为了消除Michelon测量光路中PBS胶合层所引入的寄生条纹误差, 提出了一种以TP(Twin-PBS)结构为分光核心的动态干涉光路。结构以Mach-Zehnder光路为起点, 融合同步移相的偏振光学需求、开放的外部测量臂需求、紧凑化与调校便利性需求以及测试光束和参考光束只在PBS内的镀膜面进行分光的需求。采用琼斯矩阵构建了偏振光传输模型, 通过Zemax等软件的仿真模拟, 对新式光路进行了紧凑化设计和调校工艺流程设计, 压缩了调校步骤。最后利用配置光源组件、成像组件、模块化光路与偏振CCD构成的TP型动态干涉仪对三反系统进行了镀膜前预测量, 实现了(4%)3极弱反射光下的精密测量。

随着精密制造行业对光学元件面形要求的提高, 干涉仪系统误差的标定越来越重要。其中, 采用液面基准法作为干涉仪系统误差标定的方案具有高精度, 低成本的优点。在不考虑外界因素的影响下, 理论上液体平晶曲率与地球半径相同, 可认作绝对平面进行系统误差标定。但由于液体对环境较为敏感, 不易控制, 因此如何建立一个高精度的液面基准是整个过程中最为关键的一个环节, 其直接影响了系统精度。由于液体的流动性特点使得以往的时间移相方法不再适用, 因此采用了点源异位立式斐索干涉仪进行液面的动态测量, 对液体、液盘的各项性质进行综合分析。最终完成了高精度的液面基准建立, 可用于干涉仪的系统误差标定。

为了快速获取不平整度达数微米量级的光学表面面形分布，提出一种基于变倾角移相的斜入射动态干涉仪方案。基于迈克耳逊干涉仪主光路系统，采用2×2 点光源阵列，通过精确控制各点光源在干涉腔的入射倾角，引入等间隔移相，结合透镜阵列实现空间分光，在单个CCD 上同时采集四幅移相干涉图，实现动态测量。在68°斜入射角下测量了口径35 mm 硅片的平整度，均方根(RMS)值为1.631 μm，峰谷(PV)值为9.082 μm。实验结果表明，将变倾角同步移相技术引入斜入射干涉系统，可以克服环境震动的干扰，在保证高精度的前提下拓宽了可见光干涉仪的测量范围。

为了实现斐索型干涉仪的动态干涉测试, 研究了一种采用短相干光源的动态斐索干涉仪。以中心波长为638 nm、带宽为0.1 nm的二极管泵浦固体激光器作为光源, 与偏振延迟装置结合得到一对短相干正交线偏振光, 通过调节光源模块中两支线偏振光的光程差来匹配斐索干涉腔的长度, 从而获取一对光程差为0的相干光束。使用偏振相机采集得到四幅位相依次相差π/2的移相干涉图, 按照四步移相算法解算相位, 恢复待测元件的表面面形。采用光强归一化算法有效地抑制了偏振态误差导致的移相干涉图光强不一致在最终恢复波面中引入的一倍频波纹误差。采用琼斯矢量和琼斯矩阵分析了干涉图对比度与s光和p光光强比值的关系, 并分析了1/4波片方位角误差对最终恢复波面的影响。利用该装置和Zygo GPI XP型干涉仪测量了同一块光学平晶, 其均方根值相差0.024λ, 峰谷值相差 0.026λ。

为了避免平行平晶测量时前后表面干涉的影响, 基于点源异位同步移相原理, 提出一种均匀性绝对测量方法.测量分为平行平晶前后表面干涉测量、平晶透射波前测量、干涉仪空腔测量三步.每步通过在同一时刻抓拍的四幅移相干涉图恢复波前, 最终由三次测量结果计算平行平晶的均匀性分布.在非抗振平台上测试了一块厚度为60mm的光学平行平晶, 被测样品均匀性偏差的峰谷值为ΔnPV=3.32×10－6, 均方根值为ΔnRMS=2.63×10－7.检测结果与波长调谐干涉仪测量结果的峰谷值偏差为ΔPV=5×10－7, 均方根值偏差为ΔRMS=－7×10－9, 具有较高的一致性.所提方法在环境振动条件下对平行平晶均匀性检测精度可达1×10－6.

为了实现光学元件相位缺陷的大视场、高分辨率、动态检测, 设计了一种动态泰曼干涉仪。该干涉仪采用短相干激光器结合迈克耳孙干涉结构产生1对相位延迟的正交偏振光, 以此作为光源, 通过匹配偏振型泰曼干涉仪干涉腔的相位差, 补偿参考光与测试光之间的相位延迟。利用偏振相机瞬时采集4幅移相量依次相差π/2的干涉图, 通过移相算法即可求解得到相位缺陷的信息。利用平面波角谱理论进行仿真, 分析了二次衍射对测量结果的影响; 利用琼斯矩阵法分析了偏振器件误差对测量结果的影响。实验检测了1块激光毁伤的光学平板, 测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比, 相对误差为2.4%。此外, 采用所述方法对强激光系统中光学平晶的相位疵病进行检测, 测试结果显示波前峰谷值为199.2 nm。结果表明, 该干涉仪能够有效应用于光学元件相位缺陷的检测。

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求, 本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200 mm×300 mm×20 mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验, 采用误差均化拼接算法进行拼接, 并对拼接后的结果进行分析处理, 比较拼接测量与全口径测量结果, PV值的相对误差为3.1%, RMS值的相对误差为16%, Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。

针对共光路菲索型动态干涉仪采集到的4幅条纹图的空间一致性问题, 本文提出一种新的条纹图配准思路, 将条纹图与图像配准在关联度上人为分开, 搭建了专用的图像配准装置, 避免将条纹与十字丝标志点混在一幅图像内而影响干涉仪的测量精度。首先通过本文搭建的条纹图配准装置对4台CMOS相机进行物理配准, 然后利用整体最小二乘法对采集到的同一十字丝刻划板图像进行十字丝提取、交点计算以及旋转量计算, 实现共光路菲索型动态干涉仪条纹图像的点点对应。最后通过试验对比验证, 证明了本文算法的配准精度优于模板重心法的配准结果, 互相关度达到96%以上。