基于两平晶三面互检的折射率均匀性测量方法
0 引言
光学制造技术的发展对光学平晶的面形质量和折射率均匀性的要求越来越高,在动态干涉测量等领域都有应用[1-3]。对于常用的633 nm红光波段,1 ppm(10-6)量级的不均匀性就能引起波面变化。美国的AI C等提出了采用光学干涉法,主要包括翻转法和透射法[4],来测量光学材料的均匀性。国内的郭培基等提出了光学平行平板样品不均匀性的绝对测量方法,进一步丰富了光学玻璃均匀性测量的方法[5-8]。张瑞应用同步移相干涉仪检测了平行平板的光学均匀性[9],白云波则完成了对1 m级大口径钕玻璃的均匀性拼接测量[10]。MATOUŠEK O通过傅里叶变换计算了折射率均匀性[11]。透射法可以消除样品面形及系统带来的误差,是目前定量测量光学均匀性精度最高的方法,也是在高精度测量玻璃光学均匀性时使用最广泛有效的方法。但是上述干涉测量方法除了干涉仪的参考平晶和被测样品外,还需要另外一块平晶作为反射平晶使用才能完成对被测样品折射率均匀性的检测,即至少需要三块平晶才能实现。
奇偶函数法和旋转平均法都是光学绝对检验中常用的方法。AI C等首次提出了奇偶函数法,将波面分解为偶偶、偶奇、奇偶和奇奇四个部分分步求解[12]。XU Chen提出了用两块光学板实现绝对检验的方法,他通过透射法预先对透射平晶的折射率均匀性进行检测和扣除,并通过两平晶的三个平面完成了绝对检验工作[13]。ZHAI Dede提出了一种基于移位旋转的绝对测试算法。需要90°旋转和横向移位,便于大口径平面的实施[14-15]。ZHOU You结合奇偶函数和N位旋转平均的思想完成了对600 mm平晶的绝对检验[16]。WANG Yuntao通过奇偶函数法完成了对300立式干涉仪的精度调校[17]。
本文结合了光学平晶绝对检验中两平晶绝对检验方法、奇偶函数算法和旋转平均算法的思想,提出了一种只需要使用参考平晶和反射平晶两块平晶就能够完成对参考平晶折射率均匀性质量评估的方法。该方法使用两块平晶的三个参考面以及多次旋转干涉测量,通过将折射率均匀性分成奇偶项求解再叠加的方式实现。利用Zernike多项式进行了原理性的仿真,在100 mm Zygo干涉仪上进行了实验,并通过透射法测量待测平晶的折射率均匀性。
1 两平晶三面测量折射率均匀性原理
提出的两平晶三面测量折射率均匀性的过程如
首先,透过B面使非工作面A和C进行干涉,测量得到波面结果记录为
式中,(x,y)表示规定的以测试面C为正方向坐标系,(-x,y)表示该面关于y轴发生了翻转,
通过奇偶函数的分解方法,以偶奇(
式中,下标
同理,可以求得
通过式(
式中,
通过
式中,如果C在直角坐标系下表示为
因此
在得到
对于还没有求出的
此时已经求出了
常用的Zernike多项式36项拟合只到
2 仿真
为了验证所提方法的可行性,进行数值仿真。使用Zernike多项式的前36项构建平面A、B和C的原始表面误差和折射率均匀性误差波面,如
表 1. 仿真原始波面PV和RMS值
Table 1. PV and RMS values of original simulation wavefront
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表 2. 复原折射率均匀性的PV和RMS值
Table 2. The PV and RMS values of recovered refractive index uniformity
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根据提出的方法恢复得到的折射率均匀性结果如
图 3. 折射率均匀性波面复原结果及残差对比
Fig. 3. Recovered refractive index uniformity wavefront results and its residual comparison
从
以材料折射率均匀性的标准来判断,假设平晶材料的厚度为10 mm,原始波面折射率均匀性为7.8 ppm,而复原波面的折射率均匀性为7.2 ppm,结果仅相差0.6 ppm,可以认为两者处于同一量级,说明该方法对评价折射率均匀性指标具有较好的效果。
3 实验与结果
3.1 100 mm平晶实验
为了进一步验证该方法的准确性,在Zygo GPI干涉仪上使用Φ100 mm平晶进行实验,装置如
图 4. 两平晶折射率均匀性检测装置
Fig. 4. Experimental setup for two flats refractive index uniformity test
图 5. 两平晶法测量透射平晶折射率均匀性波面
Fig. 5. Wavefront of refractive index uniformity of transmission flat by two flats method
在测量过程中,透射平晶在对点板上存在前后表面2个光斑,反射平晶只有1个光斑。透过平晶测量会引入折射率均匀性误差,条纹图及测量结果中能够看出比较明显的应力条纹,如
采用传统三平晶透射法测量同一块透射平晶的折射率均匀性,与两平晶法进行比较,实验装置如
图 6. 透射法测量折射率均匀性实验
Fig. 6. Experiment of transmission method for refractive index uniformity test
透射法测量折射率均匀性的步骤如
图 7. 透射法测量折射率均匀性步骤
Fig. 7. Steps for measure refractive index uniformity by transmission method
计算出折射率均匀性
3.2 结果比较
通过两种方法计算出透射平晶的折射率均匀性结果如
表 3. 折射率均匀性复原结果的PV和RMS值
Table 3. PV and RMS of the recovered refractive index uniformity
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根据
4 误差分析
4.1 旋转角度误差
在实际测量过程中,由于旋转装置的机械误差,旋转过程中会产生角度误差。原始波面采用
根据
图 9. 旋转角度误差与残差关系
Fig. 9. Relationship between the rotation angle error and the residual error
4.2 对准偏差
在干涉测量过程中,干涉仪参考平面坐标被当作参考坐标。其他平面在对准以及旋转过程中都与参考坐标对准,但是实际上总会存在一定的偏差,影响测量结果。对准偏差和残差面之间的关系如
随着对准误差的增大,残差PV值快速变大,RMS值的增大则缓慢一些。如果偏差达到10像素,残差的RMS也能小于1 nm。换算成实际尺寸,在100 mm的平晶中,保证对准偏差小于1 mm,恢复结果的RMS值偏差能够小于1 nm。
5 结论
本文提出了一种基于两平晶三面互检的折射率均匀测量方法。在Φ100 mm Zygo GPI干涉仪上对该方法进行了实验验证,并与传统三平晶透射法进行了比对,结果表明,两种方法测量得到的折射率均匀性结果分布一致,数值仅相差0.2 ppm,验证了所提方法的准确性与可靠性。该方法仅需两块平晶,可拓展应用至大口径光学平晶折射率均匀性的检测,降低检测成本。
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