专利名称：可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统。
背景技术：
随着光学成像以及光学加工要求的不断提高，对于球面等光学面形的检测精度也 提出了更高的要求。在斐索干涉仪及泰曼-格林干涉仪等干涉检测系统中，都需要由一个 具有较高面形精度的光学元件获得一参考波面，进而与含有待测面形信息的检测波面进行 比较，由此得到待测面形数据。因而，参考元件的面形精度直接限制了传统干涉系统所能实 现的检测精度。目前一些诸如美国的ZYGO和WYKO等商业干涉仪，由于受参考面形精度的限 制，其面形检测精度PV值也只能达到λ /20 λ /50 (光波长λ —般为632. 8nm)。因而， 由参考面形得到参考波面的干涉检测方法难以满足超精密球面光学元件的面形检测需求。点衍射干涉仪则利用小孔衍射来获取理想的球面波，并将衍射波前的一部分作为 参考波前，另一部分作为检测波前，进而可实现球面面形的高精度检测，这是一种可行的方 法。利用小孔衍射原理获得理想球面波前，避免了使用实际的参考面形，并可以达到衍射极 限性能的分辨率。若将衍射波前对应的光强设为1，则对应的参考光强也为1 ；对于抛光加 工过程中的低反射率待测球面而言，其反射率只有4%左右，则经其反射后得到的检测光强 也就仅有0.04，因此产生干涉的参考光和检测光的光强比仅约为1 0.04，进而导致得到 干涉条纹的对比度较差。干涉条纹对比度不理想给条纹的处理带来了困难，甚至会降低检 测精度。针孔点衍射法中的衍射针孔可以加工到亚微米量级甚至更小的尺寸，由此可获得 大数值孔径范围内的理想衍射球面波前，进而可应用于数值孔径为0. 65等大数值孔径球 面的高精度检测。但在目前国内外已公开的针孔点衍射干涉检测技术中，都未能实现干涉 条纹对比度的可调，并且对于低反射率球面面形的测量，主要是通过在待测面形上镀全反 膜的方法，以得到理想的干涉条纹对比度。而对于仍处于抛光加工阶段的光学球面元件的 在线检测要求而言，对其进行镀膜处理是一个不可取的方法。因此，在针孔点衍射干涉检测 系统中，针对任意大小数值孔径的低反射率待测球面，在保证检测精度的同时，实现干涉条 纹对比度可调，这也是一个难点，而利用本发明所提出的可用于低反射率光学球面面形检 测的偏振点衍射干涉系统，则很好的解决了该问题。

发明内容
本发明的目的是解决现有针孔点衍射干涉仪难以实现干涉条纹对比度可调的问 题，提供一种可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统。可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统包括线偏振激光器、二 分之一波片、准直扩束系统、显微物镜、衍射掩膜板、四分之一波片、待测球面、压电微位移 器、准直透镜、检偏器、成像透镜、探测器；线偏振激光器经二分之一波片调节得到线偏振 光，再经准直扩束系统产生平行光，经显微物镜会聚到衍射掩膜板的衍射针孔上，衍射球面
3波前的其中一部分作为参考波前W1，另一部分作为检测波前W2，检测波前W2通过一快轴方 向与χ轴成45°夹角的四分之一波片后经待测球面反射，反射光波再次通过四分之一波片 后得到偏振方向与参考波前Wl垂直的线偏振光波前W2'，再经衍射掩膜板上的金属反射 膜层反射，得到检测波前W2"，参考波前Wl和检测波前W2"经准直透镜后变为平面波，再 经检偏器后产生干涉，经成像透镜在探测器上得到干涉条纹，通过调节检偏器透光轴方向， 即可调整检测光和参考光之间的相对光强，进而实现干涉条纹对比度可调；利用压电微位 移器对待测球面进行多步移相测量，即可实现待测球面面形的高精度测量。所述的四分之一波片为真零级四分之一波片，真零级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两部分。所述的平凸玻璃基底的误差校正方法为利用可达微米量级调整精度的平移台， 移动四分之一波片和待测球面，调节四分之一波片S6到衍射针孔的距离Ll和待测球面S7 到衍射针孔的距离L2，直至观察到检测系统中干涉条纹形状变化至直条纹，然后利用光线 追迹方法得到平凸玻璃基底所引入的波前像差数据WP，并将其作为系统误差存储于数据处 理系统中，进而在实际测量中对其进行校正。所述的波片薄膜的误差校正方法为根据光线追迹方法得到波片薄膜对不同入射 方向光线所引入的相位延迟量，进而得到对应的偏振像差分布Ws，并将其作为系统误差存 储于数据处理系统中，在实际测量中对其进行校正，即W0 = W-Wp-Ws式中，W为实际测得的波前数据，W1^PWs分别为四分之一波片S6的平凸玻璃基底 所引入波前像差数据和波片薄膜部分所引入的偏振像差，W。为消除四分之一波片S6所引入 波前像差影响后的待测球面波前数据。本发明通过引入偏振光学元件，利用对光束偏振态的变换调整，实现整个球面面 形检测系统干涉条纹的对比度可调，进而可应用于低反射率球面面形的高精度检测；并且 该用于球面面形检测的点衍射干涉仪结构简单、易于装配，为球面面形的高精度检测提供 了一种简单可行的检测方法。


图1是用于光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统示意图。图2是点衍射掩膜板结构示意图。图3是检测光路中的四分之一波片结构示意图。图4是检测光路中四分之一波片的平凸玻璃基底引入波前像差。图5是检测光路中四分之一波片的波片薄膜引入偏振像差。图中线偏振激光器Si、二分之一波片S2、准直扩束系统S3、显微物镜S4、衍射掩 膜板S5、四分之一波片S6、待测球面S7、压电微位移器S8、准直透镜S9、检偏器S10、成像透 镜S11、探测器S12。
具体实施例方式如图1所示，可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统，包括线 偏振激光器Si、二分之一波片S2、准直扩束系统S3、显微物镜S4、衍射掩膜板S5、四分之
4一波片S6、待测球面S7、压电微位移器S8、准直透镜S9、检偏器S10、成像透镜S11、探测器 S12 ；线偏振激光器Sl经二分之一波片S2调节得到线偏振光，再经准直扩束系统S3产生平 行光，经显微物镜(S4)会聚到衍射掩膜板S5的衍射针孔上。其中，衍射掩膜板S5的结构如 图2所示，通过在玻璃基底S5a上镀金属反射膜层S5b，并利用会聚离子束蚀刻法(Focused Ion Beam Etching,FIBE)在金属膜层S5b上加工一个圆度较为理想的衍射针孔S5c。图1 中，来自显微物镜S4的会聚波前经衍射针孔后会得到较为理想的衍射球面波前。衍射球面 波前的其中一部分作为参考波前W1，另一部分作为检测波前W2，检测波前W2通过一快轴方 向与χ轴成45°夹角的四分之一波片S6后经待测球面S7反射，反射光波再次通过四分之 一波片S6后得到偏振方向与参考波前Wl垂直的线偏振光波前W2'，再经衍射掩膜板S5上 的金属反射膜层反射，得到检测波前W2"(如图2所示)，参考波前Wl和检测波前W2"经 准直透镜S9后变为平面波，再经检偏器SlO后产生干涉，经成像透镜Sll在探测器S12上得 到干涉条纹，通过调节检偏器SlO透光轴方向，即可调整检测光和参考光之间的相对光强， 进而实现干涉条纹对比度可调；利用压电微位移器S8对待测球面(S7)进行多步移相测量， 即可实现待测球面S7面形的高精度测量。在可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统中，针对待测球面具 有较低反射率的情况，为实现干涉条纹对比度可调的功能，在光路引入偏振光学元件以实 现光束偏振态的变换，并通过调节检偏器的透光轴方向，即可调整检测光和参考光之间的 相对光强，进而达到调整干涉条纹对比度的目的。其中光源前的二分之一波片S2主要是实 现光束的光矢量方向的调整；检测光路中的四分之一波片S6主要是对衍射球面波前的检 测波前部分的偏振态进行变换，并且其快轴方向与χ轴成45°夹角，检测波前在经待测球 面反射前后共两次经过四分之一波片，其偏振态变为偏振方向与参考波前(即针孔衍射球 面波前)相垂直的线偏振光；位于成像透镜Sll和准直透镜S9之间的检偏器SlO可用于调 节干涉条纹的对比度，通过调整其透光轴方向，可调整参考光和检测光的相对光强，进而实 现干涉条纹的对比度可调。可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统在检测光路中采用了 四分之一波片S6，而对于发散的球面检测波前而言，在四分之一波片S6不同入射方向上的 光线会引入不同的相位延迟量，进而引入偏振像差。该偏振像差的分布除了与各方向光线 的入射角有关外，还同时取决于入射光线相对波片快(慢)轴的方位角。为减小检测光路 中四分之一波片S6对于球面波前的影响，所述的四分之一波片S6为真零级四分之一波片， 这是因为真零级波片具有延迟量对波长敏感度低、温度稳定性高、接受有效角度大等诸多 优点。真零级波片通常是由波片薄膜粘合在平板玻璃基底上，但对于球面发散波前而言，平 板玻璃基底会引入较大的波前像差。为减小检测光路中波片的玻璃基底对球面发散波前所 引入的像差，将玻璃基底加工成平凸玻璃基底。图3所示为可用于低反射率光学球面面形 检测的偏振点衍射干涉系统检测光路中四分之一波片S6的结构示意图，图中的真零级四 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两部分。检测光路中四分之一波片S6的平凸玻璃基底的误差校正方法为利用可达微米 量级调整精度的平移台，移动四分之一波片S6和待测球面S7，调节四分之一波片S6到衍射 针孔的距离Ll和待测球面S7到衍射针孔的距离L2，直至观察到检测系统中干涉条纹形状 变化至直条纹，然后利用光线追迹方法得到平凸玻璃基底所引入的波前像差数据WP，并将
5其作为系统误差存储于数据处理系统中，进而在实际测量中对其进行校正。检测光路中四分之一波片S6的波片薄膜的误差校正方法为根据光线追迹方法 得到波片薄膜对不同入射方向光线所引入的相位延迟量，进而得到对应的偏振像差分布 Ws，并将其作为系统误差存储于数据处理系统中，在实际测量中对其进行校正，即W0 = W-Wp-Ws式中，W为实际测得的波前数据，Wp和Ws分别为四分之一波片S6的平凸玻璃基底 所引入波前像差数据和波片薄膜部分所引入的偏振像差，W。为消除四分之一波片S6所引入 波前像差影响后的待测球面波前数据。实施例实施例中被测球面S7是一曲率半径为180mm、数值孔径(NA)为0. 65的球面。线 偏振激光器Sl经二分之一波片S2得到线偏振光，并经准直扩束系统S3产生平行光，经倍 率为20 X、NA为0. 4显微物镜S4会聚到衍射掩膜板S5的衍射针孔上，得到较为理想的衍 射球面波前。其中图2所示的衍射掩膜板采用的是石英玻璃基底S5a，在其上镀一厚度为 200nm的铬金属反射膜S5b (对应632. Snm波长的折射率为2. 65+3 )，并利用会聚离子束蚀 刻法(Focused Ion Beam Etching，FIBE)在金属膜层上加工一个圆度较为理想的衍射针孔 S5c，其直径取为0. 5μπι。由标量衍射理论可知，直径为0. 5μπι的衍射针孔能实现可测球面 的最大NA高于0. 75，因而可满足本实施例中NA为0. 65的球面测量。针孔衍射球面波前的其中一部分作为参考波前W1，另一部分作为检测波前W2。检 测波前W2通过一快轴方向与χ轴成45°夹角的四分之一波片S6后经待测球面S7反射，并 再次经过四分之一波片S6，得到的检测波前W2'为一偏振方向与参考波前Wl相垂直的线 偏振光。为减小检测光路中四分之一波片S6对于球面发散波前的影响，四分之一波片S6 为真零级四分之一波片，对应的双折射材料为石英晶体，对应于632. 8nm光波长的情况，其 n0 = 1. 54264,ne = 1. 55170。同时，为减小四分之一波片S6的玻璃基底对球面发散波前所 引入的像差，将玻璃基底设计为凸面的曲率半径为353. 802mm、中心厚度取为2mm的K9玻璃 材料的平凸玻璃基底，并且将凸面朝向衍射针孔，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，如图3所示。检测波前W2'经衍射掩膜板S5上金属反射膜层S5b反射后得到检测波前 W2"(如图2所示)，检测波前W2"和参考波前Wl经准直透镜S9后变换为平面波，再经过 检偏器SlO后产生干涉，通过成像透镜Sll在探测器S12上得到干涉条纹。通过调节检偏器 SlO透光轴的方向，可调节参考光和检测光之间的相对光强，进而可实现干涉条纹对比度的 调整。利用压电微位移器S8对待测球面S7进行多步移相测量，即可实现待测球面S7面形 的高精度测量。利用可达微米量级调整精度的平移台，移动检测光路中的四分之一波片S6和待 测球面S7，调节四分之一波片S6到衍射针孔的距离Ll和待测球面S7到衍射针孔的距离 L2,同时观察检测系统中干涉条纹的变化，当四分之一波片S6到衍射针孔的距离Ll和待测 球面S7到衍射针孔的距离L2调节至检测要求所需的距离时，可以观察到干涉直条纹，否则 条纹就会弯曲。当四分之一波片S6到衍射针孔的距离Ll和待测球面S7到衍射针孔的距 离L2分别调节至IOmm和180. 267mm时，可观察检测系统中干涉条纹为直条纹，利用光线追 迹方法得到四分之一波片S6的平凸玻璃基底对检测波前所引入波前像差分布如图4所示，
6其中波长λ为632.8nm。由图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 值为 0. 002 λ。而四分之一波片S6中的波片薄膜对于发散的检测波前在不同入射方向上会引入 不同相位延迟量，进而引入偏振像差，且该像差的分布除了与各方向光线的入射角有关外， 还同时取决于入射光线相对波片快(慢)轴的方位角。根据光线追迹方法，得到四分之一 波片S6的波片薄膜对检测波前所引入的偏振像差如图5所示。由图5可知，四分之一波片 S6中波片薄膜引入的偏振像差RMS值为0. 008 λ。在高精度球面面形检测中，可将检测光路中四分之一波片S6的平凸玻璃基底以 及波片薄膜对检测波前引入的像差分布作为系统误差储存于处理系统中，在后续处理中对 其进行校正。利用该检测系统对待测球面S7进行测量，测量数据经数据处理系统存储存校 正后，可实现RMS值优于0.0003 λ的面形检测精。
权利要求
一种可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉系统，其特征在于包括线偏振激光器(S1)、二分之一波片(S2)、准直扩束系统(S3)、显微物镜(S4)、衍射掩膜板(S5)、四分之一波片(S6)、待测球面(S7)、压电微位移器(S8)、准直透镜(S9)、检偏器(S10)、成像透镜(S11)、探测器(S12)；线偏振激光器(S1)经二分之一波片(S2)调节得到线偏振光，再经准直扩束系统(S3)产生平行光，经显微物镜(S4)会聚到衍射掩膜板(S5)的衍射针孔上，衍射球面波前的其中一部分作为参考波前W1，另一部分作为检测波前W2，检测波前W2通过一快轴方向与x轴成45°夹角的四分之一波片(S6)后经待测球面(S7)反射，反射光波再次通过四分之一波片(S6)后得到偏振方向与参考波前W1垂直的线偏振光波前W2′，再经衍射掩膜板(S5)上的金属反射膜层反射，得到检测波前W2″，参考波前W1和检测波前W2″经准直透镜(S9)后变为平面波，再经检偏器(S10)后产生干涉，经成像透镜(S11)在探测器(S12)上得到干涉条纹，通过调节检偏器(S10)透光轴方向，即可调整检测光和参考光之间的相对光强，进而实现干涉条纹对比度可调；利用压电微位移器(S8)对待测球面(S7)进行多步移相测量，即可实现待测球面(S7)面形的高精度测量。
2.根据权利要求1所述的一种可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉 系统，其特征在于，所述的四分之一波片(S6)为真零级四分之一波片，真零级四分之一波 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两部分。
3.根据权利要求2所述的一种可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉 系统，其特征在于，所述的平凸玻璃基底的误差校正方法为利用可达微米量级调整精度的 平移台，移动四分之一波片(S6)和待测球面(S7)，调节四分之一波片(S6)到衍射针孔的距 离Ll和待测球面(S7)到衍射针孔的距离L2，直至观察到检测系统中干涉条纹形状变化至 直条纹，然后利用光线追迹方法得到平凸玻璃基底所引入的波前像差数据WP，并将其作为 系统误差存储于数据处理系统中，进而在实际测量中对其进行校正。
4.根据权利要求2所述的一种可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉 系统，其特征在于，所述的波片薄膜的误差校正方法为根据光线追迹方法得到波片薄膜对 不同入射方向光线所引入的相位延迟量，进而得到对应的偏振像差分布Ws，并将其作为系 统误差存储于数据处理系统中，在实际测量中对其进行校正，即W0 = W-Wp-Ws式中，W为实际测得的波前数据，W1^PWs分别为四分之一波片(S6)的平凸玻璃基底所 引入波前像差数据和波片薄膜部分所引入的偏振像差，Wtl为消除四分之一波片(S6)所引入 波前像差影响后的待测球面波前数据。
全文摘要
本发明公开了一种可用于低反射率光学球面面形检测的偏振点衍射干涉测量系统。由于实际抛光加工过程中光学球面的反射率低，高精度干涉检测系统需要具有条纹对比度可调的功能，以得到理想的干涉条纹对比度。本发明解决了在保证球面面形检测精度的同时，实现干涉条纹对比度可调的问题。本发明的技术特点在于基于可实现高精度检测的点衍射干涉系统，通过引入偏振光学元件调整光束偏振态，建立可实现调节干涉条纹对比度的偏振点衍射干涉系统；通过对干涉系统中各元件的功能特点分析，提出了相应的结构设计及系统误差校正方法，以实现高精度的球面面形检测。本发明为低反射率光学球面面形的高精度检测提供了一种可行的检测方法。
文档编号G01B11/24GK101915556SQ201010224868
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者刘 东, 卓永模, 吴永前, 杨甬英, 王道档, 许嘉俊 申请人:浙江大学;中国科学院光电技术研究所