双球面法标定立式参考球面的精度分析

　　1　引　言

　　光学元件的面形质量是影响光学系统成像的关键因素之一。随着大口径、超大口径的光学天文望远镜以及深紫外(DUV)、极紫外(EUV)光刻投影物镜等大型高精密光学系统制造的需要[1-3]，对光学元件面形的精度(RMS值)要求达到纳米甚至亚纳米水平。Carl　Zeiss[4]于2010年报道了光刻物镜中的光学元件面形精度要求优于250pmRMS。高精度光学元件的制造需要在加工过程中不断地检测面形质量，根据检测的结果控制加工的方向，经过多次迭代才能加工出满足要求的元件。计算机控制抛光技术(CCOS)、磁流变技术(MRF)、离子束抛光技术(IBF)[4-8]等高精度加工技术的兴起，理论上已能够制作纳米及亚纳米精度的光学元件，而相应的高精度检测技术成为瓶颈。

　　光学干涉法是高精度面形检测最成熟和有效的技术之一，而相移式Fizeau型干涉仪是目前以纳米级精度检测光学元件面形最常用的设备，近年来这方面的研究非常多，技术的发展也很迅速。但是普通干涉仪的检测结果是参考面与被测面的面形之和，检测精度不高于参考面的精度，而高精度的参考面制作困难，价格昂贵，目前国内没有商业产品，国外的产品价格动辄数十万美元，而且部分禁售。因此，人们在Fizeau干涉仪的基础上，又演化出多种测试技术，包括点衍射[9-10]、计算全息(CGH)、Null　Lens以及绝对检测等[11-13]，以期实现更高精度的光学检测。

　　点衍射技术利用小孔产生完美的衍射波前，故其检测精度取决于衍射孔的质量;而高质量的衍射孔制作复杂，同时衍射效应对光强的损失很严重，增加了信息处理的难度;CGH技术和NullLens技术主要针对非球面和自由曲面的检测，并且波前比较复杂，不容易对波前检测，而且衍射光栅受制作工艺的限制很大。绝对检测技术需要通过调整干涉仪的干涉腔两端的元件来获得多种干涉图，然后利用数学算法进行波面处理，即可计算被测元件的面形误差，是一种方便、相对容易实现同时又能保证较高检测精度的方法。自三平板绝对检测技术出现以来，又发展出奇偶、旋转平均、双球面、绝对小球等[11-16]多种方法对球面或平面面形进行绝对标定，有文献报道的检测精度已经达到亚纳米量级。

　　本文对利用双球面绝对检测技术标定立式干涉仪标准镜参考球面的精度进行了深入研究。首先对双球面法绝对检测的算法进行了推导，通过理论分析或模拟计算分析了空气温度、气压、振动等环境因素及重力、标准镜安装夹持力等对高精度检测的影响;然后利用双球面法，通过标定了用于立式和卧式两种不同Fizeau干涉仪中的标准镜参考球面的面形;进而根据实验结果分析了环境、重力、安装夹持力等对测量的影响，并利用误差合成公式将分析与测量结果对比。结果证实，双球面法是一种高精度绝对检测方法;立式Fizeau干涉仪的参考球面在使用前必须进行严格标定。研究结果对利用立式干涉仪实现高精度面形检测具有一定的指导意义。