干涉仪如何选择合适的球面标准镜？

目录

前言

1、球面标准镜的主要选参数

2、菲索激光干涉介绍

3、标准镜的选取讲解：

4、选取要点总结：

5、其他补充

前言

这篇主要介绍球面干涉仪标准镜头的选择，以及需要注意和考量的参数；

1、球面标准镜的主要选参数

球面标准镜的主要选参数包括：

• 球面标准镜孔径大小，如ZYGO 6英寸，4英寸，或者2英寸球面镜。
• 球面标准镜标准面精度，及反射率。如通常的1/10波长精度，高精度1/20波长，以及1/40波长精度， UltraSphere™球面标准镜。
• F/number，即镜头的焦距除以孔径；F/number是选择球面标准镜最重要的参数。

在测试球面样品时，球面标准镜通常会产生一束汇聚的激光波前；汇聚激光的焦点与球面样品被测表面的球心重合；这样激光波前就会垂直于被测表面，原路反射，形成典型的菲索激光干涉。例如测试凹面样品时光路图如下：

2、菲索激光干涉介绍

斐索激光干涉仪原理为等厚干涉：单色光束入射到标准镜，部分反射为参考光束，部分透射并通过被测件的为检测光束。检测光束自准返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹。可用于检测光学元件面形、光学镜头波面像差以及光学材料均匀性等。

当标准球面和被测样品的F数满足一定的关系，同时被测样品凹球面或凸球面的曲率中心与标准球面镜的焦点重合放置，便可以检测样品的表面面形及不规则性。

• 球面透镜介绍

透镜按折射曲面的几何形状可以分为下列几种：球面透镜、轴对称的非球面透镜、柱面透镜以及阶梯透镜（菲涅耳透镜）等。在这里只讨论球面透镜，若其中央部分比边缘部分厚，称为凸透镜，反之，则称为凹透镜，如图1所示

• 球面干涉仪介绍

斐索激光干涉仪有平面和球面两种，与平面干涉仪相比，球面干涉仪需要在干涉仪上使用标准球面镜头，并且需要提供带轴向位移的至少三维调整架来对被测球面进行夹持。球面干涉仪一般有正置、倒置和水平放置三种。

3、标准镜的选取讲解：

以下是选取标准镜需要注意的点：

• F/number和R/number

与球面标准镜F/number对应的，是被测球面的R/number。R/number是指被测球面的曲率半径R除以被测孔径大小（以光学有效孔径计算较为准确）。

F/number或者R/number越小，意味着自标准镜汇聚，或自被测球面反射形成的“光锥”，张角越大；在相对较短的距离里就汇聚了，相关表面或波前称为“快”。反之张角越小，光锥尖锐，称为“慢”；球面测试时，无论是对凸或凹球面样品测量，标准镜F/number和样品的R/number会有一定的“快慢”匹配要求；如果匹配的不好，会造成只能测试部分孔径；或者分辨率下降的情况；严重不匹配时甚至无法测试。

凸面：

分别为F/number＜R/number时：有部分分辨率损失；

       为F/number＞R/number时：镜片边缘区域未检测到；

凹面：

需要注意标准球面镜的R值和被测镜片的R值之和，需要干涉仪的导轨或者行程可以满足测量条件；

4、选取要点总结：

综上所述，根据样品特性，判断一个球面标准镜是否能够测量；评估测试效果好坏的方法如下：

1. 对于凸面样品，其曲率半径必须小于焦点到球面标准镜标准面的距离；否则无法测量。（被测样品表面的球面半径必须小于球面标准镜的曲率半径。）
2. 无论凸面或者凹面样品，其R/number需要大于标准镜的F/number，测试范围才有可能覆盖全部样品表面；否则只能测到样品部分孔径。
3. 在R/number大于F/number时，理想情况下希望F/number越接近R/number越好；如果R/number相对F/number大很多，此时只使用摄像头中间小部分区域采样，会造成测试结果的分辨率大幅下降。
4. 当被测样品类型为凹球面时，干涉仪标准球面镜头的口径没有限制要求，但标准球面的Ｆ数必须等于或小于样品被测面的Ｆ数。只有满足此条件，光束才可以覆盖（取样）测量区域，进行全口径测量。
5. 对于凹面样品，虽然不用考虑球面的曲率半径小于球面标准镜的曲率半径，但需要注意标准球面镜的R值和被测镜片的R值之和，需要干涉仪的导轨或者行程可以满足测量条件；

5、其他补充

• 子孔径拼接技术（如果有该技术的干涉仪，则尽量保证被测件的被测百分比>50%而不需要完全覆盖；）如下图；

当被测样品为凸面且口径比较大时，则样品的被测范围将会比较小，故需要增加所选镜头的口径，从经济成本方面考虑，不建议使用更大直径的标准镜头，可选择子孔径拼接技术进行测量。

干涉仪的拼接技术是一种用于测量大口径光学元件面形的方法，它通过将光学元件的整体分割成几部分，并使用干涉仪分别对各局域面形进行测量，然后对各局部面形进行拼接得到最终面形。这种技术特别适用于那些超出了一般干涉仪测量范围的大型光学元件。

拼接干涉仪的基本原理是将大口径光学元件划分为若干相互重叠的子孔径，每个子孔径用标准干涉仪进行测量，然后通过适当的算法将各个子孔径的测量结果拼接到一起来获得全口径上的面形误差分布。这种方法不仅可以解决LTP（Long Trace Profiler）和NOM（Nanometer Optical Component Measuring Machine）的二维测量问题，而且可以实现高精度、大量程的测量。

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