（草稿-文章发表于5月份的Photonics Spectra）

动态干涉测量缩短大型光学元件生产周期

作者：Mike ZECCHINO,4D技术公司

     动态激光干涉测量技术是一种公认的、可以在振动和空气扰动条件下，测量光学级精密表面的测量技术。与传统的激光干涉测量技术相比，动态干涉测量技术不需要昂贵的防振隔离系统，不需要测量仪器与被测样品间的大型机械耦合元件，也不需要xx空气扰动。该测量技术提供了极为有效的方法，来评估大型光学元件加工质量，通常这类大型光学元件的直径都有一米甚至更大，且被测光学元件甚至需要被放置在离干涉仪非常远（几十米）的位置进行测量。

     动态干涉仪不仅可以检测光学元件的最终面形，同时它也能够提供xx的面形数据来指导抛光。这些数据中涵盖了早期的乃至整个过程的数据，从而可以帮助更好地进行抛光，进而大大缩短了生产周期。

     在抛光过程中测量大型光学元件存在着很多困难，而动态干涉仪可用于克服这些困难。

抛光过程中的光学测量

     在车间环境下进行大口径光学元件的测量面临着许多困难，图1是一个测量大型非球面元件的典型光路。大型光学元件的的尺寸和曲率半径，决定了其需要被放置在离测量系统较远的位置处进行测量。

     这种测量间距对于时间域的相移激光干涉仪来说，具有非常大的挑战性。这是由于时间相移系统需要获得多帧条纹图数据，其获取时间很长，在数百毫秒量级。在测量期间，振动和空气扰动会对数据采集造成极大干扰，甚至导致无法获取数据。因而，需要严格地控制振动和空气扰动，而这就需要在干涉仪和光学元件间添置机械隔振平台，并且需要严格地控制空气扰流以及温度梯度。所有的这些设施都是非常昂贵的，并且需要对环境设施进行较大的调整。

     然而在抛光过程中更是遇到了另外一些难题。{zd0}化抛光去除量的获得，需要对测量进行极大改进，改进的方面包括光路系统构架、光路调节、数据采集和分析，这些过程都需要保证速度越快越好。

     另外，光学元件面形的起伏程度将超出大多数系统的测量能力。在早期抛光的过程中，大型光学元件的局部面形偏差有可能超过40微米。如此高的局部偏差将难以用测量系统来检测。定性的方法可以提供某种程度上的工艺反馈，但制造商越快得到定量的数据，就可以使抛光过程更快更准确。这种抛光早期时的定量反馈在自动化抛光设备中尤为重要。

抛光反馈

     在一次瞬时干涉测量中，所有的数据都可以在一个单帧图像中获得，而不需要采集多帧图像。而单帧图像的采集时间只需要数十微妙，因而振动几乎对测量没有任何影响。这种对振动不敏感可以允许测量元件位于离系统较远的位置，甚至于被直接放置在混凝土地板上。另外，可以通过均化测量技术将气流的影响xx掉。相比而言，传统干涉仪在测量时比较容易受到轻微空气扰动的影响，而瞬时测量的干涉仪却对扰动比较大的气流也都不敏感。

     已经发展得比较成熟的几个瞬时相移数据采集技术和应用如下：

1. 基于软件的空间载波法中，采用相对于测量光束倾斜参考面的方法，来获取高频倾斜条纹。通过软件算法将倾斜条纹过滤掉，然后确定相位算出表面高度。

2. 在离轴的斐索型干涉测量中，测量光束和参考光束分别通过不同的内部孔径，从而选择出从测量元件和参考表面返回的正确偏振态的光束。这两个孔径同时也滤除掉了倾斜条纹和空间高频信号。

3. 在拼接干涉测量中，将涵盖组合镜面各个不同部分的数据拼接在一起，从而得到一个完整的面形结果。

4. 在动态干涉测量中，通过偏振原理将测量光束分成四个或者更多的相位。全部的相位信息同时被记录和分析，从而确定表面面形高度。

     这些瞬时测量的方法或许都可以对大型光学元件的最终质量进行控制。然而，大多数方法都不能够为抛光的早期阶段提供反馈。在空间载波系统中，滤波需要xx条纹倾斜，这样就大大限制了其空间分辨率，以致限制了可以解析的面形的斜度范围。理论2中的高频空间频率也被其所使用的光阑过滤掉了，这也同样导致了其可以测量的面形斜度范围受到限制。拼接干涉保留了高频空间频率，但在拼接过程中，必须要非常谨慎地保存低频数据。目前已经证明的只有动态干涉仪具有在典型的抛光过程的环境下可以测量全空间频率的数据。

测量大型的非球面元件

     在新墨西哥州Optical Surface Technologies of Albuquerque公司，致力于特殊应用的光学元件的光学设计、制造、镀膜等。在一个最近的项目中，该公司正在对六块直径1.4米的抛物柱面镜进行抛光。反射镜严格要求最终表面面形的RMS值要达到29nm，因此大尺度的面形和小尺度的局部误差在抛光过程中都是极为重要的。

     测试系统的设置需要将光学元件放置在距离干涉仪大约3米的位置，这就意味着必须将被测光学元件放置在一个单独的混净土板上。由于测试系统位于两条州际公路交叉口处，因而测量需要在在非常大的噪音和振动的环境中进行。

     主要的抛光过程分为两个阶段：{dy}阶段将整体抛光成一个球面，第二阶段抛光到最终表面形态。Optical Surface Technologies的光学加工部门经理Rod Schmell 提出：在加工进度极为紧张时，加工早期获得可靠的测量数据显得尤为重要。他说到：“如果当镜子面形的RMS值达到33个波长时，我们能够观察到镜子的表面偏差量，那我们就可以更快地更好地抛光到最终的面形。”

     在这几种测量方法中，他们{dy}次采用的是离轴斐索干涉仪来进行测量，但由于极端的局部斜度（图3所示），他们无法得到可靠的数据。之后他们在采用动态干涉仪时，发现在这样的粗糙等级下还可以很准确的测量出结果。“我们得到了我们可以相信的数据，我们便可以在整个抛光过程中跟踪数据的结果，”Schmell说到：“这些数据给了我们更迅速地得到最终产品的信心。”

     而且，有一点非常重要的是，动态干涉仪在测量过程中非常便于使用。安装调试离轴斐索型系统需要调节每个光学元件的两个光点，找准正确的光点将耗费大量的时间和精力。而泰曼格林型干涉仪没有这个限制。这个优点，加上系统便于携带等等，可以使得抛光小组测量一次的停工时间减少到15分钟。

总结

     动态干涉仪可以为手动和自动抛光过程、从初步抛光和最终成型，提供定量的反馈。由于克服了大多数抛光过程中的环境因素所造成的影响，动态干涉仪使得抛光过程中的停机检查时间极大地减少了，使生产厂家能够xxx、更迅捷地完成抛光过程。

关于作者：Mike Zecchino  4D技术公司的应用工程师

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图1：测量大型光学非球面的传统光路结构

图2：直径1.4米的抛物面光学表面的测量光路，图中的前面是干涉仪，CGH（计算全息图）和光学元件

图3：早期抛光时局部斜度较大的大型光学元件对应的非常密集的条纹