[发明专利]一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法

说明书

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λ/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λ/20～λ/50(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(λ＝0.6328μm)，光纤的纤芯直径为2.4μm(4λ)，数值孔径(NA)为0.3时的衍射球面偏差小于λ/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、被测球面镜、端面、成像镜头、CCD摄像机、计算机，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，形成第一测量波前；参考光纤端面被抛光成斜面并镀半透半反膜，上述第一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；