一种自适应干涉装置及其检测方法

本发明属于光学测量的，具体涉及一种自适应干涉装置及其检测方法。

背景技术：

1、对比于传统的球面和非球面，光学自由曲面对像差校正和控制光线方向有着更大的自由度，并且能够简化光学系统，使其结构更加紧凑的同时，具有更高的光学性能，因此它广泛地应用于极紫外光刻投影物镜等先进光学系统。在自由曲面低频面形的实现上，通常采用确定性面形精修的加工工艺，其难点在于能够指导加工的自由曲面面形高精度检测技术。如何扩大检测范围的同时，保证检测精度是自由曲面检测亟待解决的问题。

2、自干涉技术发展以来，它以精度高、操作简单等优点一直被当做光学检测技术的基准，然而其测量范围仅为λ/4，极大地限制了它在自由曲面检测领域的应用。为了充分利用干涉技术的高精度特性，测量自由曲面时在干涉装置中引入补偿器，虽然能实现自由曲面的高精度测量，但是每测量一个自由曲面，就需要一个补偿器，降低检测灵活性的同时，提高了检测成本。自由曲面定义的灵活性与传统补偿检测方法的专一性、现代光学系统高效率、低成本制造的需求与定制化的补偿检测模式矛盾如此之尖锐，以至于不得不重新审视传统干涉检测的理论与方法。

3、为了实现不同面形的灵活干涉检测，引入了可变补偿的思想，其中一种方法就是研制“一对多”补偿器，赋予干涉仪灵活适应不同参数自由曲面面形的能力，但是仍然存在补偿能力难以显著改善、可测范围相对较小、检测灵活性相对较差、造价高等缺陷。为了解决“一对多”补偿器的缺陷，自适应干涉仪发展起来，利用变形镜取代了补偿器，降低了检测成本，提高了检测灵活性。然而变形镜波像差的测量又成为了新的难题，如果采用干涉仪进行变形镜波像差的自标定，将极大地限制变形镜的变化范围，从而也限制了干涉仪的测量范围，如果采用哈特曼传感器、偏折法测量变形镜的波像差，那么变形镜波像差测量过程中引入的误差将会直接影响自由曲面的检测精度。另外，变形镜变化范围有限，导致传统自适应干涉仪测量范围依旧有限，不适合大偏离量自由曲面的检测。最后，针对自由曲面的在线检测还需要考虑到检测速度，目前很难有一种装置或方法能同时实现大范围、高精度、快速、低检测成本的自由曲面检测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种自适应干涉装置及其检测方法，以解决现有的干涉仪无法同时实现大范围、高精度、快速、低检测成本的自由曲面检测的问题。

2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、第一方面，一种自适应干涉装置，包括第二激光器；第二激光器发出的激光经第二扩束系统扩束；扩束光的传播路径上配置有第三分光棱镜；第三分光棱镜的反射路径的一侧上依次配置有光阑和第一标准平面反射镜；第三分光棱镜的透射路径上配置有偏振分光棱镜；偏振分光棱镜的透射路径上依次配置有可调波片和变形镜，偏振分光棱镜的反射路径上依次配置有第三聚焦透镜和待测自由曲面；第三分光棱镜的反射路径的另一侧上配置有第二分光棱镜；第二分光棱镜的反射路径上依次配置有成像镜头和第二面阵光电探测器；第二面阵光电探测器将采集到的干涉条纹光强信息传送至计算机。

4、进一步地，还包括第一激光器；第一激光器发出的激光经第一扩束系统扩束；扩束光的传播路径上配置有第一分光棱镜；第一分光棱镜的透射路径上配置有数字微镜器件；数字微镜器件的反射路径上配置有平面反射镜，平面反射镜的反射路径上依次配置有第一聚焦透镜、偏振片、第二分光棱镜和第三分光棱镜；第三分光棱镜的透射路径上配置有光阑，第三分光棱镜的反射路径上依次配置有偏振分光棱镜、可调波片和第二标准平面反射镜；

5、第一分光棱镜的反射路径上依次配置有第二聚焦透镜和第一面阵光电探测器；第一面阵光电探测器将采集到的光强信息传送至计算机。

6、进一步地，第二标准平面反射镜的后方配置有用于调整第二标准平面反射镜位置的第二压电陶瓷。

7、进一步地，第一标准平面反射镜的后方配置有用于调整第一标准平面反射镜位置的第一压电陶瓷。

8、进一步地，第一扩束系统和第二扩束系统均为连续变倍扩束镜，镀膜波长为450-680nm，扩束比为5×-10×，入射光斑直径为4mm。

9、第二方面，一种自适应干涉检测方法，包括以下步骤：

10、s1、打开第一激光器，调节光阑为遮光模式，关闭可调波片，第一激光器发出的光经第一扩束系统扩束，扩束光经第一分光棱镜部分透射，经数字微镜器件反射，然后经平面反射镜反射，经第一聚焦透镜准直，调节偏振片透射轴方向，使得准直光经偏振片变为p光，p光经第二分光棱镜部分透射；

11、s2、p光经第三分光棱镜部分反射，经偏振分光棱镜全部透射，p光经可调波片仍然透射p光，经第二标准平面反射镜反射；

12、s3、反射光经可调波片透射，经偏振分光棱镜全部透射，经第三分光棱镜部分反射，经第二分光棱镜部分透射，经偏振片、第一聚焦透镜后，经平面反射镜反射，再次经数字微镜器件反射，经第一分光棱镜部分反射，经第二聚焦透镜聚焦；

13、s4、翻转打开数字微镜器件中心的一个微镜当点光源构造小虚拟针孔，采用第一面阵光电探测器采集光强信息并送至计算机，得到小虚拟针孔对应的光强值；

14、s5、翻转打开数字微镜器件中心的多个微镜充当点光源构造大虚拟针孔，采用第一面阵光电探测器采集光强信息并送至计算机，得到大虚拟针孔对应的光强值；

15、s6、根据小虚拟针孔对应的光强值和大虚拟针孔对应的光强值，计算大小虚拟针孔的归一化差动光强：

16、s7、采用第二压电陶瓷等间隔移动第二标准平面反射镜，得到归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线；

17、s8、将第二标准平面反射镜替换为变形镜，关闭第一激光器，打开第二激光器，调节光阑为透光模式，调整可调波片为四分之一波片工作模式，第二激光器发出的光经第二扩束系统扩束，扩束光经第三分光棱镜分成透射光和反射光，其中，反射光作为参考光，透射光作为测试光；

18、s9、反射光经光阑后，经第二标准平面反射镜反射，经光阑透射；

19、s10、透射光经偏振分光棱镜透射p光，透射的p光第一次经可调波片变为圆偏振光，经变形镜反射后，圆偏振光改变旋向，然后第二次经可调波片变为s光；

20、s11、s光经偏振分光棱镜反射，经第三聚焦透镜聚焦照射待测自由曲面，经待测自由曲面反射后再次经第三聚焦透镜，经偏振分光棱镜反射，第三次经可调波片变为圆偏振光，经变形镜反射后改变旋向，第四次经可调波片变为p光，p光经偏振分光棱镜透射；

21、s12、经光阑透射的参考光和经偏振分光棱镜透射的测试光分别经第三分光棱镜部分透射和反射，然后共同经过第二分光棱镜部分反射，两束光干涉，成像镜头将干涉条纹成像在第二面阵光电探测器上；

22、s13、利用计算机并结合随机并行梯度算法驱动变形镜补偿像差，使得待测自由曲面和变形镜的综合面形在干涉仪的测量范围内，第二面阵光电探测器采集到稀疏的干涉条纹；

23、s14、驱动第一压电陶瓷移动第一标准平面反射镜进行相移得到四幅相移值分别为0，π/2，π及3π/2的干涉图，结合四步相移算法计算出待测自由曲面和变形镜的综合相位信息：

24、s15、根据待测自由曲面和变形镜的综合相位信息，计算出高度信息，该高度信息为待测自由曲面和变形镜的综合高度信息；

25、s16、关闭第二激光器，调节光阑为遮光模式，关闭可调波片，打开第一激光器，翻转打开数字微镜器件的微镜产生一系列大小虚拟针孔，采用第一面阵光电探测器分别采集一系列大小虚拟针孔对应的整个变形镜的光强信息，并送至计算机计算得到归一化差动光强信息，将计算得到的归一化差动光强信息与步骤s7中的归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线进行对比，获得变形镜变形后的高度信息；

26、s17、根据步骤s15中计算得到的待测自由曲面和变形镜的综合高度信息以及步骤s16中计算得到的变形镜变形后的高度信息，计算待测自由曲面的面形高度信息，完成待测自由曲面面形的检测。

27、进一步地，步骤s6中计算大小虚拟针孔的归一化差动光强，包括：

28、

29、其中，γ为大小虚拟针孔的归一化差动光强，ilarge为大虚拟针孔对应的光强值，ismall为小虚拟针孔对应的光强值。

30、进一步地，步骤s14中计算待测自由曲面和变形镜的综合相位信息，包括：

31、

32、其中，为待测自由曲面和变形镜的综合相位信息，ii为四幅相移值分别为0，π/2，π及3π/2的干涉图的光强分布，i＝1,2,3,4。

33、进一步地，步骤s15中根据待测自由曲面和变形镜的综合相位信息，计算高度信息h：

34、

35、其中，λ为第二激光器发出的激光的波长；

36、该高度信息为待测自由曲面和变形镜的综合结果：

37、h＝2ht+4hdm

38、其中，ht为待测自由曲面的高度信息，hdm为变形镜的高度信息。

39、进一步地，步骤s17中计算待测自由曲面的面形高度信息，包括：

40、

41、本发明提供的自适应干涉装置及其检测方法，具有以下有益效果：

42、1、本发明的自适应干涉装置将自适应干涉测量技术、差动共焦显微测量技术结合起来，并引入偏振分光棱镜、可变波片和数字微镜器件，同时满足了自由曲面的大范围、高精度、快速、低检测成本的检测需求。

43、2、本发明的自适应干涉装置中的变形镜取代了补偿器降低了干涉仪的检测成本；自适应干涉装置引入偏振分光棱镜和可变波片双倍利用了变形镜对波像差的调控范围，增大了干涉仪的检测范围，将高精度、大范围的差动共焦显微测量技术引入自适应干涉装置，从而实现对变形镜的标定，保障了自适应干涉装置的整体检测精度，同时极大地提升了其检测范围；采用数字微镜器件形成大小虚拟针孔实现变形镜全域差动共焦显微测量，极大地提升了检测速度。

44、3、本发明的自适应干涉检测方法，通过引入变形镜实现了自适应干涉，降低了检测成本。

45、4、本发明的自适应干涉检测方法，通过引入激光光源和数字微镜器件实现差动共焦显微测量，从而实现了变形镜的高精度、快速标定，解决了自适应干涉仪中变形镜变化范围受限、检测精度低的难题。

46、5、本发明将自适应干涉技术、差动共焦显微技术、偏振分光棱镜、可变波片和数字微镜器件结合，形成了适合自由曲面面形检测的大范围、高精度、快速、低检测成本的光学检测技术，为自由曲面的高精度检测提供一种新的有力工具。