CN105928454B - 一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，其采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低；尤其对于大口径面形的测量，相比机械驱动同样的优势更明显；同时，采用了双光纤插芯的方案，用两束点衍射光分别作为参考光与测量光，增大了光纤点衍射干涉仪的可测量镜面相对孔径。

Description

一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪。

背景技术

以深紫外光刻机投影曝光系统为代表的高端光学设备，对光学元件的加工、光学系统的集成提出了极大挑战。干涉仪作为高精度光学元件加工和光学系统集成不可或缺的核心检测设备，检测精度要求不断提高。

传统光学加工中采用的光学面形检测方法包括哈特曼传感器法、刀口法和轮廓法等。这些方法分别存在着非数字化需主观判读或接触损伤待测件等不同的缺点，且很难达到较高的测量精度，是简单测量方法。

干涉检测法早在百年前就已经被使用，属于非接触式测量，且具有大量程、高灵敏度、高精度等特点，在高精度检测时被广泛应用，其原理是一束光照射标准的参考平面作为参考光，另一束光照射被测面返回带有面形信息作为测量光，两束光干涉时由于光斑不同位置相位不同产生光程差从而产生弯曲的干涉条纹，即可判断待测面的面形起伏。直到1974年Bruning等人提出移相干涉技术，把通讯理论中同步相位探测技术引入到光学干涉术中，使得干涉检测球面面形的精度大大提高。

传统球面干涉检测法都是利用一个具有较高面形精度的参考球面获得所需参考波面，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。因而标准镜上参考面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，而点衍射干涉仪(Point Diffraction Interferometer，简称PDI)的出现和发展很好地解决了该问题。点衍射球面干涉检测技术的基本思想是利用点衍射原理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。利用点衍射原理获得理想球面波前，避免了传统干涉检测系统中由于标准镜面形误差对于系统检测精度的限制，因而可以达到衍射极限性能的分辨率，并使得检测精度具有较好的再现性。

按照点衍射波前的获取方式不同，可将点衍射球面干涉检测法分为光纤点衍射干涉检测法和针孔点衍射干涉检测法。

目前的光纤点衍射干涉检测法由于采用高精度的机械移动作为移相方法，因此精度仍不够高，成本高，研制难度大。尤其对大口径面形的测量，精密机械驱动精度降低，测量精度也随之降低；此外，采用一根光纤出射光锥的一部分作为测量光，与另一部分作为参考光干涉，因此有效光锥的锥角很小，使得可测量的镜面数值孔径范围受到较大限制。

目前的针孔点衍射干涉检测法中使用压电陶瓷推动被测镜面进行机械移相测量，但是压电驱动的机械移相不适用大口径的被测目标镜，压电陶瓷难精确驱动质量很大的物体；同时，被测镜面会聚的光斑如果较大，则返回到小孔处容易受到小孔边缘衍射的干扰，改变波前相位分布，降低测量精度；且微小的衍射小孔制作工艺复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，提到了测量精度，降低了研制难度与成本，且具有较好的抗干扰性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，包括：激光器、半波片、偏振分光镜、两个声光移频器、两个光纤耦合镜、两根单模保偏光纤、双光纤插芯、被测镜、分光片、成像镜头以及面阵探测器；其中：

激光器出射的激光经过半波片后射入偏振分光镜，偏振分光镜将激光分为两束；两束激光依次通过不同的声光移频器与光纤耦合镜后耦合至不同的单模保偏光纤中；

两根单模保偏光纤的出射端均插在双光纤插芯中，并通过双光纤插芯将两根单模保偏光纤输出的激光垂直出射；其中一束激光作为参考光射向分光镜，另一束激光作为测量光射向被测镜；测量光被被测镜反射后经分光镜与参考光重合相干涉，再经成像镜头射入面阵探测器。

进一步的，激光器出射的激光经过半波片与偏振分光镜分为偏振方向相互垂直的两束激光，所述半波片用于调节两束激光的分光比。

进一步的，两个声光移频器的移频量不同，差频后为几赫兹或几十赫兹量级的低差频。

进一步的，所述双光纤插芯内有两个连通下端面与上端面的通道，两个单模保偏光纤分别从双光纤插芯下端面的通道入口插入，直至上端面的通道出口处；所述两个通道分别相对上端面法线成相同的角度i，且两个通道出口的间距小于预定值。

进一步的，还包括：监视镜头与监视相机；

所述测量光与参考光经分光镜时，一部分光射向成像镜头，另一部分光经过监视镜头射入监视相机。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低；尤其对于大口径面形的测量，相比机械驱动同样的优势更明显；同时，采用了双光纤插芯的方案，用两束点衍射光分别作为参考光与测量光，增大了光纤点衍射干涉仪的可测量镜面相对孔径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪的光路示意图；

图2为本发明实施例提供的双光纤插芯的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的采集的信号形式示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，其光路结构如图1所示，主要包括：激光器、半波片、偏振分光镜、两个声光移频器、两个光纤耦合镜、两根单模保偏光纤、双光纤插芯、被测镜、分光片、成像镜头以及面阵探测器；其中：

激光器出射的激光经过半波片后射入偏振分光镜，偏振分光镜将激光分为两束；两束激光依次通过不同的声光移频器与光纤耦合镜后耦合至不同的单模保偏光纤中；如图1中，一束激光经过声光移频器1与光纤耦合镜1后耦合至单模保偏光纤1中；另一束激光经过声光移频器2与光纤耦合镜2后耦合至单模保偏光纤2中；

两根单模保偏光纤的出射端均插在双光纤插芯中，并通过双光纤插芯将两根单模保偏光纤输出的激光垂直出射；其中一束激光作为参考光射向分光镜，另一束激光作为测量光射向被测镜；测量光被被测镜反射后经分光镜与参考光重合相干涉，再经成像镜头射入面阵探测器。

本领域技术人员可以理解，所述的参考光与测量光是针对激光射向的器件而言；即作为参考光射向分光镜的激光可以是单模保偏光纤1出射的激光，也可以是单模保偏光纤2出射的激光；同理，作为测量光射向被测镜的激光可以是单模保偏光纤1出射的激光，也可以是单模保偏光纤2出射的激光。

本发明实施例中，激光器出射的激光经过半波片与偏振分光镜分为偏振方向相互垂直的两束激光，所述半波片用于调节两束激光的分光比。

本发明实施例中，两个声光移频器的移频量不同，差频后为几赫兹或几十赫兹量级的低差频。

如图2所示，所述双光纤插芯内有两个连通下端面与上端面的通道，两个单模保偏光纤分别从双光纤插芯下端面的通道入口插入，直至上端面的通道出口处；所述两个通道分别相对上端面法线成相同的角度i，且两个通道出口的间距小于预定值。此外，上端面进行高精度研磨抛光，使其表面具有较好的表面粗糙度与反射率，其工艺与常规的光纤插芯端面研磨相同。根据被测件的反射率，抛光后的端面可以镀半透半反膜。

所述角度i的大小由分光片所用材料的折射率n决定，为了保证出射的光束方向与分光镜成45°，则：

本领域技术人员可以理解，双光纤插芯出射的两束激光在法线两侧均与分光片呈45°夹角，这两束激光的夹角则为90°。

另一方面，所述双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪还包括：监视镜头与监视相机；所述测量光与参考光经分光镜时，一部分光射向成像镜头，另一部分光经过监视镜头射入监视相机；用于辅助光路与干涉图的调整。

本发明实施例中，通过面阵探测器获得干涉图后，可通过求解干涉图即可得到待测镜的面型。

求解原理如下：

设移频后两束光的频率分别为ν₁和ν₂，频差ν₁-ν₂为赫兹或几十赫兹量级，高速相机采用数百赫兹量级，因此可以准确探测外差的拍频信号。设两束光的光强都为E，则面阵探测器上一点采集的随时间t变化的干涉信号S(t)表示为：

其中，L为测量光束往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R为被测镜表面粗糙的起伏量，c为光速。面阵探测器的一点对应待测面上的一个点，相机连续采集一组面阵照片，即为一组数据立方，对应相同每一点的值抽取出来为一余弦周期信号，即为S(t)的形式，如图3所示。由信号形式可以看出，不同点由于粗糙起伏的R值不同，造成面阵探测器上对应点探测的信号相位不同。利用傅里叶分析或其它数据处理方法可解算每点出信号的相位，合成起来进行去噪、相位解缠解、面型复原等计算后即可得到待测表面的起伏量。即实现了全视场外差对面型的测量。

本发明实施例的上述方案，采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低；尤其对于大口径面形的测量，相比机械驱动同样的优势更明显；同时，采用了双光纤插芯的方案，用两束点衍射光分别作为参考光与测量光，增大了光纤点衍射干涉仪的可测量镜面相对孔径。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，其特征在于，包括：激光器、半波片、偏振分光镜、两个声光移频器、两个光纤耦合镜、两根单模保偏光纤、双光纤插芯、被测镜、分光片、成像镜头以及面阵探测器；其中：

激光器出射的激光经过半波片后射入偏振分光镜，偏振分光镜将激光分为两束；两束激光依次通过不同的声光移频器与光纤耦合镜后耦合至不同的单模保偏光纤中；

两根单模保偏光纤的出射端均插在双光纤插芯中，并通过双光纤插芯将两根单模保偏光纤输出的激光垂直出射；其中一束激光作为参考光射向分光镜，另一束激光作为测量光射向被测镜；测量光被被测镜反射后经分光镜与参考光重合相干涉，再经成像镜头射入面阵探测器；

所述双光纤插芯内有两个连通下端面与上端面的通道，两个单模保偏光纤分别从双光纤插芯下端面的通道入口插入，直至上端面的通道出口处；所述两个通道分别相对上端面法线成相同的角度i，且两个通道出口的间距小于预定值。

2.根据权利要求1所述的双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，其特征在于，

激光器出射的激光经过半波片与偏振分光镜分为偏振方向相互垂直的两束激光，所述半波片用于调节两束激光的分光比。

3.根据权利要求1所述的双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，其特征在于，两个声光移频器的移频量不同，差频后为几赫兹或几十赫兹量级的低差频。

4.根据权利要求1所述的双光纤点衍射全视场低频外差干涉仪，其特征在于，还包括：监视镜头与监视相机；

所述测量光与参考光经分光镜时，一部分光射向成像镜头，另一部分光经过监视镜头射入监视相机。