一种超高精度的光学表面平整度测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种超高精度的光学表面平整度测量方法，首先，开启所述宽带弱相干光源和光谱分析仪，在未放置被测光学元件之前，光谱分析仪探测到镀膜光纤端面反射回的参考光信号，即宽带弱相干光源的光谱，记录并保存此光谱；之后将被测光学元件放置在所述光纤探头的聚焦透镜焦平面附近，调整两者之间的距离，并调整所述光纤偏振控制器，使所述光谱分析仪上采集到的干涉信号的对比度最高，而后通过计算机控制扫描振镜运动，使测量光束在被测光学元件上运动，与此同时，控制光谱仪采集并存储相应的干涉信号；最后对采集到的干涉信号进行处理，即可得到被测光学表面的平整度信息。本发明具有抗干扰能力强，测量精度高等特点。
【专利说明】一种超高精度的光学表面平整度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量的【技术领域】，尤其是指一种超高精度的光学表面平整度测量 方法。
【背景技术】
[0002] 在光学元件加工制造领域，测量光学表面的平整度是一项极其重要的工作。光学 表面的平整度信息能够指导光学元件的加工工艺的制定，同时也能反映出产品的加工制造 水平。
[0003] 在光学干涉测量中，将被测光学表面的信息以光学强度条纹的形式表征出来，通 过对干涉条纹的记录和分析就能得到光学表面的平整度信息。传统方法中，被测相位的提 取是通过对干涉条纹的判读来实现的，这种目视测量方法精度较低，通常能达到约十分之 一波长的精度。现代光学干涉测量技术引入了相移方法，通过改变干涉光路中参考臂与信 号臂之间的相位差，记录多幅不同相位差下的干涉图，采用适当的算法计算就能提取出光 学表面的平整度信息，称为相移干涉测量。基于相移干涉原理出现的光学表面平整度测 量仪器称为相移干涉仪，其使用相移器产生相移调制（如压电陶瓷等，通过在压电陶瓷上 施加变化的电压，使其产生不同的电致伸缩位移，改变干涉光路中参考臂与信号臂之间的 光程差，从而改变两臂之间的相位差），这种相移干涉仪信噪比较高，测量精度通常能达到 1/100波长。
[0004] 然而，由于目前的相移器的相移调制速度较慢，或者由于相移器自身的位移特性 易受环境温湿度影响，以及相移过程中空气扰动等干扰因素的存在，实际的相移量往往偏 离预设的相移量，这极大的影响了测量结果的稳定性与准确性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于减小相移调制误差，提高干涉测量的稳定性与精度，提供一种 使用宽带弱相干光源作为测量光源、利用光谱产生相移的超高精度的光学表面平整度测量 方法，与传统的相移干涉仪相比，能够在不需要相移器的前提下实现光学表面的平整度测 量，不仅降低了干涉测量仪的成本，同时具有抗干扰能力强，测量精度高等特点。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种超高精度的光学表面平整度 测量方法，采用宽带弱相干光源、光谱分析仪、光纤耦合器、镀膜光纤、光纤偏振控制器、光 纤探头，其中，所述宽带弱相干光源和光谱分析仪分别通过光纤连接至光纤耦合器同一侧 的两个端口，所述镀膜光纤和光纤探头连接至光纤耦合器另一侧的两个端口，所述镀膜光 纤安装在光纤偏振控制器上，其输出端面镀有高反射膜，能够将该光纤中传输的光束反射 回光纤稱合器，且旋转光纤偏振控制器能改变光束的偏振态。
[0007] 在相移干涉测量中，被测物体上任意一点（X，y)的干涉信号I (X，y)可以表示为：
[0008] I (x, y) = A (x, y) +B (x, y) cos [ Φ (x, y) + δ (x, y)]
[0009] 其中，A(x，y)、B(x，y)、Φ (x，y)、δ (x，y)分别表示干涉信号的背景强度、调制强 度、被测物体的相位以及引入的相移量调制。通常，在相移干涉测量中，通过一定的方法引 入相移量调制，通过三幅以上干涉图就能够获取被测物体的相位信息。但由于相移调制速 度较慢以及相移器自身的位移特性易受环境温湿度影响，以及相移过程中空气扰动等干扰 因素的存在，实际的相移量往往偏离预设的相移量，这成为影响相移测量精度的主要原因。 [0010] 在本发明所提出的方案中，我们使用宽带弱相干光源作为测量光源，测得的干涉 信号可以表示为：
[0011] Ii (x, y) = A (x, y) +B (x, y) cos [ Φ i (x, y)]
[0012] 其中，Ijx，y)、A(x, y)、B(x, y)、Φ^χ, y)分别表示宽带弱相干光源中波长为λ i 的光波照射于被测物体时的干涉强度、干涉信号的背景光强、干涉信号的调制光强，以及被 测物体的相位。
[0013] Φ?(χ，γ)可以表示为：
【权利要求】
1. 一种超高精度的光学表面平整度测量方法，其特征在于：采用宽带弱相干光源、光 谱分析仪、光纤耦合器、镀膜光纤、光纤偏振控制器、光纤探头，其中，所述宽带弱相干光源 和光谱分析仪分别通过光纤连接至光纤耦合器同一侧的两个端口，所述镀膜光纤和光纤探 头连接至光纤耦合器另一侧的两个端口，所述镀膜光纤安装在光纤偏振控制器上，其输出 端面镀有高反射膜，能够将该光纤中传输的光束反射回光纤耦合器，且旋转光纤偏振控制 器能改变光束的偏振态； 当需要进行光学表面平整度测量时，首先开启所述宽带弱相干光源和光谱分析仪，在 未放置被测光学元件之前，所述光谱分析仪探测到镀膜光纤端面反射回的参考光信号，即 宽带弱相干光源的光谱，记录并保存此光谱；之后将被测光学元件放置在所述光纤探头的 聚焦透镜焦平面附近，调整两者之间的距离，并调整所述光纤偏振控制器，使所述光谱分析 仪上采集到的干涉信号的对比度最高，而后通过计算机控制扫描振镜运动，使测量光束在 被测光学元件上运动，与此同时，控制光谱仪采集并存储相应的干涉信号；最后，对采集到 的干涉信号进行处理，即可得到被测光学表面的平整度信息，其处理流程如下： 1) 利用预先采集到的宽带弱相干光源的光谱信号对光谱分析仪探测到的干涉信号进 行归一化处理； 2) 将归一化处理后的干涉信号由波长空间转换为波数空间，并按频率等间隔进行插值 重采样； 3) 对重采样后的数据进行傅里叶变换，去除直流分量，然后进行傅里叶逆变换，得到处 理信号； 4) 从处理信号的起始点开始依次选取相移量间隔的数据点，利用这些数据点结合相移 算法，计算出干涉条纹所代表的包裹相位Φ1 ; 5) 对所有探测点的干涉信号重复进行上面步骤1)至步骤4)的操作，获得所有探测点 的包裹相位，解包裹后得到光学元件表面的相位变化Φ ; 6) 利用公式λ i为宽带弱相干光源的起始波长，即可得到光学元件表面上所 2π 有探测点的相对高度信息，即光学表面的平整度信息。
2. 根据权利要求1所述的一种超高精度的光学表面平整度测量方法，其特征在于：所 述宽带弱相干光源为工作在近红外波段的脉冲或连续式光源，其中心波长为λ。，起始波长 为λ i，光谱带宽为△ λ ;所述光谱分析仪能够探测到宽带弱相干光源的整个工作波段；所 述光纤稱合器为迈克尔逊结构，可传输中心波长为λ。、带宽为Δ λ的宽带光。
3. 根据权利要求1所述的一种超高精度的光学表面平整度测量方法，其特征在于：所 述光纤探头包括有一个准直透镜、一个二维扫描振镜和一个聚焦透镜，所述准直透镜、二维 扫描振镜的镜片旋转中心以及聚焦透镜三者共轴，所述二维扫描振镜靠近聚焦透镜的镜片 中心位于聚焦透镜的后焦点上；在测量过程中，由所述宽带弱相干光源输出的光束经过光 纤耦合器后分为两束，其中一束光在镀膜光纤中传输后经镀膜端面返回光纤耦合器，另一 束光经过光纤探头后由被测光学元件表面返回光纤耦合器，两束光的光程相等。
【文档编号】G01B11/30GK104296698SQ201410587349
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】张凤杰, 曹祥东 申请人:广州飞拓优视光电科技有限公司, 武汉虹拓新技术有限责任公司