采用相移干涉原理的平面度测量系统误差分析与校正

　　0　引言

　　平面度检测是高质量平面加工过程中的一个重要环节,由于光学测量具有非接触、无损伤和测试精度高等特点,在平面度测试中得到广泛的应用。光学检测主要包括激光散射法、散斑法、干涉法以及光学触针法等[1]。相移干涉法是一种常用的光学检测方法,它克服了传统逐点测量工作效率低的问题,可以实现全域检测,并用于微机电系统(MEMS)器件表面形貌和静动态特性的测量[2-4]。目前国外主要的光学仪器公司如Veeco和Zygo都已经推出了高精度的表面轮廓仪,其视场范围最大达数百毫米,精度可达λ/100,但价格十分昂贵。

　　本实验室组建了基于相移干涉原理的平面度测试系统,可以用于检测微变形反射镜[5]的镜面品质(镜面口径为25mm)。变形镜主要应用于自适应光学的波前校正,对平面度有很高的要求。基于相移干涉法的平面度测量分辨率高,但易受系统误差的影响,导致测量精度降低,因此必须对测量误差进行分析和校正。本文分析了影响相移干涉系统精度的主要误差来源,利用Zernike多项式拟合并校正波前像差,减小了系统测量误差。

　　1　相移干涉测量系统组成

　　1974年Bruning描述了相移干涉法原理[6],相移干涉法采用移动参考平面,以改变干涉光路中测量光与参考光间的位相差,使干涉场的光强发生相应变化。采用四步相移法,使参考面产生πi/2(i=1,2,3,4)的相移,干涉图相位值φ为:

　　φ=arctan[(I₄-I₂) /(I₁-I₃)] (1)……………

　　式中:Ii为干涉条纹强度(i=1,2,3,4)。

　　通过解包络算法得到被测物体的表面形貌h为:

　　h=λφ/(4π) (2)…………………………………

　　式中:λ为波长;φ为干涉图的相位值。

　　实验室自行组建的相移干涉测量系统主要由分光棱镜、参考平面、高稳He-Ne激光器(λ=633nm)、纳米定位器、两级变倍扩束器(每级均为 5~10倍放大率、连续可调)、CCD摄像头(Sony公司CoolSnap制冷型, 1392×1024像素)和Nikon物镜组成,如图1所示。整个系统置于气浮隔振平台上。本系统可以进行全场的平面度检测,其测量口径为25mm。

　　2　系统误差分析

　　利用上述系统测量λ/8(λ=633nm)光学平晶时,产生明显的测量误差。图2a所示为测量时的干涉图样,图2b所示为系统测量误差,其表面形貌的峰谷值(平面度)PV约为280nm。需要分析误差产生的原因,并对该误差进行校正。相移干涉测量系统误差包括相移器误差、光学系统误差和环境误差等[7-9]。由于使用高稳He-Ne激光器,且测量环境是恒温、恒湿的十万级洁净室,所以环境误差可以不予考虑。