(15)端面(19)作镜向反射，反射的测量波前与参考光纤(15)自身衍射的高精度球面波前汇合而发生干涉；干涉图采用标准方法进行处理和分析；第二步移除被测球面镜，保持其他光学元件原位不动，在辅助正透镜(17)的焦点处放置平面反射镜(23)；由测量光纤(14)衍射的球面波通过分光棱镜(16)反射到辅助正透镜(17)，被变换为汇聚的球面波前；该汇聚球面波前被上述平面反射镜(23)反射，反射波前通过辅助正透镜(17)，透过分光棱镜(16)，汇聚到参考光纤(15)端面(19)，形成测量波前；上述测量波前在参考光纤(15)端面(19)作镜向反射，反射的测量波前与参考光纤(15)自身衍射的高精度球面波前汇合而发生干涉；干涉图采用标准方法进行处理和分析；第一步测量结果减去第二步测量结果即得到被测球面镜的波差；将该波差除以2即得到被测球面镜的面形。
全文摘要
本发明的一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，属于光学测量技术领域。首先测量光纤衍射的球面波通过分光棱镜反射到辅助正透镜，被变换为汇聚球面波并在被测球面的表面反射，携带被测球面信息的反射波前通过辅助正透镜、透过分光棱镜汇聚到参考光纤端面，形成测量波前；移走被测球面，其他光学元件保持不动，在辅助正透镜焦点处放置平面反射镜，用同样方法可测量辅助正透镜、分光棱镜及参考光纤端面粗糙度所带入的像差。本发明的凸球面和凹球面测量都分为两步来实现，两步测量都利用了接近理想的点衍射球面波作为参考波前，能够保证两次干涉测量的高精度，也就能够保证最终球面面形测量结果的精度。
文档编号G01B11/24GK101672632SQ200910235650
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者任雅青, 朔 吴, 沙定国, 陈凌峰 申请人:北京理工大学