CN100552376C - 光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法：将激光光源输出的偏振化激光束，经扩束后得到线偏振平面光源，然后进入平面偏振光干涉系统得到测试波面与参考波面共束且偏振方向互相垂直的干涉场，此干涉场光束经过四分之一波片和组合棱镜分光系统后分成空间分布均匀、强度均匀的四束光，四束光经检偏器后投射到CCD靶面上，这样经过一次高速采样就得到四幅移相90度的干涉条纹图。同时还公开了实施该方法的装置。本发明方法和装置，原理清晰，方法简单，装置具备小型化。实现了高精度光学干涉的现场动态测量，测量过程更为简单、方便。

Description

光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种光学波面检测领域中的动态干涉测量方法和装置，具体说是一种光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法和装置。

背景技术

在光学波面干涉测量术中，通常将激光作为相干光源，通过分振幅的方法产生两束波面，一束波面投向标准参考镜并返回后形成参考波面，一束波面投向被测件并返回后形成测试波面，参考波面与测试波面在空间相遇形成干涉场，由数字图像采集装置将干涉场以干涉条纹图的形式记录下来，对干涉条纹图进行分析就可以得出测试波面的形状。目前，在国内外商品化激光波面干涉仪中，还广泛使用光学移相测量的方法。这种方法将压电陶瓷变换器(PZT)作为光学移相的致动器件，标准参考镜通过弹性结构与PZT器件联结在一起，当给PZT加上步进电压时，PZT产生步进位移，此位移通过弹性结构传递给标准参考镜，从而可以阶梯式改变参考波面的相位亦即实现光学移相(通常移相步长为90°)，在移相过程中采集干涉场可以得到若干幅移相干涉条纹图。通过对多幅移相干涉条纹图的分析可进一步提高波面测量精度。然而，这种PZT光学移相是一种时域移相，当测试环境存在振动时，不同时刻采集的移相干涉图就会引入相位误差，这种误差通常是随机变化并难以消除的，它是时域移相干涉测量中误差的主要来源。即使不考虑环境振动的影响，干涉仪在每次测量前也要对PZT的电压位移特性进行线性校正，以保证测量过程中移相的准确性。

鉴于时域PZT光学移相不适合有振动的现场干涉测量，因此最直接的思路是在空域同时产生若干移相干涉场，对这些干涉场进行瞬态同步记录，就可以得到若干幅同步移相干涉条纹图。由于振动的影响对同步移相干涉条纹图的影响是一致的，通过移相算法中相减相除的方法就可以消除振动的影响，这样就实现了适应更多工作环境的高精度波面测量，并且不需要在每次测量前进行PZT线性校正。根据2001年James E.Millerd和Neal J.Brock等人的研究，采用全息光栅对光束进行四分束，并结合偏振干涉方法，在空间同时得到了四幅移相90°的干涉条纹图，这种方法获得了较好的测量结果。但由于采用金息光栅进行分光，为了不出现不必要的衍射光、不改变入射光的波面，对光栅制作工艺要求较高，因此这种干涉仪整体成本较高。

发明内容

为了克服常规移相式激光平面干涉仪时域测量原理的弊端，本发明提供一种使用简便、制造容易的高精度动态干涉测量方法和装置——光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法和装置，它采用组合棱镜对光束进行四分束，同时结合偏振干涉的方法在空域一次采集到四幅同步移相干涉条纹图，这四幅干涉条纹图成像在一只CCD靶面上。这种方法和装置可以实现在振动环境中进行动态高精度光学干涉测量的目的。

本发明光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法：将激光光源输出的偏振化激光束，经扩束后得到线偏振平面光源，透过半波片后，用偏振分光棱镜分成两部分偏振方向互相垂直的线偏振光；其特征是：将其中被偏振分光棱镜反射的一部分线偏振光经过四分之一波片后投向标准参考镜，返回后再次经过四分之一波片并透射出偏振分光棱镜成为参考波面；将另一部分透射出偏振分光棱镜的线偏振光经过四分之一波片后投向被测件，返回后再次经过四分之一波片并被偏振分光棱镜反射而成为测试波面；此时，参考波面与测试波面传播方向一致但振动方向互相垂直，两者再次透过四分之一波片后形成共束的旋转方向相反的圆偏振光；将这束光经过变焦变倍系统后用组合分光棱镜分成空间分布均匀、强度均匀的四束光，四束光分别经过透光方向依次相差45度的四只检偏器后投射到一只CCD靶面上，这样经过一次高速采样就得到四幅移相90度的干涉条纹图。此外，还可以通过旋转半波片的角度，调整干涉条纹图的对比度。由于振动的影响对四幅同步移相干涉条纹图的影响是一致的，通过移相算法中相减相除的方法就可以消除振动的影响，以适应更多工作环境的动态高精度干涉测量，并且不需要运用PZT进行机械式光学移相，也不需要在每次测量前进行PZT线性校正。

本发明光学干涉测量中分光、成像及同步移相装置，构成该装置的各个部件构成的光路为：以输出偏振激光束的稳频激光器为激光光源，所输出的激光束经扩束系统后得到线偏振平面光源，此线偏振平面光源透过半波片后被偏振分光棱镜分成两部分偏振方向互相垂直的线偏振光；其特征是：其中被偏振分光棱镜反射的线偏振光经过四分之一波片后投向标准参考镜，返回后再次经过四分之一波片，这样被偏振分光棱镜反射的线偏振光两次穿过四分之一波片，偏振方向旋转90度并透射出偏振分光棱镜成为参考波面；另一部分透射出偏振分光棱镜的线偏振光经过四分之一波片后投向被测件，返回后再次经过四分之一波片，这样透射出偏振分光棱镜的线偏振光两次穿过四分之一波片，偏振方向旋转90度并被偏振分光棱镜反射而成为测试波面；参考波面与测试波面传播方向一致但振动方向互相垂直，两者再次透过四分之一波片后形成共束的旋转方向相反的圆偏振光；该圆偏振光束光被反射镜反射后经过变焦变倍系统和组合分光棱镜系统后分成空间分布均匀、强度均匀的四束光，这四束光直接投射到检偏器上，产生四个彼此移相90度的干涉场；这四个移相90度的干涉场投射至数字CCD系统(13)的靶面上，从而得到四幅彼此移相90度的干涉条纹图。

检偏器由四只透光方向依次相差45度的检偏片以空间排列2×2的方式组合而成。

所述半波片可以旋转一定角度，以用于调整干涉条纹图的对比度。

所述组合分光棱镜系统由三只分光棱镜组成，每只分光棱镜将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的出射光束，其中一个分光棱镜将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的两束光束，两束光束再分别由另外两各分光棱镜无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的四束光，四束光的间距与检偏器、数字CCD靶面的尺寸是一致的。

本发明方法和装置，原理清晰，方法简单，装置中各部件加工(或购买)方便，整个装置具备小型化、易于使用的特点。运用本发明方法和装置可以实现高精度光学干涉的现场动态测量，测量过程较常规干涉仪更为简单、方便。

附图说明

图1是本发明提出的光学干涉测量中分光、成像及同步移相装置的光路和结构示意图。

图2是图1中组合分光棱镜系统光路和结构示意图。

图3是图1检偏器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细说明本发明所提出的光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法和装置。

实施例：如图1所示，本发明光学干涉测量中分光、成像及同步移相装置的主体是一个Twyman-Green型激光平面干涉仪，所用激光光源1是一个输出偏振激光束的稳频激光器，激光束经扩束系统2后得到线偏振平面光源，此线偏振平面光源透过半波片3后被偏振分光棱镜4分成两部分偏振方向互相垂直的线偏振光。其中被偏振分光棱镜4反射的线偏振光经过四分之一波片8后投向标准参考镜7，返回后再次经过四分之一波片8，这样被偏振分光棱镜4反射的线偏振光两次穿过四分之一波片8，偏振方向旋转90度并透射出偏振分光棱镜4成为参考波面；另一部分透射出偏振分光棱镜4的线偏振光经过四分之一波片9后投向被测件10，返回后再次经过四分之一波片9，这样透射出偏振分光棱镜4的线偏振光两次穿过四分之一波片9，偏振方向旋转90度并被偏振分光棱镜4反射而成为测试波面。参考波面与测试波面传播方向一致但振动方向互相垂直，两者再次透过四分之一波片5后形成共束的旋转方向相反的圆偏振光。这束光被反射镜6反射后经过变焦变倍系统14和组合分光棱镜系统(15、16、17)后分成空间分布均匀、强度均匀的四束光，这四束光直接投射到检偏器12上。检偏器12由四只透光方向依次相差45度的检偏片以空间排列2×2的方式组合而成(如图3所示)，这样从组合分光棱镜系统(15、16、17)出射的四束光(每束光都有左旋和右旋两种成分的偏振光)分别经过这四片检偏片后产生四个彼此移相90度的干涉场。这四个移相90度的干涉场投射至数字CCD系统13的靶面上，通过CCD的一次高速采样就可以得到四幅彼此移相90度的干涉条纹图。此外，所述半波片(3)可以旋转一定角度，通过旋转半波片(3)的角度，可以方便地调整干涉条纹图的对比度。组合分光棱镜系统(15、16、17)由三只分光棱镜组成，每只分光棱镜都可以将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的出射光束。分光棱镜(15)将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的两束光束，两束光束再分别由分光棱镜(16、17)无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的四束光，图2显示了四束光空间分布的情况。这四束光的间距与检偏器(12)、数字CCD(13)靶面的尺寸是一致的。

通过上述对本发明装置的描述可知，本发明光学干涉测量中分光、成像及同步移相装置完整地实现了本发明所提出的光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法，该装置的使用过程即是实现本发明方法的过程，在此不再重复陈述。

Claims (4)

1、光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法：将激光光源输出的偏振化激光束，经扩束后得到线偏振平面光源，透过半波片后，用偏振分光棱镜分成两部分偏振方向互相垂直的线偏振光；其特征是：将其中被偏振分光棱镜反射的一部分线偏振光经过第一四分之一波片后投向标准参考镜，返回后再次经过第一四分之一波片并透射出偏振分光棱镜成为参考波面；将另一部分透射出偏振分光棱镜的线偏振光经过第二四分之一波片后投向被测件，返回后再次经过第二四分之一波片并被偏振分光棱镜反射而成为测试波面；此时，参考波面与测试波面传播方向一致但振动方向互相垂直，两者再次透过第三四分之一波片后形成共束的旋转方向相反的圆偏振光；将这束光经过变焦变倍系统后用组合分光棱镜系统分成空间分布均匀、强度均匀的四束光，四束光分别经过透光方向依次相差45度的四只检偏器后投射到一只CCD靶面上，这样经过一次高速采样就得到四幅移相90度的干涉条纹图；

所述组合分光棱镜系统(15、16、17)由三只分光棱镜组成，每只分光棱镜将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的出射光束；第一分光棱镜(15)将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的两束光束，两束光束再分别由第二、第三分光棱镜(16、17)无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的四束光，四束光的间距与检偏器(12)、数字CCD(13)靶面的尺寸是一致的。

2、光学干涉测量中分光、成像及同步移相装置，构成该装置的各个部件构成的光路为：以输出偏振激光束的稳频激光器为激光光源，所输出的激光束经扩束系统(2)后得到线偏振平面光源，此线偏振平面光源透过半波片(3)后被偏振分光棱镜(4)分成两部分偏振方向互相垂直的线偏振光；其特征是：其中被偏振分光棱镜(4)反射的线偏振光经过第一四分之一波片(8)后投向标准参考镜(7)，返回后再次经过第一四分之一波片(8)，这样被偏振分光棱镜(4)反射的线偏振光两次穿过第一四分之一波片(8)，偏振方向旋转90度并透射出偏振分光棱镜(4)成为参考波面；另一部分透射出偏振分光棱镜(4)的线偏振光经过第二四分之一波片(9)后投向被测件(10)，返回后再次经过第二四分之一波片(9)，这样透射出偏振分光棱镜(4)的线偏振光两次穿过第二四分之一波片(9)，偏振方向旋转90度并被偏振分光棱镜(4)反射而成为测试波面；参考波面与测试波面传播方向一致但振动方向互相垂直，两者再次透过第三四分之一波片(5)后形成共束的旋转方向相反的圆偏振光；该圆偏振光束光被反射镜(6)反射后经过变焦变倍系统(14)和组合分光棱镜系统(15、16、17)后分成空间分布均匀、强度均匀的四束光，这四束光直接投射到检偏器(12)上，产生四个彼此移相90度的干涉场；这四个移相90度的干涉场投射至数字CCD系统(13)的靶面上，从而得到四幅彼此移相90度的干涉条纹图；

所述组合分光棱镜系统(15、16、17)由三只分光棱镜组成，每只分光棱镜将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的出射光束；第一分光棱镜(15)将入射光束无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的两束光束，两束光束再分别由第二、第三分光棱镜(16、17)无畸变地分成两束相互平行、空间分离且不改变偏振态的四束光，四束光的间距与检偏器(12)、数字CCD(13)靶面的尺寸是一致的。

3、根据权利要求2所述的光学干涉测量中分光、成像及同步移相装置，其特征是：所述检偏器(12)由四只透光方向依次相差45度的检偏片以空间排列2×2的方式组合而成。

4、根据权利要求2所述的光学干涉测量中分光、成像及同步移相装置，其特征是：所述半波片(3)可以旋转一定角度。

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