CN101324421A - 同步移相菲索干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种同步移相菲索干涉仪，其构成是沿所述的线偏振激光光源的光束前进方向上，依次是所述的二分之一波片、聚焦透镜、光阑、分束器、第一准直透镜、双折射薄膜型标准镜，所述的光阑位于所述的聚焦透镜的后焦点和所述的第一准直透镜的前焦点，在所述的分束器的垂直于上述光束前进方向的方向上依次是第二准直透镜与同步移相器，待测面处于所述的线偏振激光光源的光束经过所述的双折射薄膜型标准镜的出射方向上，所述的双折射薄膜型标准镜是一块标准平板并在该标准平板的入射面有增透膜，出射面具有双折射薄膜和增透膜，所述的双折射薄膜的相位延迟量为90°。本发明具有无原理性回程误差、测量距离远、结构简单、易于操作的特点。

Description

同步移相菲索干涉仪

技术领域

本发明涉及光学干涉测量，特别是一种同步移相菲索干涉仪。

背景技术

干涉仪是一种非接触的高精度测量仪器，在现代光学测量中得到了越来越广泛的应用。在多种干涉仪中，菲索干涉仪将参考臂包含在测量臂中实现了参考光束与测量光束的共光路干涉，具有简单紧凑的结构，降低了光学元件加工误差、装校调试误差以及外部环境因素对测量精度的影响，成为光学加工中最为常用的测试仪器。为了提高测量精度，需要在菲索干涉仪中引入移相技术来提取相位分布以获得面形信息。对于菲索干涉仪，常见的移相措施是压电陶瓷驱动标准镜移动或者改变激光波长，不同移相量的干涉图像需要在不同时间内进行采集，称之为时域移相菲索干涉仪。由于干涉图像采集时间的变化，时域移相菲索干涉仪对使用环境的要求非常苛刻，其中环境振动的影响尤为突出，因此时域移相菲索干涉仪不能用于光学元件的在线检测，需要在其测量过程中采用隔振措施来减小振动的影响。当时域移相菲索干涉仪与待测光学元件之间的距离很长而无法将它们置于一个防振台上进行测量时，外界振动将导致干涉图像抖动、扭曲、模糊，严重影响测量精度甚至使测量无法进行。为了实现抗振动测量与在线检测，一种技术途径就是将菲索干涉仪与同步移相技术相结合形成同步移相菲索干涉仪。同步移相菲索干涉仪瞬间获得多幅移相干涉图像，可以消除振动的影响，从而更好地满足实际生产应用的需求。

现有的同步移相技术均是将偏振方向相互垂直的测量光束与参考光束进行空间分光后利用偏振器件形成具有不同相位差的多个测量子光束、参考子光束，进而形成多幅具有不同移相量的干涉图像。在共光路干涉的同步移相菲索干涉仪中，一个技术难点就是偏振方向相互垂直的测量光束与参考光束的形成。在先技术[1](参见James E.Millerd，James C.Wyant.Simultaneous phase-shifting Fizeau interferometer.United States Patent，No.20050046864)描述了一种同步移相菲索干涉仪，它利用偏振分束单元将滤波后的光束形成偏振方向相互垂直且具有一定夹角的两束光，这两束光经过倾斜参考面和待测面的反射后得到具有一定夹角的两束参考光与具有一定夹角的两束测量光。在对准监视单元的监测下，不断调整待测面使偏振方向相互垂直一束参考光与一束测量光重合，重合的参考光与测量光进入同步移相器形成多幅依次具有一定移相量的干涉图像。在先技术[2](参见Piotr Szwaykowski，Federick NBushroe and Raymond J Castronguay.Interferometric system with reduced vibrationsensitivity and realated method.United States Patent，No.20060146341)描述了另一种同步移相菲索干涉仪，它利用对准监视单元进行监测并调整待测面使测量光束与参考光束具有一定夹角而被聚焦在焦面的不同位置上，两个对应位置处设置有两个偏振方向相互垂直的起偏器，则测量光束与参考光束的偏振方向相互垂直，再利用偏振合束单元使测量光束与参考光束合束后进入同步移相器。在先技术[1]、[2]所述同步移相菲索干涉仪中的测量光束与参考光束之间具有一定的夹角而使测量光束与参考光束不完全重合，这样一种不完全重合的光路结构在测量原理上就产生了回程误差，它随测量距离的增加而增大，即在引入测量误差的同时影响测量距离。测量过程中需要不断调整待测面，使同步移相菲索干涉仪的操作过程繁琐费时。需要引入偏振分束、合束单元和对准监视单元，同步移相菲索干涉仪的结构比较复杂。

在先技术[3](参见Brad Kimbrough，James Millerd，James Wyant，et al..Lowcoherence vibration insensitive Fizeau interferometer.Proc.SPIE，Vol.6292，62920F，2006)描述了一种同步移相菲索干涉仪，它所采用的光源为短相干性线偏振光源，光源的出射光束通过一个偏振迈克尔逊结构的光程差调整单元后进行扩束，光程差调整单元可使光束中平行、垂直于入射面的两个分量产生一定的光程差。扩束后的光束经过标准镜、待测面的反射后形成参考光束与测量光束，标准镜与待测面之间的光程差大于光源的相干长度，通过调整光程差调整单元可使参考光束中垂直于入射面的分量与测量光束中平行于入射面的分量之间的光程差小于光源的相干长度而产生干涉，或者使参考光束中平行于入射面的分量与测量光束中垂直于入射面的分量之间的光程差小于光源的相干长度而产生干涉，另外两个分量由于其光程差远大于光源的相干长度而不产生干涉。该同步移相菲索干涉仪实现了测量光束与参考光束的完全共光路，但其光路结构复杂，光程差调整过程繁琐，光源相干性短而不适合远距离测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种同步移相菲索干涉仪，该同步移相菲索干涉仪具有无原理性回程误差、测量距离远、结构简单、易于操作的特点。

本发明的技术解决方案：

一种同步移相菲索干涉仪，特点是其由线偏振激光光源、二分之一波片、聚焦透镜、光阑、分束器、第一准直透镜、双折射薄膜型标准镜、第二准直透镜与同步移相器组成，其位置关系是：沿所述的线偏振激光光源的光束前进方向上，依次是所述的二分之一波片、聚焦透镜、光阑、分束器、第一准直透镜、双折射薄膜型标准镜，所述的光阑位于所述的聚焦透镜的后焦点和所述的第一准直透镜的前焦点，在所述的分束器的垂直于上述光束前进方向的方向上依次是第二准直透镜与同步移相器，待测面处于所述的线偏振激光光源的光束经过所述的双折射薄膜型标准镜的出射方向上，所述的双折射薄膜型标准镜是一块标准平板并在该标准平板的入射面有增透膜，出射面具有双折射薄膜和增透膜，所述的双折射薄膜的相位延迟量为90°。

所述的分束器、第一准直透镜、第二准直透镜的入射面和出射面均镀有增透膜。

所述的线偏振激光光源为直接输出线偏振激光的激光器，或者是由激光器与起偏器构成的线偏振激光组合体。

所述的同步移相器为分束棱镜分光型同步移相器、衍射元件分光型同步移相器、全息元件分光型同步移相器或微偏振器阵列型同步移相器。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、无原理性回程误差。

本发明中测量光束经过待测面反射后与参考光束完全共光路经过双折射薄膜型标准镜、分束器和第二准直透镜后进入同步移相器，不会产生原理性回程误差。

2、测量距离远。

本发明中的激光光源可以具有长的相干长度，能够获得远的测量距离。测量光束与参考光束完全共光路，不存在回程误差影响测量距离的问题。

3、结构简单。

本发明是利用镀制在标准镜上的双折射薄膜来形成偏振方向相互垂直的测量光束与偏振方向，不需要增加结构复杂的偏振分束单元、偏振合束单元、对准监视单元，或者光程差调整单元，使其具有简单的结构。

4、易于操作。

完全共光路的干涉光路结构保证了测量光束与参考光束能够重合而产生干涉，无须精密调整待测面使偏振方向相互垂直的参考光束与测量光束重合产生干涉，无须调整测量光束与参考光束之间的光程差以产生干涉，故本发明的测量过程易于操作。

附图说明

图1为本发明同步移相菲索干涉仪的结构图。

图2为本发明双折射薄膜型标准镜的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明同步移相菲索干涉仪的结构图。由图1可见，本发明所述的同步移相菲索干涉仪，由线偏振激光光源1、二分之一波片2、聚焦透镜3、光阑4、分束器5、第一准直透镜6、双折射薄膜型标准镜7、第二准直透镜8与同步移相器9组成，其位置关系是：沿所述的线偏振激光光源1的光束前进方向上，依次是所述的二分之一波片2、聚焦透镜3、光阑4、分束器5、第一准直透镜6、双折射薄膜型标准镜7，在所述的分束器5的垂直于上述光束前进方向的方向上依次是第二准直透镜8与同步移相器9。待测面10处于所述的线偏振激光光源1的光束经过双折射薄膜型标准镜7的出射方向上。

本实施例中

所述的线偏振激光光源1为直接输出线偏振激光的激光器。

所述的二分之一波片2能够被旋转以改变其快轴方向。

所述的聚焦透镜3的后焦点位于所述的光阑4附近。

所述的光阑4处于所述的第一准直透镜6的前焦点上。

所述的分束器5、第一准直透镜6、第二准直透镜8的入射面与出射面均镀有增透膜。

所述的双折射薄膜型标准镜7的结构如图2所示，它由标准平板701、双折射薄膜702、增透膜703和增透膜704所组成，双折射薄膜702的相位延迟量为90°，增透膜703位于标准平板701的入射面上，双折射薄膜702与增透膜704依次位于标准平板701的出射面上。

所述的同步移相器9为衍射元件分光型同步移相器。

线偏振激光光源1输出的线偏振光束经过二分之一波片2后由聚焦透镜3聚焦在光阑4上进行滤波，滤波后的光束通过分束器5、第一准直透镜6后变成平行光，通过旋转二分之一波片2可以使该平行光的偏振方向与双折射薄膜型标准镜7中双折射薄膜702的快轴方向成45°夹角。该平行光通过双折射薄膜型标准镜7时，在标准平板701与双折射薄膜702的界面上产生两束光，一束光由标准平板701与双折射薄膜702的界面反射形成参考光束，参考光束原路返回标准平板701。另一束光从标准平板701与双折射薄膜702的界面透射形成测量光束，测量光束通过双折射薄膜702、增透膜704后由待测面10反射，待测面10反射的测量光束再次经过双折射薄膜702后与参考光束完全重合，但是其偏振方向被旋转90°，即偏振方向与参考光束的偏振方向垂直。测量光束与参考光束依次经过双折射薄膜型标准镜7、第一准直透镜6后由分束器5反射进入第二准直透镜8，测量光束与参考光束经过第二准直透镜8后成为平行光进入同步移相器9。偏振方向相互垂直的测量光束与参考光束将在同步移相器9中形成依次具有一定移相量的多幅移相干涉图像。

本发明中测量光束经过待测面10再次经过双折射薄膜702后与参考光束完全重合，不存在产生原理性的回程误差。本发明中的线偏振激光光源1可以为高相干长性激光，待测面10与双折射薄膜型标准镜7之间的距离高达数米甚至更高都可以进行测量。本发明不需要偏振分束、偏振合束单元与对准监视单元，也不需要光程差调整单元，其光路结构与常规菲索干涉仪的光路结构基本相同，具有简单的结构。本发明的完全共光路结构保证了待测面10反射的测量光束与双折射薄膜型标准镜7产生的参考光束能完全重合而产生干涉，无须调整待测面10的倾斜而使测量过程易于操作。

本发明的最佳实施例的光路结构如图1、图2所示，其具体结构和参数叙述如下：

线偏振激光光源1为直接输出线偏振激光的He-Ne激光器。二分之一波片2为相位延迟量误差小于0.5°的零级二分之一波片。聚焦透镜3的数值孔径为0.2。光阑4的大小为5μm。分束器5为消偏振分束立方棱镜，其通光口径为φ20mm。第一准直透镜6的焦距为1000mm。双折射薄膜型标准镜7中的标准平板701的面形精度优于λ/15，双折射薄膜702为相位延迟量等于90°的TiO₂雕塑双折射薄膜。第二准直透镜8的焦距为50mm。同步移相器9为采用正交相位龙基光栅的衍射元件分光型同步移相器。

将最佳实施例所述的同步移相菲索干涉仪对作为楔形平板前表面的待测面10进行实时面形测量，实验结果表明单次采集可以同时获得移相量分别为0°、90°、180°、270°的四幅移相干涉图像，在无抗振措施条件下的重复测量精度优于λ/500。

实验表明，本发明具有无原理性回程误差、测量距离远、结构简单、易于操作的特点。

Claims (4)

1、一种同步移相菲索干涉仪，特征在于其由线偏振激光光源(1)、二分之一波片(2)、聚焦透镜(3)、光阑(4)、分束器(5)、第一准直透镜(6)、双折射薄膜型标准镜(7)、第二准直透镜(8)与同步移相器(9)组成，其位置关系是：沿所述的线偏振激光光源(1)的光束前进方向上，依次是所述的二分之一波片(2)、聚焦透镜(3)、光阑(4)、分束器(5)、第一准直透镜(6)、双折射薄膜型标准镜(7)，所述的光阑(4)位于所述的聚焦透镜(3)的后焦点和所述的第一准直透镜(6)的前焦点，在所述的分束器(5)的垂直于上述光束前进方向的方向上依次是第二准直透镜(8)与同步移相器(9)，待测面(10)处于所述的线偏振激光光源(1)的光束经过所述的双折射薄膜型标准镜(7)的出射方向上，所述的双折射薄膜型标准镜(7)是一块标准平板(701)并在该标准平板(701)的入射面有增透膜(703)，出射面具有双折射薄膜(702)和增透膜(704)，所述的双折射薄膜(702)的相位延迟量为90°。

2、根据权利要求1所述的同步移相菲索干涉仪，其特征在于所述的分束器、第一准直透镜、第二准直透镜的入射面和出射面均镀有增透膜。

3、根据权利要求1所述的同步移相菲索干涉仪，其特征在于所述的线偏振激光光源为直接输出线偏振激光的激光器，或者是由激光器与起偏器构成的线偏振激光组合体。

4、根据权利要求1至3任一项所述的同步移相菲索干涉仪，其特征在于所述的同步移相器为分束棱镜分光型同步移相器、衍射元件分光型同步移相器、全息元件分光型同步移相器或微偏振器阵列型同步移相器。

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