[发明专利]基于同轴干涉的波面测量装置

说明书

本发明公开了一种基于同轴干涉的波面测量装置，包括用于产生干涉条纹场的马赫曾德双光束干涉系统、用于产生同轴干涉的合束元件、采集干涉信号的光探测器、以及用于扫描双光束干涉场的二维移动台和测量位移的激光干涉仪系统。其特点是在传统的马赫曾德双光束干涉仪中引入小尺寸合束元件，使两束相干光产生同轴干涉，通过二维扫描测量该干涉信号的周期变化，实现对马赫曾德双光束干涉场周期的高精度测量，从而推算出双光束波面的分布情况。利用小尺寸合束元件的扫描测量，该发明可以实现大尺寸波面的测量，而不需要相应尺寸的合束元件或参考波面。

技术领域

本发明涉及基于同轴干涉的波面测量技术领域，具体涉及一种基于同轴干涉的波面测量装置。

背景技术

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(Space Interferometry Mission)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。其主要特点时测量方法简单，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，因此是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。