CN101788263B - 可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，属于光学干涉测量仪器领域。其构成包括扩展光源组件、前置迈克尔逊型干涉仪组件和斐索型主干涉仪。本发明采用前置干涉仪组件产生两束呈正交偏振态的照明光波，通过前置干涉仪与主干涉仪空间相干性的匹配实现被测面与参考面的偏振移相干涉，并利用扩展光源空间相干光程短的特性消除附加条纹。本发明具有测量距离远、对比度连续可调、相干光程连续可调、易于操作、对参考面高频面形误差要求较低等特点，可用于光学元件的高精度检测、光学元件在线检测和超光滑表面检测等领域。

Description

可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪

技术领域：

本发明属于光学干涉测量仪器，尤其涉及斐索型同步移相干涉仪。

背景技术：

斐索型干涉仪采用被测光束与参考光束的共光路设计，除参考面外，干涉仪光学系统自身的像差对被测光束和参考光束的影响基本相同，绝大部分可相互抵消，因而斐索型干涉仪仅对参考面的精度要求高，而对系统波像差和其它元件的加工、装配精度要求较低。与泰曼格林型等非共光路干涉仪相比，斐索型干涉仪的设计和加工难度明显降低，因此成为大口径、大数值孔径光学系统/元件的波像差/面形检测的首选。

目前，斐索型同步移相干涉仪主要有两种结构形式。一种是2004年4D公司Millerd等提出的倾斜参考镜结构(US7,057,738B2)，另一种是1989年Kuchel等提出(US4,872,755)，2006年Kimbrough等改进的短相干光源光程差匹配结构(Bradley T.Kimbrough.Path matchedvibration insensitive Fizeau interferometer.Ph.D dissertation，University of Arizona，2006)。前一种结构中参考面的倾斜使得测试光与参考光的共光路特性被部分破坏，从而引起相位测量误差，失去了斐索型干涉仪最大的优势。后一种结构通过前置辅助组件产生两束偏振态正交的光波同时照明主干涉仪，共形成6组干涉条纹。使用短时间相干长度的宽带照明光源，可使前置辅助组件与主干涉仪时间相干性匹配时，参考面与被测面干涉形成的被测干涉条纹对比度达到最大，同时其余5组附加条纹完全消失，从而实现同轴的斐索同步移相干涉测量。由于前置干涉组件与主干涉仪时间相干性匹配要实现光程差的绝对补偿，前置辅助组件中的可调反射镜移动范围要与参考镜到被测镜的距离相等，这使得前置辅助组件中可调反射镜的移动范围非常大，从而导致仪器结构庞大，难以小型化。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有上述两种斐索型同步移相干涉仪的不足，提出一种高精度、方便实用、可小型化的同轴斐索型同步移相干涉检测方法及仪器。

1.一种可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，包括：可调扩展光源组件1、前置干涉仪组件2和主干涉仪，由可调扩展光源组件发出的光经第一准直透镜3准直后入射所述前置干涉仪组件，由所述前置干涉仪组件的出射光进入主干涉仪；其中，

所述可调扩展光源组件用于提供一个轮廓大小可调且中心位置不变的扩展光源；

所述前置干涉仪组件用于产生两束呈正交偏振态的光，且这两束光的光强比例可调，通过可调反射镜7沿光轴方向的位置调整可实现与主干涉仪空间相干性匹配；

所述主干涉仪为斐索型干涉仪，使分别从参考面和被测面反射回的两束光波形成干涉场。

本申请还涉及一种使用上述同轴斐索型同步移相干涉仪进行干涉测量的方法，包括以下步骤：

1)调节可调扩展光源组件，使其形成的扩展光源轮廓尺寸最小，空间相干长度达到最大；

2)按斐索干涉仪光路放置被测件，观察采集到的实时干涉条纹；

3)调整前置干涉仪组件中的可调反射镜，使可调臂与固定臂的长度差与主干涉仪中测试臂与参考臂的理论长度差之比为f₁ ²∶f₂ ²；

4)调整被测面的位置和倾斜状态，使视场内出现多组较为稀疏的干涉条纹；

5)逐渐增大扩展光源的轮廓尺寸，使其中一组干涉条纹对比度下降较慢，其余多组干涉条纹对比度迅速下降；配合微调前置干涉仪组件中的可调反射镜位置，保持所述一组条纹较高的对比度；

6)增大扩展光源的轮廓尺寸至所述其余多组条纹均彻底消失，微调所述可调反射镜位置，使视场内唯一的一组干涉条纹的对比度达最佳；同时调整探测器靶面位置，使其与被测面共轭；

7)采集移相干涉条纹，并通过干涉条纹分析计算，恢复出被测面面形或波像差。与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：

1)可实现同轴斐索同步移相干涉测量，具有与Kimbrough等改进的短相干光源光程差匹配结构相同的优点，如：可实现多表面分离，分别测量平行平板玻璃前、后表面的面形，如CCD前保护玻璃；可在装校好的光学系统中测量任意一个表面的面形等。

2)与Kimbrough等改进的短相干光源光程差匹配结构相比，在同样的测量范围下(指被测面到参考面的距离Δt)，可调镜的高精度移动范围由Δt降为(f₁/f₂)²·Δt，可大幅减小仪器的体积，有利于实现仪器的小型化。例如，当扩束比f₁/f₂＝1∶5，可调镜的移动范围可减小至短相干光源光程差匹配结构装置的1/25。

3)光源的相干性被破坏和被测镜位置误差均会造成干涉仪视场中没有条纹，本发明所述的方法与Kimbrough等改进的短相干光源光程差匹配结构相比，可以实现相干光程的连续可调，且操作方便。先调节可调扩展光源组件，使其产生的扩展光源轮廓尺寸较小，得到相干性好的光源，便于调整被测面找到干涉条纹；再将调节可调扩展光源组件，使其产生的扩展光源轮廓尺寸较大，降低光源的空间相干性，消除附加条纹的影响，调节起来更为方便。

4)探测器靶面与被测面共轭时，干涉条纹上任意一点的光程差是由被测镜上该点与参考镜上一个对应小区域的平均值之间的光程差决定的，如说明书附图8所示。该平均区域的大小与光源角宽度α_max有关。Kimbrough等改进的短相干光源光程差匹配结构中，使用点光源照明，光源角宽度极小，干涉条纹上任意一点几乎是由被测镜上该点与参考镜上的对应点之间的光程差决定的，参考镜的面形误差直接影响测量结果；而本发明提出的结构中，扩展光源角宽度大，参与平均的区域面积也大，故参考镜的高频面形误差被平滑，对测量结果影响较小，因此适用本发明提出的结构，对参考面的高频面形误差要求可适当放宽，对制造大口径干涉仪和检测超光滑表面非常有利。

5)宽光源总能量高，有利于降低光源功率，可测量更低反射率的被测面面形或透射率更低的系统波像差。

附图说明：

图1是本发明可调宽光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪的一种光学结构示意图。

图2是可调扩展光源的三种结构形式。

图3为固定臂与可调臂长度差异示意图。

图4是参考面与被测面间距离的示意图。

图5是轴外点光源的位置表征示意图。

图6是与光轴夹角为α的点光源经固定反射镜和可调反射镜反射的两束光波光程差示意图。

图7是平行光经过扩束系统后与光轴交角的变化示意图。

图8是扩展光源情况下与被测面上某点干涉的参考面区域示意图。

图中：1、可调扩展光源模块；2、前置辅助组件；3、第一准直透镜；4、偏振片；5、偏振分光棱镜；6、λ/4波片A；7、可调反射镜；8、λ/4波片B；9、固定反射镜；11、聚焦透镜；12、准直成像透镜；14、参考面；15、被测面；16、分光板；17、光阑；18、第二准直透镜；19、偏振移相、采集模块；20、单模稳频激光器；21、散射板；22、可调孔径光阑；23、固定镜通过偏振分光棱镜形成的虚像；24、聚焦透镜与准直成像透镜共同的焦平面位置，聚焦透镜焦距为f₁，准直成像透镜焦距为f₂；25、被测面上任意一点；26、与点25干涉的参考面区域；27、孔径光阑；28、变焦镜头；29、孔径光阑27经变焦镜头28所成实像；30、聚光镜。

具体实施例

本发明“可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪”光路结构见说明书附图1，包括了，

1)可调扩展光源模块1，用于提供一个轮廓大小可调且中心位置不变的扩展光源，轮廓尺寸调节范围为几个微米到几十毫米。三种可行的可调扩展光源模块1结构如说明书附图2所示，包括激光器20、散射屏21、孔径光阑27和变焦镜头28；或包括激光器20、孔径光阑27、聚光镜30和散射屏21；或包括激光器20、散射屏21和可调孔径光阑22。其中散射屏21可由旋转固体散射板如毛玻璃产生，或液晶空间光调制器产生。

2)前置辅助干涉组件2，其由偏振片4、偏振分光棱镜5、λ/4波片A、λ/4波片B、固定反射镜9和可调反射镜7组成，利用所述偏振分光棱镜使参考光与被测光产生正交偏振态，利用偏振片方向调节被测光与参考光的光强比例，并可通过可调反射镜7沿光轴方向的位置调整可实现与主干涉仪空间相干性匹配。

3)主干涉仪，所述主干涉仪为斐索型干涉仪，使分别从参考面和被测面反射回的两束正交偏振光波形成干涉场，所述的主干涉仪包括沿光路方向依次排列的聚焦透镜11，分光板16、准直成像透镜12、参考面14和被测面15，进入主干涉仪的光经由所述聚焦透镜和准直成像透镜扩束，改变轴外光源主光线与光轴的夹角，再通过参考面和置于参考面后方的被测面，经被测件反射沿原光路返回，再由置于聚焦透镜和准直成像透镜之间的分光板16反射，经光阑17和第二准直透镜18射入偏振相移和采集模块。

对于偏振移相和采集模块19，常用的偏振移相模块均可，如Millerd等提出的像素偏振移相器(Millerd，J.E.，N.J.Brock，et al.″Pixelated phase-mask dynamic interferometer.″Proc ofSPIE，5531：304-314，2004.)，Smythe系统中的偏振分光镜移相器(R.Smythe，R.Moore.Instantaneous phase measuring interferometry，Opt.Eng，1984，23(4)，361-364.)，ESDI公司Piotr Szwaykowski等提出的基于光学镀膜技术、波片移相的Fizeau型同步移相器(W02004051182A1)等，实现偏振移相，同时获得3或4幅具有一定相位差的干涉图，由CCD等光电探测器采集，其中光电探测器靶面与被测镜共轭。

采集到的干涉图送到数据分析模块(未图示)进行分析计算，恢复出被测件的表面面形或波像差。

所述的“可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪”原理如下：

前置干涉仪固定臂和可调臂对应的出射光偏振方向正交，设其分别为s光和p光。视固定镜通过偏振分光棱镜形成的虚像23，记固定臂与可调臂长度差为Δl，如说明书附图3所示；参考面(Reference Surface，记为R)与被测面(Test Surface，记为T)之间的距离为Δt，如说明书附图4所示。

扩展光源可看做无数非相干点光源的集合，其中每个点光源发出的光波被分为4束，分别是：经固定反射镜和被测面反射的光波Ts、经可调反射镜和被测面反射的光波Tp、经固定反射镜和参考面反射的光波Rs和经可调反射镜和参考面反射的光波Rp。进入偏振移相、采集模块后，这4束光分别向偏振方向投影，两两间形成6组干涉条纹，分别为TsTp、TsRs、TsRp、TpRs、TpRp和RsRp。将每个点光源形成的干涉条纹分别强度叠加，即得到扩展光源情况下探测器上的光强分布。

以点光源到准直透镜中心连线与光轴的夹角α表征该点光源的位置，如说明书附图5所示，则夹角α与该点光源到光轴的距离r之间满足α＝atg(r/f₀)，其中f₀为准直透镜焦距。若面光源边缘位置对应的夹角α亦较小时，上述关系可近似为α＝r/f₀。与光轴夹角为α的点光源发出的光波经前置辅助组件后，可调臂反射的光波和固定臂反射的光波间光程差为Δ₁＝2·Δl·cosα，如说明书附图6所示(图6中为显示清晰，仅画出了可调镜7和固定镜像23的反射面)，小角度近似后Δ₁＝2Δl-α²·Δl。

由前置干涉仪组件出射的两束光波经过扩束系统后，与光轴的夹角由α变为β，如说明书附图7所示，有f₁tgα＝f₂tgβ。角度α、β都较小时，可近似为β＝(f₁/f₂)·α。与前置干涉仪组件计算类似，以β角入射到主干涉仪中的光波经参考镜和被测镜反射的两束光波间的光程差为Δ₂＝2·Δt·cosβ，小角度近似后，Δ₂＝2Δt-β²Δt＝2Δt-(f₁/f₂)²α²·Δt。

以“可调臂比固定臂长Δl，可调臂一路为p偏振光，固定臂一路为s偏振光”为例，则偏振移相、采集模块中6组相干光TsTp、TsRs、TsRp、TpRs、TpRp和RsRp对应的光程差Δ(Δ＝Δ₁+Δ₂)如表1中前两列所示：

表1各组干涉条纹对应的光程差

调节可调反射镜，使其与固定反射镜像间距离Δl＝(f₁/f₂)²·Δt时，上述6组相干光之间的光程差如表1中第3列所示。可以看出，其中第三种情况TsRp对应的两束相干光的光程差为2Δt-2(f₁/f₂)²·Δt，与光源位置α角无关，即此时前置干涉仪与主干涉仪空间相干性匹配，面光源上各点发出的光波形成的TsRp干涉条纹完全相同，强度叠加增强的同时条纹对比度不变，形成清晰的干涉条纹。其它5组相干光束间的光程差由于与光源位置α角有关，光源上每个点形成的干涉条纹都不相同，相互错开，故各点叠加时条纹图案迅速模糊从而形成均匀背景。

与本分析类似，若“可调臂比固定臂长Δl，可调臂一路为s偏振光，固定臂一路为p偏振光”，则可得到TpRs组合在Δl＝(f₁/f₂)²·Δt时形成清晰的干涉条纹。稍许改变可调扩展光源模块的结构，如在偏振片后加入λ/2波片，使可调臂和参考臂中分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光也可达到相同的效果，只要保证前置辅助组件与主干涉仪满足Δl＝(f₁/f₂)²·Δt，则前置干涉仪组件与主干涉仪空间相干性匹配，必有一组干涉条纹可在扩展光源情况下具有良好的对比度。

因此，本发明“可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪”可实现同步偏振移相干涉，同时可消除其他表面反射光的干扰，并且可调镜的移动量仅为被测镜到参考镜距离的

使用上述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪测量的步骤为：

1)打开可调宽光源照明光源模块中的激光器并待其稳定，将扩展光源轮廓尺寸调至最小；

2)打开计算机及干涉图数据处理软件，调出实时采集到的干涉条纹。按常规斐索干涉仪光路放置被测镜(或系统)；

3)粗调整前置辅助组件中的可调反射镜，使可调臂与固定臂间的长度差与主干涉仪中测试臂与参考臂间的理论长度差之比为f₁ ²∶f₂ ²，其中f₁、f₂的定义见说明书附图7；

4)调整被测镜或系统的位置和倾斜状态，使视场内出现多组较为稀疏的干涉条纹；

5)逐渐增大扩展光源轮廓尺寸，其中一组干涉条纹对比度下降较慢，其余多组干涉条纹对比度迅速下降；配合微调辅助干涉仪组件中的可调反射镜位置，保持该组条纹较高的对比度；增大扩展光源轮廓尺寸至其余各组条纹均彻底消失，精调可调反射镜位置，使视场内唯一的一组干涉条纹的对比度达到最好；同时调整探测器靶面位置，使其与被测镜共轭；

6)采集移相干涉条纹，并通过干涉条纹分析软件计算，恢复出被测表面面形或被测系统的波像差。

本申请的可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，利用空间相干性，通过设定聚焦透镜11和准直成像透镜12的焦距f₁、f₂的比值为适当值，大大减少了测量时可调镜的移动量，缩小了仪器的体积，可以实现被测面与参考面距离很远的长光程测量。

Claims (11)

1.一种可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于，包括：可调扩展光源组件(1)、前置干涉仪组件(2)和主干涉仪，由可调扩展光源组件发出的光经第一准直透镜(3)准直后入射到所述前置干涉仪组件，由所述前置干涉仪组件的出射光进入主干涉仪；其中，

所述可调扩展光源组件用于提供一个轮廓大小可调且中心位置不变的扩展光源；

所述前置干涉仪组件为迈克尔逊式，用于产生两束呈正交偏振态的光，且这两束光的光强比例可调，通过可调反射镜(7)沿光轴方向的位置调整可实现与主干涉仪空间相干性匹配；

所述主干涉仪为斐索型干涉仪，使分别从参考面和被测面反射回的两束光波形成干涉场。

2.如权利要求1所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述可调扩展光源组件所提供的扩展光源轮廓尺寸调节范围为几个微米到几十毫米。

3.如权利要求2所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述可调扩展光源组件包括激光器(20)、散射屏(21)、孔径光阑(27)和变焦镜头(28)。

4.如权利要求2所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述可调扩展光源组件包括激光器(20)、孔径光阑(27)、聚光镜(30)和散射屏(21)。

5.如权利要求2所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述可调扩展光源组件包括激光器(20)、散射屏(21)和可调孔径光阑(22)。

6.如权利要求3所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述散射屏由旋转固体散射板或液晶散射器产生。

7.如权利要求1所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述的前置干涉仪组件包括偏振片(4)、偏振分光棱镜(5)、两个λ/4波片(6，8)、固定反射镜(9)和可调反射镜(7)，由所述可调扩展光源组件发出的光经第一准直透镜(3)准直后射入所述偏振片(4)，再经所述偏振分光棱镜(5)分光分成两束，其中一束光经过一λ/4波片(6)入射到可调反射镜(7)实现反射，另一束光经过另一λ/4波片(8)入射到固定反射镜(9)实现反射，由固定反射镜和可调反射镜反射的光再经所述偏振分光棱镜合光后出射。

8.如权利要求1所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述主干涉仪包括聚焦透镜(11)，分光板(16)、准直成像透镜(12)、参考面(14)和被测面(15)，进入主干涉仪的光经由所述聚焦透镜和准直成像透镜扩束后顺序通过参考面和置于参考面后方的被测面，经被测面反射沿原光路返回，再由置于聚焦透镜和准直成像透镜之间的分光板(16)反射，经光阑(17)和第二准直透镜(18)射入偏振移相和采集模块(19)，所述偏振移相和采集模块提供偏振移相并采集具有相位差的干涉图，所述采集到的干涉图由数据分析模块进行分析计算，恢复出被测面的表面面形或波像差。

9.如权利要求8所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于：所述前置干涉仪组件中的可调臂与固定臂间的长度差与主干涉仪中测试臂与参考臂间的理论长度差之比为f₁ ²∶f₂ ²，所述f₁是聚焦透镜(11)的焦距，f₂是准直成像透镜(12)的焦距。

10.如权利要求8所述可调扩展光源照明的同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于所述的偏振移相和采集模块包括CCD光电探测器，所述CCD光电探测器靶面与被测面共轭。

11.一种使用如权利要求1所述同轴斐索型同步移相干涉仪进行干涉测量的方法，包括以下步骤：

1)调节可调扩展光源组件，使其形成的扩展光源轮廓尺寸最小，空间相干长度达到最大；

2)按斐索干涉仪光路放置被测件，观察采集到的实时干涉条纹；

3)调整前置干涉仪组件中的可调反射镜，使可调臂与固定臂的长度差与主干涉仪中测试臂与参考臂的理论长度差之比为f12∶f22；

4)调整被测面的位置和倾斜状态，使视场内出现多组较为稀疏的干涉条纹；

5)逐渐增大扩展光源的轮廓尺寸，使其中一组干涉条纹对比度下降较慢，其余多组干涉条纹对比度迅速下降；配合微调前置干涉仪组件中的可调反射镜位置，保持所述一组干涉条纹较高的对比度；

6)增大扩展光源的轮廓尺寸至所述其余多组条纹均彻底消失，微调所述可调反射镜位置，使视场内唯一的一组干涉条纹的对比度达最佳；同时调整探测器靶面位置，使其与被测面共轭；

7)采集移相干涉条纹，并通过干涉条纹分析计算，恢复出被测面面形或波像差。

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