一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法 【技术领域】
本发明的一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，属于光学测量技术领域。
背景技术
平面光学元件在光学系统中应用极为广泛，其作用主要是折转光路和成像，其平面度通常在一个波长以下。光学平面的面形测量一般采用干涉方法，这就需要一个标准的参考平面作为平面基准。通常的干涉仪使用光学加工制造出的标准平板作为参考平面，总是存在着一定的面形，因而限制了干涉仪测量平面面形的准确度，当前干涉仪平面面形的测量准确度只能达到λ/20～λ/50(波长为632.8nm)。远不能满足超精密加工及紫外光刻等前沿技术研究的需求。
提高干涉法平面面形测量精度的关键在于寻找高精度的参考平面，液面曾经被用作干涉测量的基准平面。由于液面大致具有与地球相等的曲率半径，一个直径约0.5米液面的最大平面度误差仅有λ/100。但实际应用中存在很多问题，振动、液体在容器壁的表面张力，表面尘埃等都是限制该方法精度的主要因素。
通过多块平板进行组合来测试平面度的绝对测量方法，例如“三平板方法”已经被提出和使用了几十年，但这种方法仅给出了被测平面元件某一径向方向的偏差而非整个平面上的平面度偏差。很多研究者尝试通过旋转被测平面增加测量数据来扩展该测量方法，这种方法需要使用多项式拟合来近似代表整个面形，同样不能得到全面形的准确测量结果。
我们知道，借助于小孔点衍射可以产生近似理想的球面波。小孔的大小决定了衍射光的数值孔径和偏离球面波的误差。如果小孔直径为4λ，则衍射光束在数值孔径0.2时，其远场的衍射球面偏差小于λ/104。对实际测量而言，其参考球面可视为理想波面。用柔性光纤纤芯的端面代替小孔就构成了光纤点衍射干涉仪。
点衍射产生的参考球面波前是发散的，因而天然适合于测量凹球面，却无法直接应用于平面测量。我们设想将点衍射波前通过被测平面镜反射，则反射波前仍然是球面波前，但携带有被测平面镜的面形信息，只要将该球面波与另一根光纤衍射的参考球面波发生干涉即可得到被测球面镜的面形信息，这可以通过分束镜来实现。使用分束镜虽然可以完成参考波面与测量波面的汇合，但分束镜本身的像差无疑给平面面形的测量引入了误差。要得到准确的平面面形测量结果，就必须准确测量分束镜引入的像差并对测量结果进行修正。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决普通干涉仪的参考平面存在平面度误差，导致其平面面形测量准确度有限以及三平板等绝对测量方法无法实现全面形测量的问题，提出了一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法。
本发明通过引入分束镜使携带被测平面镜面形信息的测量波前与参考波前汇合而产生干涉。平面面形测量过程分为两步：首先测量包含被测平面与分束镜的波差，然后单独测量分束镜的像差；两步测量都使用接近理想的点衍射球面波作为参考波前，以确保每次测量的准确度；被测平面的面形可以由两步测量结果相减得到。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，实现该方法的测量装置包括分光系统、测量光纤、参考光纤、分束镜、成像镜头、CCD摄像机、计算机、被测平面镜；分光系统包括激光器、可调中性密度滤光片、1/2波片、偏振分束镜、直角棱镜A、直角棱镜B、1/4波片A、1/4波片B、压电陶瓷、偏振片A、偏振片B、显微物镜A和显微物镜B；其具体实施步骤为：
第一步：从分光系统进入测量光纤的光，在测量光纤端面发生衍射；衍射球面波透过分束镜，在被测平面镜的表面反射后折回；反射波前是携带有被测平面镜面形信息的球面波前，其球心位于测量光纤端面通过分束镜在被测平面镜中所形成的像点P；上述球面波前再次被分束镜反射，形成测量波前；在像点P关于分束镜的共轭位置放置参考光纤，从参考光纤端面衍射的球面波透过分束镜形成参考波前，与上述测量波前汇合而发生干涉；用CCD摄像机采集干涉图，并用标准方法进行处理和分析；
第二步：移除被测平面镜，保持其他光学元件原位不动；将测量光纤端面移动到像点P；从测量光纤端面衍射的球面波被分束镜反射形成测量波前；从参考光纤端面衍射的球面波透过分束镜形成参考波前；参考波前与测量波前汇合而发生干涉；用CCD摄像机采集干涉图，并用标准方法进行处理和分析；
第一步的测量结果减去第二步的测量结果即得到被测平面镜的波差。由于测量波前是球面而非法向入射地平面波前，为了得到被测平面镜的面形，需要将该波差按测量波前在被测平面镜的入射角度进行逐点校正；被测球面镜16的面形计算如下：
设φ(x，y)是通过上述运算得到的被测平面镜16中坐标点(x，y)处的波差，被测平面镜16在(x，y)点的面形为F(x，y)，有：
F(x，y)＝λ·φ(x，y)·cos[θ(x，y)]/4π
其中λ是光波长，θ(x，y)是测量光束在(x，y)点的入射角度。
有益效果
本发明的平面面形测量分为两步来实现，两步测量都利用了接近理想的点衍射球面波前，能够保证两次干涉测量的高精度，也就能够保证最终平面面形测量结果的精度，可以视为一种平面面形的绝对测量方法；
本发明的方法在光纤点衍射干涉仪上实现了平面面形的测量，解决了普通点衍射干涉仪只能测量凹球面而无法测量平面的难题，扩展了点衍射干涉测量方法的应用范围。
【附图说明】
图1为平面的光纤点衍射移相干涉测量第一步示意图；
图2为平面的光纤点衍射移相干涉测量第二步示意图；
其中，1-激光器、2-可调中性密度滤光片、3-1/2波片、4-偏振分束镜、5-直角棱镜A、6-直角棱镜B、7-1/4波片A、8-1/4波片B、9-压电陶瓷、10-偏振片A、11-偏振片B、12-显微物镜A、13-显微物镜B、14-测量光纤、15-分束镜、16-被测平面镜、17-像点P、18-参考光纤、19-成像镜头、20-CCD摄像机、21-计算机。
【具体实施方式】
本发明的一种光学平面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，实现该方法的测量装置，如图1、图2所示，包括分光系统、测量光纤14、参考光纤18、分束镜15、成像镜头19、CCD摄像机20、计算机21、被测平面镜16；分光系统包括激光器1、可调中性密度滤光片2、1/2波片3、偏振分束镜4、直角棱镜A5、直角棱镜B6、1/4波片A7、1/4波片B8、压电陶瓷9、偏振片A10、偏振片B11、显微物镜A12和显微物镜B13；其具体实施步骤为：
第一步：如图1所示：从激光器1出射的线偏振光通过可调中性密度滤光片2衰减，由1/2波片3调整偏振方向后入射到偏振分束镜4，被分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光，一束透射为测量光，一束反射为参考光；当这两束线偏光分别被直角棱镜A5和直角棱镜B6反射回偏振分束镜4时已两次经过1/4波片A7和1/4波片B8，其偏振方向各自改变90度，先前的透射光束将反射，并通过压电陶瓷9实现移相，而先前的反射光束将透射；从偏振分束镜4出射的两束正交偏振光分别通过偏振片A10、偏振片B11调整其偏振方向，然后再通过显微物镜A12、显微物镜B13分别耦合到测量光纤14和参考光纤18；从测量光纤14的端面衍射的球面波透过分束镜15，在被测平面镜16的表面反射并折回；反射波前是携带有被测平面镜16面形信息的球面波前，其球心位于测量光纤14的端面通过分束镜15在被测平面镜16中所形成的像点P17；上述球面波前再次被分束镜15反射，形成测量波前；参考光纤18的端面放置于像点17关于分束镜15的共轭位置，从参考光纤18的端面衍射的球面波透过分束镜15形成参考波前，与上述测量波前汇合而发生干涉；通过计算机21控制压电陶瓷9实现步长为π/2的移相，移相干涉图通过成像镜头19被CCD摄像机20接收，送入计算机21按标准方法即4步或5步移相算法进行处理分析；图1中通过旋转1/2波片3和偏振片A10、偏振片11可以调整参考光与测量光的相对强度，以达到最佳的条纹对比度；该步测量结果包含被测平面镜16的波差和分束镜15带入的波差；
第二步：如图2所示：移除被测平面镜16，保持其他光学元件原位不动；将测量光纤14的端面移动到像点P17的位置；从测量光纤14的端面衍射的球面波被分束镜15反射形成测量波前；从参考光纤18的端面衍射的球面波透过分束镜15形成参考波前；参考波前与测量波前汇合而发生干涉；通过计算机21控制压电陶瓷9实现步长为π/2的移相，移相干涉图通过成像镜头19被CCD摄像机20接收，送入计算机21按标准方法即4步或5步移相算法进行处理分析；图2中通过旋转1/2波片3和偏振片A10、偏振片B11可以调整参考光与测量光的相对强度，以达到最佳的条纹对比度；该步测量结果仅仅包含分束镜15带入的波差；
第一步的测量结果减去第二步的测量结果即得到被测平面镜16的波差；被测球面镜16的面形计算如下：
设φ(x，y)是通过上述运算得到的被测平面镜16中坐标点(x，y)处的波差，被测平面镜16在(x，y)点的面形为F(x，y)，有：
F(x，y)＝λ·φ(x，y)·cos[θ(x，y)]/4π
其中λ是光波长，θ(x，y)是测量光束在(x，y)点的入射角度。