光栅横向剪切干涉仪及其系统误差分析

在分析光栅横向剪切干涉仪典型结构及系统参数配置,给出其适用范围的基础上,系统研究了该干涉仪结构最显著的系统误差:几何光程误差和探测器倾斜误差。采用Zernike多项式给出波前重建前后系统误差项的解析表达式;对其大小与被测数值孔径(NA)、衍射光会聚点间距d、剪切率s之间的关系进行了定量分析。几何光程彗差和像散、探测器倾斜像散和离焦是剪切干涉差分波前中最主要的误差项,波前重建后主要导致几何光程球差和彗差,探测器倾斜彗差。重建波前误差随着NA、d的增加而迅速增大,随着s的减小而增大。特别是小剪切(s≤0.05)时,波前重建对系统误差有增益效应,重建波前的系统误差值远大于差分波前。小剪切情况下,当d2μm、NA0.1时,重建波前误差的均方根值远大于1nm。     

光栅横向剪切干涉仪系统误差的校正方法

针对光栅横向剪切干涉仪研究了旋转绝对检测的方法,并用前36项Zernike多项式标定出剪切装置的系统误差非对称项。研究结果表明,将面形检测的绝对算法应用于检测镜头系统波像差,在干涉仪系统误差消除后可以达到相对理想的检测精度。实验数据的重复性的均方根可以达到0.14nm。     

可用于小口径光束波前检测的横向剪切干涉仪

提出了一种可用于小口径光束波面检测的横向剪切干涉仪。该干涉仪由偏振分光棱镜、光轴与其表面平行的晶体平板、1/4波片、反射镜及CCD构成。被测光束由偏振分光棱镜进行透射起偏和反射检偏,利用反射镜的反射两次经过晶体平板、1/4波片来实现剪切光束的等光程干涉。通过晶体平板剪切复制波面以获得小的剪切量,可用于小口径光束波面的检测。晶体平板的旋转可以改变剪切量,实现了不同口径不同波前的光束波面检测。对该干涉仪进行了仿真分析,得到了不同入射角情况下的剪切干涉图,仿真结果与理论分析结果相一致。实验中,旋转晶体平板得到的剪切干涉图与仿真结果相一致,很好地验证了该剪切干涉仪的有效性。     

会聚光横向剪切移相干涉

为了检测长光程情况或多组分光学镜头逐片装校中的波面,提出一种以会聚光波直接作为干涉测试光源的会聚光移相剪切干涉方法,阐述了基于迈克耳孙干涉仪原理的会聚光横向剪切干涉光路,建立了会聚光横向剪切波面的数学表达式,并与一般横向剪切干涉相比较,分析了剪切量和波面偏移量的特征,且引入移相干涉技术求取剪切波面.结果表明,会聚光横向剪切移相干涉测试,能够实时测试会聚光的波面质量,峰谷值(PV)的重复性为0.022λ,均方根(RMS)值的重复性为0.014λ,并与Zygo干涉仪的测量结果进行了对比,验证会聚光剪切移相干涉的可行性.     

猫眼法绝对测量干涉仪出射波前

由于非共光路误差是菲索干涉仪进行高精度检测中最重要的误差因素之一,而非共光路误差是由于非理想的光学系统即干涉仪的出射波前不理想造成的,所以为了测量干涉仪的出射波前来评估干涉仪非共光路误差的大小,提出一种利用干涉仪猫眼位置绝对测量干涉仪出射波前的方法。该方法基于干涉仪自身的面形测量功能,操作非常简单,只需要一块反射镜就能够实现干涉仪出射波前的测量。该方法通过至少三个猫眼位置的测量得到干涉仪出射波前的自身剪切数据,然后通过基于旋转平移的绝对检测算法直接得到干涉仪的出射波前的二维波前数据。实验结果表明:该方面能够实现不包括Power在内均方根(RMS)值约为15 nm的测量精度。该方法能够准确测量干涉仪出射波前,从而评估干涉仪非共光路误差。     

液晶空间光调制器波前模拟及误差补偿

反射式液晶空间光调制器(LC-SLM)反射基板的 曲率误差和液晶盒的边缘 场效应导致波前模拟精度下降问题,本文研究用LC-SLM模拟波前, 通过静态误差补偿法和残差反馈法,探讨提高波前模拟精度的有效方法。实验结果表明,LC -SLM能较好模拟基于Zernike多项式的离焦、像散、彗差和球差等8项波像差,但是具有一 定的模拟误 差,均方根误差(RMS)值平均为0.265λ ,静态误差补 偿法和残差反馈法使波前模拟误差RMS值分别降低到 0.223λ 和0.170λ,残差反馈法更有效。提高波前模拟精度能够使LC-SLM在 自适应光学技术、飞秒激光加工、实时全息显示和光学测量等领域具有更大的应用前景。     

用光学平板检验激光束的扩展

近似的平面波前的曲率可由剪切干涉仪测定，使波前的振幅的一部分和已被横向位移或剪切的另一部分发生干涉。当采用空间相干性和时间相干性极高的激光时，剪切干涉仪可以只包含一块光学平板，与照射波前保持一定角度，使从前表面和背面来的反射发生干涉，情况如图1所示。检验激光束扩展器的调节和质量，光学平板是一种极为简单的工具。这项技术有相当大的实用价值，因此有必要在这里描述一下简单的原理及应用。     

十三步光栅横向剪切干涉相位复原算法

光栅横向剪切干涉仪能够实现超高精度检测光学系统的波像差,是当前光刻镜头研发的重要组成内容之一。零级串扰和相移误差是影响光栅剪切干涉仪检测精度的两个主要因素,为此,提出了一种十三步光栅剪切干涉相位复原算法,在消除零级串扰的同时,还能够极大地降低对相移误差的苛刻要求。分析表明,当相移误差不大于25°时,相位复原误差小于0.01°(即2.8×10-5λ)。对于λ=193.386nm,相位复原误差小于0.005nm。因此,通过系统误差校正,光栅剪切干涉仪检测光刻镜头系统波像差的精度能够达到亚纳米级。     

双平板剪切激光干涉仪

本文分析了采用激光源时,双平板横向剪切干涉仪的工作原理,给出了干涉仪参数选择,并用此干涉仪对激光束的波前进行了测试。     

基于双频横向剪切干涉系统的三维形貌测量

近年来,结构光投影三维成像技术被广泛地应用至各个领域。该技术通常采用投影仪投影条纹,导致投影条纹的空间周期和精度有限,且在测量微小视场时会存在条纹强度不均匀、条纹焦面景深不够等问题。为解决该类问题,基于剪切干涉条纹的高空间分辨率优势,提出了一种利用横向剪切干涉条纹测量物体三维形貌的系统和方法。该系统利用激光波前以不同角度入射平行平板会产生不同频率干涉条纹这一性质,旋转平行平板改变剪切干涉条纹频率,利用低频条纹指导展开高频条纹相位。同时利用干涉条纹的入射角度与形变量内在联系,通过几何关系获得相位与高度的映射关系,以达到重建物体三维形貌信息的目的。实验验证了该系统及方法的可行性,证明了其对测量微小物体或视场有着明显的应用价值。     

Wavefront curvature sensor with phase defocus grating

The proposed optimum phase defocus grating for wavefront curvature sensing features an equidistantly quantized two-phase-step and a phase step height of π. The optimum phase defocus grating suppresses the influence of zero-order diffraction. The high diffractive efficiencies of the ±1 diffraction orders are verified experimentally, showing average values of 38.08% and 40.36% respectively. The phase plate introduces the wavefront deformation, which are measured by wavefront curvature sensing and reconstructed via the Green's Function algorithm. The reconstructed wavefront is compared with the measurement result of a Veeco interferometer. It is verified that the measurement of the self-designed curvature sensor is correct. The error percent of peak-valley value (PV) is 10%, and the error percent of root mean square (RMS) is 2%.     

使用双波带板径向剪切干涉仪检测非球面透镜

为了实现对光学非球面的低成本在线测量,在比较和分析现有非球面检测技术的基础上,设计并制作了一种小型径向剪切干涉仪用于检测非球面透镜。基于波带板可以聚焦成像的原理,该干涉仪采用不同焦距的双波带板产生径向剪切干涉。波带板由工业缩微矢量图制版技术设计和制作而成,并通过实验验证了该波带板的聚焦精度。采用傅里叶变换条纹相位分析法对干涉条纹进行处理,计算出波相差和波面面形。实验中给出了平面波光束经过一个非球面透镜后的波面面形检测结果和误差分析,使用该技术对标准非球面进行测试,波差峰谷值(P-V)达到了λ/5的精度,均方差(RMS)达到λ/10的精度。结果表明,该干涉仪具有体积小、抗干扰能力强等特点,适用于对小型非球面透镜进行在线检测。     

径向剪切干涉波前重建算法和不同倍数下重建精度的研究

提出一种新的基于循环式径向剪切干涉术的波前重建算法 ,以此模拟计算了不同放大倍数下波前的还原结果与还原精度 ,得出不同放大倍数下采用本算法都能还原出原始波前且还原精度相差不大的结论。同时在基于伽利略望远系统的循环式径向剪切干涉仪上测量了激光系统输出中存在台阶结构的畸变波前 ,得出了与此基本一致的结论。     

液晶光栅相控阵偏转波前测量方法研究

为了测试相控阵激光雷达的关键器件液晶光栅相控阵的偏转光束波前,以监控和评价雷达扫描光束的质量,采用带有光束变向功能的径向剪切干涉测量方法,进行了理论分析和实验验证,取得了口径为10mm×10mm的偏转波前测试系统与商用WYKO干涉仪的比对测试数据。两种仪器对同一块平面样板测出的波前之差的峰谷值小于λ/20,均方根值小于λ/200,还取得了实测液晶光栅相控阵不同偏转光束的波前数据。结果表明,该方法可以对液晶光栅相控阵的偏转波前进行高精度测试。     

部分补偿数字莫尔移相干涉的回程误差消除

为了实现非球面面形误差的高精度测量,研究了基于部分补偿原理的数字莫尔移相干涉技术中回程误差的消除方法。通过建立实际干涉仪和建模理想干涉仪,并运用数字莫尔移相干涉技术,获得实际干涉仪像面与被测非球面面形误差相关的波前;分析了该测量系统的误差,提出采用逆向优化法消除大面形误差时的回程误差实现被测非球面的面形误差检测。实验结果表明:与轮廓仪结果比对,面形误差较小时二分之一法重构面形误差,峰谷值和均方根值分别优于/20,面形误差较大时运用逆向优化法消除回程误差,重构的非球面面形误差峰谷值和均方根值偏差均优于/5。基于逆向优化法的部分补偿数字莫尔移相干涉非球面检测,有效消除了大面形误差时的回程误差,可实现高精度的面形误差重构检测。     

超半口径补偿剪切干涉法测量脉冲激光波面半径

针对当前对脉冲激光波面半径测量缺乏有效的测试方法，提出了集大错位与等光程于一体的四平板剪切干涉法，达到对脉冲激光波面半径的高精度测量。Ｒ值在３０～１０００ｍ的范围内，测量误差小于±５％     

大剪切量干涉的二维波前重建

提出一种基于模式展开和最小二乘拟合的算法，可以从大剪切量差分波前快捷地重建原始的二维波前。在傅里叶模式展开理论的基础上，从横向剪切干涉获得的差分波前，通过最小二乘拟合，可以计算出待测波前的傅里叶变换系数，重建出原始波前。针对大剪切量带来的差分相位数据维数减小的问题，提出了数据预处理方法。这个算法解决了已有的傅里叶模式估计理论中要求剪切量等于采样间隔的限制，可以应用于大剪切量干涉条件下的二维波前重建。     

一种基于平板横向剪切干涉的角位移测量方法

在一种已有的角位移干涉测量技术的基础上,提出一种改进的角位移测量方法.通过选择合适的初始入射角,使从平板前后表面反射的两光束实现剪切干涉.采用一维位置探测器测量光束经透镜会聚后在探测器光敏面上的光点偏移量.根据干涉信号的相位和光点偏移量可以计算出被测物体的角位移.在该测量方案中,引入的一平面反射镜与被测物体的反射面形成光程差放大系统,提高了角位移测量灵敏度.分析了初始入射角对剪切比的影响,并讨论了基于该方案的角位移测量精度.实验结果表明,基于该技术的角位移重复测量精度达到10-8rad数量级.     

平行平板角位移干涉测量仪的优化设计

提出一种可提高平行平板角位移干涉测量仪测量精度的优化设计方法。对角位移干涉测量系统进行了误差分析,讨论了影响角位移测量精度的主要因素。分析了在干涉仪光路中入射到平行平板上的初始入射角度、平行平板的折射率以及厚度等参数的选取对角位移测量精度的影响。结果表明,优化选取最佳的初始入射角度以及元件参数,并在于涉光路中附加引入一平面反射镜形成光程差放大系统,可实现的角位移测量精度达10~(-8)rad数量级。     

基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪

相移雅满横向剪切干涉仪非常适合于达到衍射极限的光束的波面检测。为了改进现有的在两路剪切光束中直接插入起偏器的相移雅满剪切干涉仪,提出了一种基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪。该剪切干涉仪利用雅满平板前后表面的反射进行分束并形成两路干涉光束,两路干涉光束分别通过剪切平板后偏振合束并进行偏振移相。它保持了常规雅满剪切干涉仪的光路结构,提高了剪切干涉图的对比度,不再存在插入起偏器引入测量误差的问题。构建了改进前、后的两种相移雅满双剪切干涉仪,并进行了相应的对比实验,实验结果很好地验证了基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪的实用性。