一种基于同轴干涉的波面测量系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了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，本发明专利技术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。

A wavefront measurement system based on coaxial interference

【技术实现步骤摘要】
一种基于同轴干涉的波面测量系统和方法
本专利技术涉及波面测量
，具体涉及一种基于同轴干涉的波面测量系统和方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述合束元件包括：半透半反镜，光栅或分束棱镜。5.根据权利要求3所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述光探测器是光电倍增管、CCD阵列或者雪崩二极管。6.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，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。7.根据权利要求3所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述激光干涉仪单元包...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾伟，周常河，王津，项长铖，谢永芳，薄启宇，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44