一种超光滑表面光学元件的表面特性测量装置及方法

本发明涉及表面特性测量装置及方法，具体涉及一种超光滑表面光学元件的表面特性测量装置及方法。

背景技术：

1、太空、光刻以及科研等诸多领域对超光滑表面光学元件的使用越来越普遍。随着微电子学、短波光学、薄膜光学等领域相关技术的快速进展，大科学装置、高端仪器的相继出现，对光学元件表面质量的要求越来越高。

2、超光滑表面光学元件，是指表面粗糙度均方根值(rms)小于1纳米的光学元件，其物理结构完备，具有完整晶格结构；表面损伤控制严格，表面精度高，且残余应力极小。超光滑表面是现代科学技术领域中的一项关键技术，广泛应用于光学、半导体、航空航天、电子等领域。超光滑表面的制备对提高设备性能、提升产品质量至关重要。

3、一般情况下，由于制造环境、加工工艺等因素的限制导致光学元件在加工过程中会形成气泡、划痕、毛疵等缺陷，造成光学元件质量严重下降。如果这种光学元件没有被检出而被使用，则会对光学系统造成难以预测和控制的影响。一个微小的毛疵或划痕都有可能对光学系统造成致命性的影响，使光学系统无法正常工作。因此，除了加工技术外，针对超光滑表面的检测技术也是制约该领域发展的重要一环。尤其光学元件的表面特性，能够反映出诸多信息，是光学领域中的一个关键性指标。

4、超光滑表面的面形测量面临着一些独特的挑战。首先，由于其表面光滑度的极高，传统的触摸式测量方法往往无法满足要求。其次，超光滑表面往往具有复杂的几何形状，如非球面或自由曲面，这使得测量过程更加复杂。此外，由于超光滑表面对环境的敏感性，如温度和湿度的变化，测量结果也会受到影响。

5、对于超光滑表面的表面检测，传统的检测方法是通过扫描探针式轮廓仪进行检测，该方法是通过将被测面与检测装置直接进行接触来获得被测表面的信息。但是，首先该方法需要接触被测物体表面，极其容易对元件造成二次损伤。其次，适用范围受到被测物体的材质限制，比如柔软、易变形的物体无法进行准确测量。而且，该方法检测过程复杂，需要专业的技术人员进行操作，检测成本高昂，而且需要定期维护和校准，以确保其准确性和稳定性，又会增加测量系统的维护成本和时间。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决通过扫描探针式轮廓仪检测超光滑表面光学元件的表面特性，由于需要接触待测光学元件表面，因此存在极易对待测光学元件造成二次损伤，适用范围受到待测光学元件的材质限制，以及检测过程复杂，需要专业的技术人员进行操作，检测及维护成本较高的不足之处，而提供一种超光滑表面光学元件的表面特性测量装置及方法。

2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

3、一种超光滑表面光学元件的表面特性测量装置，其特殊之处在于：包括光源组件、偏振分光棱镜、第一测量组件、第二测量组件、信号处理单元和计算机；

4、所述光源组件用于产生入射光线，并将入射光线分为频率不同、偏振方向互相垂直的第一光线和第二光线；

5、所述偏振分光棱镜设置在第一光线和第二光线的光路上，用于产生第一光线的反射光、第一光线的透射光、第二光线的反射光、第二光线的透射光；待测光学元件设置在第一光线的透射光光路上；

6、所述第一测量组件包括依次设置在第二光线的透射光光路上的反射镜b、反射镜d，以及棱镜a、检偏器a、透镜组a和光电探测器a；所述反射镜b、反射镜d用于将第二光线的透射光输入棱镜a，棱镜a设置在第一光线的反射光光路上，用于将第二光线的透射光、第一光线的反射光折转输入检偏器a，检偏器a用于使第一光线的反射光、第二光线的透射光发生干涉，输出第一干涉光；所述透镜组a和光电探测器a依次设置在第一干涉光的光路上，用于聚焦后采集到第一信号；

7、所述第二测量组件包括设置在第二光线的反射光光路上的反射镜c，以及反射镜e、棱镜b、检偏器b、透镜组b和光电探测器b；所述反射镜c用于将第二光线的反射光折转输入棱镜b，所述反射镜e用于第一光线的透射光聚焦在待测光学元件表面后产生的散射光线输入棱镜b，棱镜b用于将第二光线的反射光、散射光线折转输入检偏器b，检偏器b用于使第二光线的反射光、散射光线发生干涉，输出第二干涉光；所述透镜组b和光电探测器b依次设置在第二干涉光的光路上，用于聚焦后采集到第二信号；

8、所述信号处理单元的输入端分别连接光电探测器a、光电探测器b的输出端，输出端连接计算机的输入端，用于对第一信号、第二信号进行计算得到待测光学元件表面信息并输入计算机。

9、进一步地，所述光源组件包括用于产生入射光线的光源，以及依次设置在入射光线光路上的整形扩束镜组、布拉格调制器、反射镜a、光阑、λ/2波片；所述整形扩束镜组用于对入射光线进行整形扩束输出整形扩束后光线；所述布拉格调制器用于通过调制产生频率不同、偏振方向互相垂直的第一光线和第二光线；所述光阑用于滤除杂光干扰；所述λ/2波片用于调整第一光线和第二光线的偏振态并输入所述偏振分光棱镜。

10、采用布拉格调制器来产生频率不同，偏振方向互相垂直的两束光，有效避免杂散光和回授光的干扰。

11、进一步地，所述整形扩束镜组与布拉格调制器之间设置有声光移频器，声光移频器用于对整形扩束后光线进行频率调制处理。

12、采用声光移频器对信号进行移频处理，有效避免了环境中的低频噪声。

13、进一步地，所述第二测量组件还包括设置在第一光线的透射光光路上的无像差聚光镜，用于将第一光线的透射光聚焦在待测光学元件表面，并将待测光学元件表面产生的散射光线汇聚至反射镜e。

14、无像差聚光镜可以对球差和色差进行校正，减少反射和吸收，提高光线透过率。使更多的光线通过镜片，提高光学系统的亮度和效率

15、进一步地，还包括高精度平移台，高精度平移台上设置待测光学元件，计算机的输出端连接高精度平移台，用于通过控制高精度平移台来移动待测光学元件。

16、同时，本发明还公开一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

17、步骤1、设置上述超光滑表面光学元件的表面特性测量装置；

18、步骤2、通过光源组件产生入射光线，并将入射光线分为频率不同、偏振方向互相垂直的第一光线和第二光线，输入偏振分光棱镜；通过偏振分光棱镜产生第一光线的反射光、第一光线的透射光、第二光线的反射光、第二光线的透射光；

19、步骤3、使第一光线的反射光进入棱镜a中，同时使第二光线的透射光经反射镜b、反射镜d后进入棱镜a，与第一光线的反射光分别在棱镜a中透射、反射后进入检偏器a，经检偏器a发生干涉，输出第一干涉光；使第一干涉光经过透镜组a聚焦到光电探测器a，得到第一信号，并输出至信号处理单元；

20、同时，使第一光线的透射光聚焦在待测光学元件表面，产生散射光线，并使散射光线经过反射镜e入射到棱镜b中；使第二光线的反射光线经反射镜c后，入射到棱镜b，与散射光线分别在棱镜b中反射、透射后进入检偏器b，经检偏器b发生干涉，输出第二干涉光；第二干涉光经过透镜组b聚焦到光电探测器b，得到第二信号，并输出至信号处理单元；

21、步骤4、通过信号处理单元对第一信号、第二信号进行计算得到待测光学元件表面信息输出至计算机，完成超光滑表面光学元件的表面特性测量。

22、进一步地，步骤4中，所述完成超光滑表面光学元件的表面特性测量之前还包括如下步骤：判断是否完成待测光学元件的每一个细分区域的测量，若是，则结束流程，完成超光滑表面光学元件的表面特性测量，否则通过控制高精度平移台来移动待测光学元件进入下一个细分区域后，返回步骤2。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、(1)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量装置，通过偏振分光棱镜、第一测量组件、第二测量组件实现了双光路测量，同步采集系统的参考信号，与探测信号进行计算，有效降低了测量装置的误差，提高了测量精度。本发明可以实现亚纳米级别的测量精度，适用于高精度表面特性测量；

25、本发明不仅可以获得待测光学元件的表面特性，还可以同时测量其它参数，如折射率、膜层厚度等，能够更加全面、准确的掌握待测光学元件的光学特性。相较于用光的强度特性作为主要特征对光学元件进行光学探测、识别以及特性研究，本发明不易受到外界测量环境等因素的干扰，会更加全面、准确，可以为科学研究和工程应用提供了更多信息。

26、(2)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，为非接触式测量，适用于各种形状的表面，包括平面、球面以及表面面形复杂的光学元件，如非球面或自由曲面等，不会对目标物体造成任何损伤，因此可以应用于各种材料和形状的元件。

27、(3)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，操作简单，测量速度快，能够在短时间内获取大量数据，实现实时测量，适用于对表面形状进行快速检测和实时监测，对于需要进行大规模面形测量的场景非常有益。

28、(4)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，采用多束偏振光进行测量，具有高分辨率和高灵敏度，能够实现对待测光学元件表面形貌的高精度测量。相比于传统的测量方法，本发明能够提供更为准确的数据和更为详细的表面形貌信息。

29、(5)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，采用布拉格调制器来产生频率不同、偏振方向互相垂直的两束光，有效避免杂散光和回授光的干扰。

30、(6)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，在光信号进行干涉的环节中，均未使用玻片来改变光线的偏振态，从源头上消除了玻片所引入的线性误差，同时缩减了成本，降低了操作难度。

31、(7)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，采用声光移频器对信号进行移频处理，有效避免了环境中的低频噪声。

32、(8)本发明一种超光滑表面光学元件的表面特性测量方法，在待测光学元件前采用无像差聚光镜，对球差和色差进行校正，减少反射和吸收，提高光线透过率。使更多的光线通过无像差聚光镜，提高了测量装置的亮度和效率。