提高MEMS扫描红外激光外差干涉仪测量精度的关键问题研究

The optical homogeneity is an important indicator to Measure the quality level of optical materials.Along with the national major optical engineering project, the launch of the demand is imperative.For the transmission of the waves of light to 632.8 nm optical glass material, Zygo laser interferometer is good choice.But for those who can't transmission 632.8 nm infrared materials of the waves of light, and there is no corresponding measuring method.In 2010, HIT put forward a scheme of MEMS scanning infrared laser heterodyne interferometer. The scheme adopts the infrared optical fiber laser as a coherent light source, the acousto-optic frequency shift to produce a 100 Hz carrier signal, by Comparing the Phase difference of the reference signal not transmitted through the sample and the measured signal through the sample phase to get the optical thickness information.In order to achieve large-diameter measurement task, the MEMS placed at the anterior focal point of the scan lens can produce hundreds of thousands of beam that is perpendicular to the samples, the rational design of the working distance, Can be achieved to the large diameter sample of measurement .In previous work we found that phase nonlinear distortion of the Division optical element , linearity of the MEMS scanning optical system ,leakage of the Reference signal light, extraction algorithm of the phase,the secondary data processing are the key issue of restricting the measurement precision.Through the studies in the project to solve, use of optical fiber replacing part of the free space light path can reduce the requirements of the test environment.

光学均匀性是衡量光学材料质量高低的一项重要指标。随着国家重大光学工程项目的开展,需求日益迫切。对于能透射632.8nm光波的光学玻璃材料,Zygo激光干涉仪是不错的选择。但对于那些不能透射632.8nm光波的红外材料,目前还没有相应的测量手段。2010年哈工大提出了MEMS扫描红外激光外差干涉仪方案。该方案采用红外光纤激光器作为相干光源,经声光移频器产生百赫兹的载波信号,比较未透过样品的参考信号和透过样品的测量信号的相位差，获得光学厚度信息；为了实现大口径测量任务，MEMS反镜置于扫描透镜前焦点处,可产生几十万条垂直于样品的光束,合理设计工作距离，可对大口径样品进行测量。前期工作发现:光学元件相位非线性畸变、MEMS扫描光学系统线性度、参考信号光的“泄漏”、相位提取算法、二次数据处理等是制约测量精度的关键问题,通过本项目研究加以解决,利用光纤替代部分自由空间光路,降低对测试环境的要求。

本项目以红外材料光学均匀性、表面粗糙度、光学厚度、内应力等高精度测量的迫切需求为背景，在前期研究基础上，解决了提高MEMS扫描红外激光外差干涉仪测量精度的若干关键问题。.1、主要研究内容.（1）研究分析光学元件波前相位非线性误差产生机理. 建立MEMS扫描镜、透镜、反射镜、偏振分束器和波片等光学元件产生相位非线性误差的物理模型；分析偏振态、消光比、准直度等参数变化产生的相位非线性误差。.（2）研究MEMS扫描光学系统线性均匀扫描关键技术. 研究MEMS扫描镜扫描图样轨迹规律；MEMS与f - sin-1 透镜构成线性扫描光学系统的调试与实验；.（3）研究高精度相位提取算法. 对IQ正交解调法、FFT变换法和最小二乘法等算法的相位解调精度进行对比研究，找到适合本项目的相位提取算法；解决相位2的整数部分和2以内的小数部分测量解模糊的方法；.（4）研究高精度面形拟合算法. 研究Gram-Schmidt正交化面形拟合算法；研究 Householder变换面形拟合算法；比较分析Gram-Schmidt正交化和Householder变换两种算法优劣，从选择一种适合本项目的面形拟合算法；.2、重要成果. 该项目自2015年6启动以来，已完成计划任务书中所规定的全部研究内容，共发表学术论文10篇（国外期刊SCI论文6篇，国内会议论文4篇）、授权国家发明专利1项。该项目研究成果已应用到MEMS扫描激光外差干涉仪项目中，并取得了非常好的测试结果。在项目经费支持下，毕业答辩博士生1名、硕士生1名。.3、科学意义. 研究MEMS扫描激光外差干涉仪中波前相位非线性误差产生机理，寻找抑制这种误差的方法，提高测量精度；研究MEMS扫描镜非线性扫描轨迹运行规律，利用f - 透镜引入的非线性畸变，相互抵消，以期获得线性的均匀的激光束空间点阵，减少测量盲点和漏点，提高光学均匀性测量的置信度；研究正交偏振外差抑制参考光“泄漏”的方法，提高参考信号与测量信号的隔离度，进而提高相位提取精度；尽量使用光纤光路代替自由空间光路设计，提高激光外差干涉仪的测试环境适应性；最后综合运用上述研究成果，使MEMS扫描红外激光外差干涉仪的测量精度达到波长/100以上。