一種超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量方法，首先，開啟所述寬帶弱相干光源和光譜分析儀，在未放置被測(cè)光學(xué)元件之前，光譜分析儀探測(cè)到鍍膜光纖端面反射回的參考光信號(hào)，即寬帶弱相干光源的光譜，記錄并保存此光譜；之后將被測(cè)光學(xué)元件放置在所述光纖探頭的聚焦透鏡焦平面附近，調(diào)整兩者之間的距離，并調(diào)整所述光纖偏振控制器，使所述光譜分析儀上采集到的干涉信號(hào)的對(duì)比度最高，而后通過計(jì)算機(jī)控制掃描振鏡運(yùn)動(dòng)，使測(cè)量光束在被測(cè)光學(xué)元件上運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，控制光譜儀采集并存儲(chǔ)相應(yīng)的干涉信號(hào)；最后對(duì)采集到的干涉信號(hào)進(jìn)行處理，即可得到被測(cè)光學(xué)表面的平整度信息。本發(fā)明具有抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。
【專利說明】一種超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)元件加工制造領(lǐng)域，測(cè)量光學(xué)表面的平整度是一項(xiàng)極其重要的工作。光學(xué) 表面的平整度信息能夠指導(dǎo)光學(xué)元件的加工工藝的制定，同時(shí)也能反映出產(chǎn)品的加工制造 水平。
[0003] 在光學(xué)干涉測(cè)量中，將被測(cè)光學(xué)表面的信息以光學(xué)強(qiáng)度條紋的形式表征出來，通 過對(duì)干涉條紋的記錄和分析就能得到光學(xué)表面的平整度信息。傳統(tǒng)方法中，被測(cè)相位的提 取是通過對(duì)干涉條紋的判讀來實(shí)現(xiàn)的，這種目視測(cè)量方法精度較低，通常能達(dá)到約十分之 一波長(zhǎng)的精度?，F(xiàn)代光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)引入了相移方法，通過改變干涉光路中參考臂與信 號(hào)臂之間的相位差，記錄多幅不同相位差下的干涉圖，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄓ?jì)算就能提取出光 學(xué)表面的平整度信息，稱為相移干涉測(cè)量?；谙嘁聘缮嬖沓霈F(xiàn)的光學(xué)表面平整度測(cè) 量?jī)x器稱為相移干涉儀，其使用相移器產(chǎn)生相移調(diào)制（如壓電陶瓷等，通過在壓電陶瓷上 施加變化的電壓，使其產(chǎn)生不同的電致伸縮位移，改變干涉光路中參考臂與信號(hào)臂之間的 光程差，從而改變兩臂之間的相位差），這種相移干涉儀信噪比較高，測(cè)量精度通常能達(dá)到 1/100波長(zhǎng)。
[0004] 然而，由于目前的相移器的相移調(diào)制速度較慢，或者由于相移器自身的位移特性 易受環(huán)境溫濕度影響，以及相移過程中空氣擾動(dòng)等干擾因素的存在，實(shí)際的相移量往往偏 離預(yù)設(shè)的相移量，這極大的影響了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于減小相移調(diào)制誤差，提高干涉測(cè)量的穩(wěn)定性與精度，提供一種 使用寬帶弱相干光源作為測(cè)量光源、利用光譜產(chǎn)生相移的超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量 方法，與傳統(tǒng)的相移干涉儀相比，能夠在不需要相移器的前提下實(shí)現(xiàn)光學(xué)表面的平整度測(cè) 量，不僅降低了干涉測(cè)量?jī)x的成本，同時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種超高精度的光學(xué)表面平整度 測(cè)量方法，采用寬帶弱相干光源、光譜分析儀、光纖耦合器、鍍膜光纖、光纖偏振控制器、光 纖探頭，其中，所述寬帶弱相干光源和光譜分析儀分別通過光纖連接至光纖耦合器同一側(cè) 的兩個(gè)端口，所述鍍膜光纖和光纖探頭連接至光纖耦合器另一側(cè)的兩個(gè)端口，所述鍍膜光 纖安裝在光纖偏振控制器上，其輸出端面鍍有高反射膜，能夠?qū)⒃摴饫w中傳輸?shù)墓馐瓷?回光纖稱合器，且旋轉(zhuǎn)光纖偏振控制器能改變光束的偏振態(tài)。
[0007] 在相移干涉測(cè)量中，被測(cè)物體上任意一點(diǎn)（X，y)的干涉信號(hào)I (X，y)可以表示為：
[0008] I (x, y) = A (x, y) +B (x, y) cos [ Φ (x, y) + δ (x, y)]
[0009] 其中，A(x，y)、B(x，y)、Φ (x，y)、δ (x，y)分別表示干涉信號(hào)的背景強(qiáng)度、調(diào)制強(qiáng) 度、被測(cè)物體的相位以及引入的相移量調(diào)制。通常，在相移干涉測(cè)量中，通過一定的方法引 入相移量調(diào)制，通過三幅以上干涉圖就能夠獲取被測(cè)物體的相位信息。但由于相移調(diào)制速 度較慢以及相移器自身的位移特性易受環(huán)境溫濕度影響，以及相移過程中空氣擾動(dòng)等干擾 因素的存在，實(shí)際的相移量往往偏離預(yù)設(shè)的相移量，這成為影響相移測(cè)量精度的主要原因。 [0010] 在本發(fā)明所提出的方案中，我們使用寬帶弱相干光源作為測(cè)量光源，測(cè)得的干涉 信號(hào)可以表示為：
[0011] Ii (x, y) = A (x, y) +B (x, y) cos [ Φ i (x, y)]
[0012] 其中，Ijx，y)、A(x, y)、B(x, y)、Φ^χ, y)分別表示寬帶弱相干光源中波長(zhǎng)為λ i 的光波照射于被測(cè)物體時(shí)的干涉強(qiáng)度、干涉信號(hào)的背景光強(qiáng)、干涉信號(hào)的調(diào)制光強(qiáng)，以及被 測(cè)物體的相位。
[0013] Φ?(χ，γ)可以表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量方法，其特征在于：采用寬帶弱相干光源、光 譜分析儀、光纖耦合器、鍍膜光纖、光纖偏振控制器、光纖探頭，其中，所述寬帶弱相干光源 和光譜分析儀分別通過光纖連接至光纖耦合器同一側(cè)的兩個(gè)端口，所述鍍膜光纖和光纖探 頭連接至光纖耦合器另一側(cè)的兩個(gè)端口，所述鍍膜光纖安裝在光纖偏振控制器上，其輸出 端面鍍有高反射膜，能夠?qū)⒃摴饫w中傳輸?shù)墓馐瓷浠毓饫w耦合器，且旋轉(zhuǎn)光纖偏振控制 器能改變光束的偏振態(tài)； 當(dāng)需要進(jìn)行光學(xué)表面平整度測(cè)量時(shí)，首先開啟所述寬帶弱相干光源和光譜分析儀，在 未放置被測(cè)光學(xué)元件之前，所述光譜分析儀探測(cè)到鍍膜光纖端面反射回的參考光信號(hào)，即 寬帶弱相干光源的光譜，記錄并保存此光譜；之后將被測(cè)光學(xué)元件放置在所述光纖探頭的 聚焦透鏡焦平面附近，調(diào)整兩者之間的距離，并調(diào)整所述光纖偏振控制器，使所述光譜分析 儀上采集到的干涉信號(hào)的對(duì)比度最高，而后通過計(jì)算機(jī)控制掃描振鏡運(yùn)動(dòng)，使測(cè)量光束在 被測(cè)光學(xué)元件上運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，控制光譜儀采集并存儲(chǔ)相應(yīng)的干涉信號(hào)；最后，對(duì)采集到 的干涉信號(hào)進(jìn)行處理，即可得到被測(cè)光學(xué)表面的平整度信息，其處理流程如下： 1) 利用預(yù)先采集到的寬帶弱相干光源的光譜信號(hào)對(duì)光譜分析儀探測(cè)到的干涉信號(hào)進(jìn) 行歸一化處理； 2) 將歸一化處理后的干涉信號(hào)由波長(zhǎng)空間轉(zhuǎn)換為波數(shù)空間，并按頻率等間隔進(jìn)行插值 重采樣； 3) 對(duì)重采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，去除直流分量，然后進(jìn)行傅里葉逆變換，得到處 理信號(hào)； 4) 從處理信號(hào)的起始點(diǎn)開始依次選取相移量間隔的數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用這些數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)合相移 算法，計(jì)算出干涉條紋所代表的包裹相位Φ1 ; 5) 對(duì)所有探測(cè)點(diǎn)的干涉信號(hào)重復(fù)進(jìn)行上面步驟1)至步驟4)的操作，獲得所有探測(cè)點(diǎn) 的包裹相位，解包裹后得到光學(xué)元件表面的相位變化Φ ; 6) 利用公式λ i為寬帶弱相干光源的起始波長(zhǎng)，即可得到光學(xué)元件表面上所 2π 有探測(cè)點(diǎn)的相對(duì)高度信息，即光學(xué)表面的平整度信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量方法，其特征在于：所 述寬帶弱相干光源為工作在近紅外波段的脈沖或連續(xù)式光源，其中心波長(zhǎng)為λ。，起始波長(zhǎng) 為λ i，光譜帶寬為△ λ ;所述光譜分析儀能夠探測(cè)到寬帶弱相干光源的整個(gè)工作波段；所 述光纖稱合器為邁克爾遜結(jié)構(gòu)，可傳輸中心波長(zhǎng)為λ。、帶寬為Δ λ的寬帶光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高精度的光學(xué)表面平整度測(cè)量方法，其特征在于：所 述光纖探頭包括有一個(gè)準(zhǔn)直透鏡、一個(gè)二維掃描振鏡和一個(gè)聚焦透鏡，所述準(zhǔn)直透鏡、二維 掃描振鏡的鏡片旋轉(zhuǎn)中心以及聚焦透鏡三者共軸，所述二維掃描振鏡靠近聚焦透鏡的鏡片 中心位于聚焦透鏡的后焦點(diǎn)上；在測(cè)量過程中，由所述寬帶弱相干光源輸出的光束經(jīng)過光 纖耦合器后分為兩束，其中一束光在鍍膜光纖中傳輸后經(jīng)鍍膜端面返回光纖耦合器，另一 束光經(jīng)過光纖探頭后由被測(cè)光學(xué)元件表面返回光纖耦合器，兩束光的光程相等。
【文檔編號(hào)】G01B11/30GK104296698SQ201410587349
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】張鳳杰, 曹祥東 申請(qǐng)人:廣州飛拓優(yōu)視光電科技有限公司, 武漢虹拓新技術(shù)有限責(zé)任公司