点衍射干涉检测系统光学结构参数优化及误差分析研究

【摘要】光学技术的快速发展对光学系统质量或光学面形要求不断提高,而现有商用干涉仪的检测精度由于受到标准面加工的限制,其检测精度的均方根值(RMS)一般为λ/50～λ/100,无法达到更高的检测精度。针孔点衍射干涉检测技术作为一种高精度检测手段,可实现亚纳米量级的检测精度。在点衍射干涉仪(PDI)中,除了衍射波前误差会影响系统的测量精度外,衍射光的强度和光强均匀性对检测精度也有很大的影响。检测数值孔径内的光强分布不均匀,衍射光强不足时,将会导致干涉图样的对比度与信噪比不理想,从而会影响系统的检测结果。较小的波前误差、合适的衍射强度、均匀的衍射光强都有助于点衍射干涉系统测量精度的提高,然而在针孔点衍射干涉系统中,有几个关键的光学结构参数,包括显微物镜数值孔径、针孔尺寸、检测数值孔径,对上述三者均有一定的影响,并且对他们的作用是相互制约的。因此只有选取合理的光学结构参数,使得三者达到一个均衡匹配的状态,从而使得点衍射干涉检测系统满足检测要求。本文采用时域有限差分方法(FiniteDifferenceTimeDomainMethod,FDTD)分别建立了二维和三维针孔点衍射波前质量仿真模型。并分别分析了针孔点衍射干涉系统中关键结构参数,即显微物镜数值孔径、针孔尺寸以及检测数值孔径,对针孔衍射参考波前误差、衍射光强以及光强的均匀度的影响。并根据具体的检测要求,优化关键光学结构参数,得到不同检测精度要求对应的结构参数匹配值。这些分析对点衍射干涉系统的结构参数选取具有一定的指导意义。分析了当会聚光斑与针孔中心之间分别存在平移、倾斜、离焦对准误差时,针孔衍射波前质量的变化。同时还对针孔由于存在加工误差导致其形状为椭圆时,对衍射光强的分布所引起的变化进行了相应的分析。将仿真得到的结果应用到自行搭建的点衍射干涉检测实验系统中,对球面面形进行测量,可以得到具有合适的对比度和亮度的干涉条纹。并与业界公认的Zygo干涉仪的测量结果进行对比,两者测量的波前均方根误差(RootMeanSquare,RMS)偏差达到0.0008λ,从而验证了光学结构参数选择的合理性。
【作者】邵卫红；
【导师】杨甬英；刘东；
【作者基本信息】浙江大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】光学检测；点衍射干涉检测；有限时域差分方法；衍射波前误差；光强均匀度；

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