[發明專利]一種光學系統波像差測量裝置與測量方法

有效

• 申請號: 201410373440.1
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104101487B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 盧增雄;齊月靜;蘇佳妮;楊光華;周翊;王宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電研究院
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及光學測量技術領域，具體涉及一種基于夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前傳感器的光學系統波像差的測量裝置和方法。

背景技術

隨著光學技術的發展，出現了各種成像光學系統。以半導體工業中的投影曝光光學系統為代表的現代高級光學成像系統，對系統波像差和分辨率有著極為苛刻的要求。波像差是影響光學系統成像性能及分辨率的重要因素。光學系統在設計、加工、裝調以及成像過程中各種因素引起的機械變形等因素都將影響光學系統的波像差。因此，光學系統制造過程中高精度的系統波像差檢測具有舉足輕重的作用。

光學系統波像差的常用測量方法有基于干涉法的泰曼-格林干涉儀、菲索干涉儀、點衍射干涉儀、剪切干涉儀等。FISBA公司生產的FST10型泰曼-格林干涉儀和Zygo公司生產的VeriFire系列菲索干涉儀是目前比較權威并且使用較多的干涉儀，但是這些儀器需要參考元件，對光源的頻率穩定性及光束的相干性有特殊的要求，并且價格比較昂貴。點衍射干涉儀通過微孔衍射產生近于理想的球面波作為參考光，具有很高的測量精度，但是微孔不容易加工，光束能量利用率較低，且測量過程中系統誤差的標定較為復雜。剪切干涉儀通過原始波前與錯位波前之間的干涉進行波像差的測量，具有較高的精度，但是測量過程中系統誤差的標定較為復雜。

與干涉法不同，夏克-哈特曼波前傳感器通過同時測量波前在兩個正交方向的斜率獲得波前信息，受外界環境的影響較小，具有結構簡單，光能利用率高，測量速度快、精度高等特點，在自適應光學、激光光束質量測量和醫療儀器等領域中有著廣泛的應用。

作為現有技術的文章“Wavefront?error?measurement?of?high-numerical-aperture?optics?with?a?Shack-Hartmann?sensor?and?a?pointsource”(Appl.Opt.，2007，46(9)：1411～1415)給出了采用夏克-哈特曼波前傳感器進行高數值孔徑鏡系統波像差的測量與標定方法。然而，該方法在標定中繼系統和夏克-哈特曼的系統誤差時，需要用波像差較小的光學系統代替待測光學系統，這將引起兩方面的問題：一方面，標定結果中包括中繼系統的系統誤差、夏克-哈特曼波前傳感器的系統誤差、微孔衍射波前的誤差以及所使用的光學系統的波像差，使得待測系統波像差的測量結果中包含了標定過程所用的光學系統的波像差，另一方面，為了實現更高精度的系統波像差檢測，在標定過程中，需要采用更高精度的光學系統，而實際光學系統的波像差受衍射極限的限制，因此，上述方法很難實現光學系統波像差的高精度檢測。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種基于夏克-哈特曼波前傳感器的光學系統波像差高精度測量裝置和方法，以實現對各種復雜光學系統波像差的高精度檢測。

(二)技術方案

為了達到上述的目的，本發明提供一種基于夏克-哈特曼波前傳感器的光學系統波像差測量裝置，在測量和標定過程中均采用高精度球面參考鏡或高精度平面參考鏡，且測量光路采用雙光路的結構，可獲得更好的信噪比，更有益于實現光學系統波像差的高精度檢測。

本發明提出的光學系統波像差測量裝置，包括線偏振平面波發生源、1/2波片、偏振分光棱鏡、1/4波片、反射裝置以及夏克-哈特曼波前傳感器，其中，所述線偏振平面波發生源用于產生線偏振平面波；所述1/2波片用于將所述線偏振平面波轉換后成為s偏振平面波；所述偏振分光棱鏡用于將經所述1/2波片透射的s偏振平面波反射到1/4波片，并透射來自所述1/4波片透射的p偏振光；所述1/4波片用于將來自所述偏振分光棱鏡的s偏振平面波轉換成為圓偏振平面波，以及將由來自所述反射裝置的圓偏振平面波轉換成為p偏振平面波；所述反射裝置用于使來自1/4波片的圓偏振平面波沿原路返回；所述夏克-哈特曼波前傳感器則用于測量入射到其上的p偏振光的波像差。

根據本發明的具體實施方式，所述反射裝置由光反射元件構成，或者由光反射元件和待測光學系統組合而成，通過測量所述測量裝置在包含待測光學系統和不包含待測光學系統時入射到夏克-哈特曼波前傳感器的p偏振光的波像差來計算待測光學系統的波像差。

根據本發明的具體實施方式，還包括光束調節機構，其設置于所述反射裝置與1/4波片之間。