專利名稱：可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)。
背景技術：
隨著光學成像以及光學加工要求的不斷提高，對于球面等光學面形的檢測精度也 提出了更高的要求。在斐索干涉儀及泰曼-格林干涉儀等干涉檢測系統(tǒng)中，都需要由一個 具有較高面形精度的光學元件獲得一參考波面，進而與含有待測面形信息的檢測波面進行 比較，由此得到待測面形數(shù)據(jù)。因而，參考元件的面形精度直接限制了傳統(tǒng)干涉系統(tǒng)所能實 現(xiàn)的檢測精度。目前一些諸如美國的ZYGO和WYKO等商業(yè)干涉儀，由于受參考面形精度的限 制，其面形檢測精度PV值也只能達到λ /20 λ /50 (光波長λ —般為632. 8nm)。因而， 由參考面形得到參考波面的干涉檢測方法難以滿足超精密球面光學元件的面形檢測需求。點衍射干涉儀則利用小孔衍射來獲取理想的球面波，并將衍射波前的一部分作為 參考波前，另一部分作為檢測波前，進而可實現(xiàn)球面面形的高精度檢測，這是一種可行的方 法。利用小孔衍射原理獲得理想球面波前，避免了使用實際的參考面形，并可以達到衍射極 限性能的分辨率。若將衍射波前對應的光強設為1，則對應的參考光強也為1 ；對于拋光加 工過程中的低反射率待測球面而言，其反射率只有4%左右，則經(jīng)其反射后得到的檢測光強 也就僅有0.04，因此產(chǎn)生干涉的參考光和檢測光的光強比僅約為1 0.04，進而導致得到 干涉條紋的對比度較差。干涉條紋對比度不理想給條紋的處理帶來了困難，甚至會降低檢 測精度。針孔點衍射法中的衍射針孔可以加工到亞微米量級甚至更小的尺寸，由此可獲得 大數(shù)值孔徑范圍內(nèi)的理想衍射球面波前，進而可應用于數(shù)值孔徑為0. 65等大數(shù)值孔徑球 面的高精度檢測。但在目前國內(nèi)外已公開的針孔點衍射干涉檢測技術中，都未能實現(xiàn)干涉 條紋對比度的可調(diào)，并且對于低反射率球面面形的測量，主要是通過在待測面形上鍍?nèi)?膜的方法，以得到理想的干涉條紋對比度。而對于仍處于拋光加工階段的光學球面元件的 在線檢測要求而言，對其進行鍍膜處理是一個不可取的方法。因此，在針孔點衍射干涉檢測 系統(tǒng)中，針對任意大小數(shù)值孔徑的低反射率待測球面，在保證檢測精度的同時，實現(xiàn)干涉條 紋對比度可調(diào)，這也是一個難點，而利用本發(fā)明所提出的可用于低反射率光學球面面形檢 測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)，則很好的解決了該問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有針孔點衍射干涉儀難以實現(xiàn)干涉條紋對比度可調(diào)的問 題，提供一種可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)?？捎糜诘头瓷渎使鈱W球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)包括線偏振激光器、二 分之一波片、準直擴束系統(tǒng)、顯微物鏡、衍射掩膜板、四分之一波片、待測球面、壓電微位移 器、準直透鏡、檢偏器、成像透鏡、探測器；線偏振激光器經(jīng)二分之一波片調(diào)節(jié)得到線偏振 光，再經(jīng)準直擴束系統(tǒng)產(chǎn)生平行光，經(jīng)顯微物鏡會聚到衍射掩膜板的衍射針孔上，衍射球面
3波前的其中一部分作為參考波前W1，另一部分作為檢測波前W2，檢測波前W2通過一快軸方 向與χ軸成45°夾角的四分之一波片后經(jīng)待測球面反射，反射光波再次通過四分之一波片 后得到偏振方向與參考波前Wl垂直的線偏振光波前W2'，再經(jīng)衍射掩膜板上的金屬反射 膜層反射，得到檢測波前W2"，參考波前Wl和檢測波前W2"經(jīng)準直透鏡后變?yōu)槠矫娌?，?經(jīng)檢偏器后產(chǎn)生干涉，經(jīng)成像透鏡在探測器上得到干涉條紋，通過調(diào)節(jié)檢偏器透光軸方向， 即可調(diào)整檢測光和參考光之間的相對光強，進而實現(xiàn)干涉條紋對比度可調(diào)；利用壓電微位 移器對待測球面進行多步移相測量，即可實現(xiàn)待測球面面形的高精度測量。所述的四分之一波片為真零級四分之一波片，真零級四分之一波片包括平凸玻璃 基底和粘合于平凸玻璃基底的平面上的波片薄膜兩部分。所述的平凸玻璃基底的誤差校正方法為利用可達微米量級調(diào)整精度的平移臺， 移動四分之一波片和待測球面，調(diào)節(jié)四分之一波片S6到衍射針孔的距離Ll和待測球面S7 到衍射針孔的距離L2，直至觀察到檢測系統(tǒng)中干涉條紋形狀變化至直條紋，然后利用光線 追跡方法得到平凸玻璃基底所引入的波前像差數(shù)據(jù)WP，并將其作為系統(tǒng)誤差存儲于數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)中，進而在實際測量中對其進行校正。所述的波片薄膜的誤差校正方法為根據(jù)光線追跡方法得到波片薄膜對不同入射 方向光線所引入的相位延遲量，進而得到對應的偏振像差分布Ws，并將其作為系統(tǒng)誤差存 儲于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，在實際測量中對其進行校正，即W0 = W-Wp-Ws式中，W為實際測得的波前數(shù)據(jù)，W1^PWs分別為四分之一波片S6的平凸玻璃基底 所引入波前像差數(shù)據(jù)和波片薄膜部分所引入的偏振像差，W。為消除四分之一波片S6所引入 波前像差影響后的待測球面波前數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過引入偏振光學元件，利用對光束偏振態(tài)的變換調(diào)整，實現(xiàn)整個球面面 形檢測系統(tǒng)干涉條紋的對比度可調(diào)，進而可應用于低反射率球面面形的高精度檢測；并且 該用于球面面形檢測的點衍射干涉儀結(jié)構簡單、易于裝配，為球面面形的高精度檢測提供 了一種簡單可行的檢測方法。


圖1是用于光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)示意圖。圖2是點衍射掩膜板結(jié)構示意圖。圖3是檢測光路中的四分之一波片結(jié)構示意圖。圖4是檢測光路中四分之一波片的平凸玻璃基底引入波前像差。圖5是檢測光路中四分之一波片的波片薄膜引入偏振像差。圖中線偏振激光器Si、二分之一波片S2、準直擴束系統(tǒng)S3、顯微物鏡S4、衍射掩 膜板S5、四分之一波片S6、待測球面S7、壓電微位移器S8、準直透鏡S9、檢偏器S10、成像透 鏡S11、探測器S12。
具體實施例方式如圖1所示，可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)，包括線 偏振激光器Si、二分之一波片S2、準直擴束系統(tǒng)S3、顯微物鏡S4、衍射掩膜板S5、四分之
4一波片S6、待測球面S7、壓電微位移器S8、準直透鏡S9、檢偏器S10、成像透鏡S11、探測器 S12 ；線偏振激光器Sl經(jīng)二分之一波片S2調(diào)節(jié)得到線偏振光，再經(jīng)準直擴束系統(tǒng)S3產(chǎn)生平 行光，經(jīng)顯微物鏡(S4)會聚到衍射掩膜板S5的衍射針孔上。其中，衍射掩膜板S5的結(jié)構如 圖2所示，通過在玻璃基底S5a上鍍金屬反射膜層S5b，并利用會聚離子束蝕刻法(Focused Ion Beam Etching,FIBE)在金屬膜層S5b上加工一個圓度較為理想的衍射針孔S5c。圖1 中，來自顯微物鏡S4的會聚波前經(jīng)衍射針孔后會得到較為理想的衍射球面波前。衍射球面 波前的其中一部分作為參考波前W1，另一部分作為檢測波前W2，檢測波前W2通過一快軸方 向與χ軸成45°夾角的四分之一波片S6后經(jīng)待測球面S7反射，反射光波再次通過四分之 一波片S6后得到偏振方向與參考波前Wl垂直的線偏振光波前W2'，再經(jīng)衍射掩膜板S5上 的金屬反射膜層反射，得到檢測波前W2"(如圖2所示)，參考波前Wl和檢測波前W2"經(jīng) 準直透鏡S9后變?yōu)槠矫娌?，再?jīng)檢偏器SlO后產(chǎn)生干涉，經(jīng)成像透鏡Sll在探測器S12上得 到干涉條紋，通過調(diào)節(jié)檢偏器SlO透光軸方向，即可調(diào)整檢測光和參考光之間的相對光強， 進而實現(xiàn)干涉條紋對比度可調(diào)；利用壓電微位移器S8對待測球面(S7)進行多步移相測量， 即可實現(xiàn)待測球面S7面形的高精度測量。在可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)中，針對待測球面具 有較低反射率的情況，為實現(xiàn)干涉條紋對比度可調(diào)的功能，在光路引入偏振光學元件以實 現(xiàn)光束偏振態(tài)的變換，并通過調(diào)節(jié)檢偏器的透光軸方向，即可調(diào)整檢測光和參考光之間的 相對光強，進而達到調(diào)整干涉條紋對比度的目的。其中光源前的二分之一波片S2主要是實 現(xiàn)光束的光矢量方向的調(diào)整；檢測光路中的四分之一波片S6主要是對衍射球面波前的檢 測波前部分的偏振態(tài)進行變換，并且其快軸方向與χ軸成45°夾角，檢測波前在經(jīng)待測球 面反射前后共兩次經(jīng)過四分之一波片，其偏振態(tài)變?yōu)槠穹较蚺c參考波前(即針孔衍射球 面波前)相垂直的線偏振光；位于成像透鏡Sll和準直透鏡S9之間的檢偏器SlO可用于調(diào) 節(jié)干涉條紋的對比度，通過調(diào)整其透光軸方向，可調(diào)整參考光和檢測光的相對光強，進而實 現(xiàn)干涉條紋的對比度可調(diào)?？捎糜诘头瓷渎使鈱W球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)在檢測光路中采用了 四分之一波片S6，而對于發(fā)散的球面檢測波前而言，在四分之一波片S6不同入射方向上的 光線會引入不同的相位延遲量，進而引入偏振像差。該偏振像差的分布除了與各方向光線 的入射角有關外，還同時取決于入射光線相對波片快(慢)軸的方位角。為減小檢測光路 中四分之一波片S6對于球面波前的影響，所述的四分之一波片S6為真零級四分之一波片， 這是因為真零級波片具有延遲量對波長敏感度低、溫度穩(wěn)定性高、接受有效角度大等諸多 優(yōu)點。真零級波片通常是由波片薄膜粘合在平板玻璃基底上，但對于球面發(fā)散波前而言，平 板玻璃基底會引入較大的波前像差。為減小檢測光路中波片的玻璃基底對球面發(fā)散波前所 引入的像差，將玻璃基底加工成平凸玻璃基底。圖3所示為可用于低反射率光學球面面形 檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)檢測光路中四分之一波片S6的結(jié)構示意圖，圖中的真零級四 分之一波片包括平凸玻璃基底和粘合于平凸玻璃基底的平面上的波片薄膜兩部分。檢測光路中四分之一波片S6的平凸玻璃基底的誤差校正方法為利用可達微米 量級調(diào)整精度的平移臺，移動四分之一波片S6和待測球面S7，調(diào)節(jié)四分之一波片S6到衍射 針孔的距離Ll和待測球面S7到衍射針孔的距離L2，直至觀察到檢測系統(tǒng)中干涉條紋形狀 變化至直條紋，然后利用光線追跡方法得到平凸玻璃基底所引入的波前像差數(shù)據(jù)WP，并將
5其作為系統(tǒng)誤差存儲于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，進而在實際測量中對其進行校正。檢測光路中四分之一波片S6的波片薄膜的誤差校正方法為根據(jù)光線追跡方法 得到波片薄膜對不同入射方向光線所引入的相位延遲量，進而得到對應的偏振像差分布 Ws，并將其作為系統(tǒng)誤差存儲于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，在實際測量中對其進行校正，即W0 = W-Wp-Ws式中，W為實際測得的波前數(shù)據(jù)，Wp和Ws分別為四分之一波片S6的平凸玻璃基底 所引入波前像差數(shù)據(jù)和波片薄膜部分所引入的偏振像差，W。為消除四分之一波片S6所引入 波前像差影響后的待測球面波前數(shù)據(jù)。實施例實施例中被測球面S7是一曲率半徑為180mm、數(shù)值孔徑(NA)為0. 65的球面。線 偏振激光器Sl經(jīng)二分之一波片S2得到線偏振光，并經(jīng)準直擴束系統(tǒng)S3產(chǎn)生平行光，經(jīng)倍 率為20 X、NA為0. 4顯微物鏡S4會聚到衍射掩膜板S5的衍射針孔上，得到較為理想的衍 射球面波前。其中圖2所示的衍射掩膜板采用的是石英玻璃基底S5a，在其上鍍一厚度為 200nm的鉻金屬反射膜S5b (對應632. Snm波長的折射率為2. 65+3 )，并利用會聚離子束蝕 刻法(Focused Ion Beam Etching，F(xiàn)IBE)在金屬膜層上加工一個圓度較為理想的衍射針孔 S5c，其直徑取為0. 5μπι。由標量衍射理論可知，直徑為0. 5μπι的衍射針孔能實現(xiàn)可測球面 的最大NA高于0. 75，因而可滿足本實施例中NA為0. 65的球面測量。針孔衍射球面波前的其中一部分作為參考波前W1，另一部分作為檢測波前W2。檢 測波前W2通過一快軸方向與χ軸成45°夾角的四分之一波片S6后經(jīng)待測球面S7反射，并 再次經(jīng)過四分之一波片S6，得到的檢測波前W2'為一偏振方向與參考波前Wl相垂直的線 偏振光。為減小檢測光路中四分之一波片S6對于球面發(fā)散波前的影響，四分之一波片S6 為真零級四分之一波片，對應的雙折射材料為石英晶體，對應于632. 8nm光波長的情況，其 n0 = 1. 54264,ne = 1. 55170。同時，為減小四分之一波片S6的玻璃基底對球面發(fā)散波前所 引入的像差，將玻璃基底設計為凸面的曲率半徑為353. 802mm、中心厚度取為2mm的K9玻璃 材料的平凸玻璃基底，并且將凸面朝向衍射針孔，其中四分之一波片S6的波片薄膜粘合在 平凸玻璃基底的平面上，如圖3所示。檢測波前W2'經(jīng)衍射掩膜板S5上金屬反射膜層S5b反射后得到檢測波前 W2"(如圖2所示)，檢測波前W2"和參考波前Wl經(jīng)準直透鏡S9后變換為平面波，再經(jīng)過 檢偏器SlO后產(chǎn)生干涉，通過成像透鏡Sll在探測器S12上得到干涉條紋。通過調(diào)節(jié)檢偏器 SlO透光軸的方向，可調(diào)節(jié)參考光和檢測光之間的相對光強，進而可實現(xiàn)干涉條紋對比度的 調(diào)整。利用壓電微位移器S8對待測球面S7進行多步移相測量，即可實現(xiàn)待測球面S7面形 的高精度測量。利用可達微米量級調(diào)整精度的平移臺，移動檢測光路中的四分之一波片S6和待 測球面S7，調(diào)節(jié)四分之一波片S6到衍射針孔的距離Ll和待測球面S7到衍射針孔的距離 L2,同時觀察檢測系統(tǒng)中干涉條紋的變化，當四分之一波片S6到衍射針孔的距離Ll和待測 球面S7到衍射針孔的距離L2調(diào)節(jié)至檢測要求所需的距離時，可以觀察到干涉直條紋，否則 條紋就會彎曲。當四分之一波片S6到衍射針孔的距離Ll和待測球面S7到衍射針孔的距 離L2分別調(diào)節(jié)至IOmm和180. 267mm時，可觀察檢測系統(tǒng)中干涉條紋為直條紋，利用光線追 跡方法得到四分之一波片S6的平凸玻璃基底對檢測波前所引入波前像差分布如圖4所示，
6其中波長λ為632.8nm。由圖4可知，四分之一波片S6中平凸玻璃基底引入的波前像差 RMS 值為 0. 002 λ。而四分之一波片S6中的波片薄膜對于發(fā)散的檢測波前在不同入射方向上會引入 不同相位延遲量，進而引入偏振像差，且該像差的分布除了與各方向光線的入射角有關外， 還同時取決于入射光線相對波片快(慢)軸的方位角。根據(jù)光線追跡方法，得到四分之一 波片S6的波片薄膜對檢測波前所引入的偏振像差如圖5所示。由圖5可知，四分之一波片 S6中波片薄膜引入的偏振像差RMS值為0. 008 λ。在高精度球面面形檢測中，可將檢測光路中四分之一波片S6的平凸玻璃基底以 及波片薄膜對檢測波前引入的像差分布作為系統(tǒng)誤差儲存于處理系統(tǒng)中，在后續(xù)處理中對 其進行校正。利用該檢測系統(tǒng)對待測球面S7進行測量，測量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存儲存校 正后，可實現(xiàn)RMS值優(yōu)于0.0003 λ的面形檢測精。
權利要求
一種可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉系統(tǒng)，其特征在于包括線偏振激光器(S1)、二分之一波片(S2)、準直擴束系統(tǒng)(S3)、顯微物鏡(S4)、衍射掩膜板(S5)、四分之一波片(S6)、待測球面(S7)、壓電微位移器(S8)、準直透鏡(S9)、檢偏器(S10)、成像透鏡(S11)、探測器(S12)；線偏振激光器(S1)經(jīng)二分之一波片(S2)調(diào)節(jié)得到線偏振光，再經(jīng)準直擴束系統(tǒng)(S3)產(chǎn)生平行光，經(jīng)顯微物鏡(S4)會聚到衍射掩膜板(S5)的衍射針孔上，衍射球面波前的其中一部分作為參考波前W1，另一部分作為檢測波前W2，檢測波前W2通過一快軸方向與x軸成45°夾角的四分之一波片(S6)后經(jīng)待測球面(S7)反射，反射光波再次通過四分之一波片(S6)后得到偏振方向與參考波前W1垂直的線偏振光波前W2′，再經(jīng)衍射掩膜板(S5)上的金屬反射膜層反射，得到檢測波前W2″，參考波前W1和檢測波前W2″經(jīng)準直透鏡(S9)后變?yōu)槠矫娌ǎ俳?jīng)檢偏器(S10)后產(chǎn)生干涉，經(jīng)成像透鏡(S11)在探測器(S12)上得到干涉條紋，通過調(diào)節(jié)檢偏器(S10)透光軸方向，即可調(diào)整檢測光和參考光之間的相對光強，進而實現(xiàn)干涉條紋對比度可調(diào)；利用壓電微位移器(S8)對待測球面(S7)進行多步移相測量，即可實現(xiàn)待測球面(S7)面形的高精度測量。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉 系統(tǒng)，其特征在于，所述的四分之一波片(S6)為真零級四分之一波片，真零級四分之一波 片包括平凸玻璃基底和粘合于平凸玻璃基底的平面上的波片薄膜兩部分。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉 系統(tǒng)，其特征在于，所述的平凸玻璃基底的誤差校正方法為利用可達微米量級調(diào)整精度的 平移臺，移動四分之一波片(S6)和待測球面(S7)，調(diào)節(jié)四分之一波片(S6)到衍射針孔的距 離Ll和待測球面(S7)到衍射針孔的距離L2，直至觀察到檢測系統(tǒng)中干涉條紋形狀變化至 直條紋，然后利用光線追跡方法得到平凸玻璃基底所引入的波前像差數(shù)據(jù)WP，并將其作為 系統(tǒng)誤差存儲于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，進而在實際測量中對其進行校正。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉 系統(tǒng)，其特征在于，所述的波片薄膜的誤差校正方法為根據(jù)光線追跡方法得到波片薄膜對 不同入射方向光線所引入的相位延遲量，進而得到對應的偏振像差分布Ws，并將其作為系 統(tǒng)誤差存儲于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，在實際測量中對其進行校正，即W0 = W-Wp-Ws式中，W為實際測得的波前數(shù)據(jù)，W1^PWs分別為四分之一波片(S6)的平凸玻璃基底所 引入波前像差數(shù)據(jù)和波片薄膜部分所引入的偏振像差，Wtl為消除四分之一波片(S6)所引入 波前像差影響后的待測球面波前數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可用于低反射率光學球面面形檢測的偏振點衍射干涉測量系統(tǒng)。由于實際拋光加工過程中光學球面的反射率低，高精度干涉檢測系統(tǒng)需要具有條紋對比度可調(diào)的功能，以得到理想的干涉條紋對比度。本發(fā)明解決了在保證球面面形檢測精度的同時，實現(xiàn)干涉條紋對比度可調(diào)的問題。本發(fā)明的技術特點在于基于可實現(xiàn)高精度檢測的點衍射干涉系統(tǒng)，通過引入偏振光學元件調(diào)整光束偏振態(tài)，建立可實現(xiàn)調(diào)節(jié)干涉條紋對比度的偏振點衍射干涉系統(tǒng)；通過對干涉系統(tǒng)中各元件的功能特點分析，提出了相應的結(jié)構設計及系統(tǒng)誤差校正方法，以實現(xiàn)高精度的球面面形檢測。本發(fā)明為低反射率光學球面面形的高精度檢測提供了一種可行的檢測方法。
文檔編號G01B11/24GK101915556SQ201010224868
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權日2010年7月9日
發(fā)明者劉 東, 卓永模, 吳永前, 楊甬英, 王道檔, 許嘉俊 申請人:浙江大學;中國科學院光電技術研究所