[發明專利]基于同軸干涉的波面測量裝置

有效

• 申請號: 201910331365.5
• 申請日: 2019-04-24
• 公開（公告）號: CN110057543B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 賈偉;周常河;王津;項長鋮;謝永芳;薄啟宇
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01M11/00
• 分類號: G01M11/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

本發明公開了一種基于同軸干涉的波面測量裝置，包括用于產生干涉條紋場的馬赫曾德雙光束干涉系統、用于產生同軸干涉的合束元件、采集干涉信號的光探測器、以及用于掃描雙光束干涉場的二維移動臺和測量位移的激光干涉儀系統。其特點是在傳統的馬赫曾德雙光束干涉儀中引入小尺寸合束元件，使兩束相干光產生同軸干涉，通過二維掃描測量該干涉信號的周期變化，實現對馬赫曾德雙光束干涉場周期的高精度測量，從而推算出雙光束波面的分布情況。利用小尺寸合束元件的掃描測量，該發明可以實現大尺寸波面的測量，而不需要相應尺寸的合束元件或參考波面。

技術領域

本發明涉及基于同軸干涉的波面測量技術領域，具體涉及一種基于同軸干涉的波面測量裝置。

背景技術

波面是光學元件以及光學系統的重要性能參數，波面的準確測量可以用于判斷光學元件的加工質量，同時為進一步改善波面提供了定量參考，因此有重要的工程應用價值。隨著光學加工能力的提升以及科學技術的發展，光學元件的應用一方面表現為加工尺寸越來越大，以天文望遠鏡為例，單個鏡面尺寸早已經超過1米直徑，我國最近就成功完成了4米直徑的單體碳化硅反射鏡研磨，是目前國際上口徑最大的單體碳化硅反射鏡；另一方面，光學元件的面形加工以及波面要求越來越高，比如在SIM(Space Interferometry Mission)太空望遠鏡系統中，反射鏡的表面質量要求PV值達到1/50波長以上，才能夠觀測到太陽系外行星產生的干涉條紋。極高的應用要求不僅考驗著光學加工的能力，同時對波面的大尺寸高精度測量技術也是一項非常嚴峻的挑戰。

經過一個多世紀的發展，針對特定的光學元件面形以及反射或透射波面的測量，已經出現了多種非常實用的技術，大致可以分為非干涉法和干涉法兩類。哈特曼-夏克波前傳感器是典型的非干涉法，該方法通過微透鏡陣列將波前聚焦在CCD面陣探測器上，當平面波入射在微透鏡陣列上時，將在CCD上形成均勻分布的參考聚焦點陣，當波前偏離平面波，產生的聚焦點同時也將偏離參考點位置，通過幾何光學可以定量的推斷出波面的偏離量。該方法簡單有效，在許多精度和分辨率要求不高的波面測量領域應用較多。另外，刀口法、波前曲率傳感器等方法同樣屬于非干涉波面測量方法。其主要特點時測量方法簡單，但測量分辨率和精度不夠高。

干涉法基于全息相干能夠高精度的標定波面，因此是目前應用最廣泛的光學元件面形和波面的測量方法。剪切干涉儀基于光學平板的前后表面反射，形成波面與其自身錯位后的干涉，從而實現待測波面的標定。該技術簡單、穩定性好，不需要參考光，因此應用靈活，特別適用于在線測量。但是為了實現大尺寸波面的測量，必須要有相應尺寸的光學平板，這對光學加工提出了很大的挑戰。

斐索干涉儀是目前商業化最普遍的波面干涉測量技術，包括Zygo，Vecco等公司均有相關產品，且測量精度很高，達到1/20波長以上。該技術通過楔形平板的反射以及待測元件的反射光形成準共光路干涉，干涉條紋代表了待測光學元件反射波面與楔形平板反射面的光程差。因此這種測量方法只能得到波面的相對值，其精度與楔形平板的表面面形有關，而加工大尺寸極高等級的楔形平板的難度非常大，也限制了該技術進一步提高測量精度的能力。

馬赫曾德干涉儀和邁克爾遜干涉儀是兩種非常重要，同時也是非常傳統的干涉測量波面的手段。馬赫曾德干涉儀通過分束鏡形成兩路光，一路作為參考光，一路作為測量光，兩路光經過反射鏡和另外一個分束鏡重新合成一束，其干涉條紋反映了參考光與測量光之間的波面差，因此同樣測得的是波面的相對值。邁克爾遜干涉儀與馬赫曾德干涉儀非常相近，這種技術通過分束鏡形成兩路光，但是兩路光通過垂直于光路放置的反射鏡原路返回，經過同一個分束鏡合成一路產生干涉條紋。不同之處在于，通常馬赫曾德干涉儀用于測量透射波前的分布情況，而邁克爾遜干涉儀則用來測量反射元件的波面情況。兩種方法測量精度接近，也面臨同樣的問題，即當待測元件較大時，需要同樣尺寸的分束鏡和反射鏡，對應分束鏡和反射鏡的要求不止是尺寸上要比較大，同時其表面面形要求也很高，因此其測量精度很難進一步提高。