CN101819022B - 一种动态范围可调的干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种动态范围可调的干涉仪包括光源、照明系统、扩束准直系统、分光系统、成像系统、PZT精密倾斜台、菲索平板、标准镜头、被测光学元件、装卡调整系统和计算机控制及数据处理系统。测试和参考光束间的倾斜在CCD像素间产生了与空间位置相关的相移，通过计算机控制安装在PZT精密倾斜台上的菲索平板倾斜角大小以控制所产生的载频干涉图的空间频率，采用基于傅立叶变换的算法和空间相移算法等多种算法进行相位解算。针对不同空间频率的载频干涉图，采用适合其频率特征的算法进行优化的相位解算，使得相位提取算法工作在最佳范围内，以实现高精度相位解算。本发明可以调整干涉仪的动态范围，具有较大的动态范围和较高的测量精度，具有较大的应用价值。

Description

一种动态范围可调的干涉仪

技术领域

本发明涉及一种动态范围可调的干涉仪，属于先进光学制造与检测技术领域。

技术背景

数字相移干涉仪为目前面形检测的主流设备。干涉仪的动态范围指仪器所能测量最大面形误差和最小面形误差范围，通常以能测量的最多倾斜条纹数来评估。干涉仪以激光波长作为检测的“尺度”，从本质上决定了具有较高的测量精度，同时也决定了其测量的动态范围受到一定限制。

光学制造从本质上是一个向理论面形逐渐逼近的迭代过程。每一个制造阶段都需要与之精度和测量范围相适应的检测仪器，通常由多个不同精度和动态范围的仪器实现光学制造过程检测。

采用波长为0.6328um的He-Ne激光器作为光源的相移干涉仪以美国Zygo公司生产的时间域机械相移干涉仪和4D公司生产的空间相移干涉仪为代表，具有较高的测量精度，但其测量动态范围受到一定限制，通常用于光学元件抛光后期误差较小时面形检测。

贺俊等(贺俊，王青，陈磊，相移式泰曼-格林红外干涉仪调试技术，红外与激光工程，37(3)：516-520，2008.)报道了一种泰曼-格林型红外干涉仪。吴永前等(WuYongqian，Zhang Yudong，Wu Fan，et al.，Far-infrared Fizeau interferometer for largeaspheric mirror，Proc.SPIE，7064：70640S1-S6，2008.)报道了一种菲索型红外干涉仪。上述干涉仪采用波长为10.6um的CO2激光器作为光源，比采用波长为0.6328um的He-Ne激光器作为光源的干涉仪具有更大的动态范围，但其测量精度为微米级，通常用于光学元件抛光前期存在较大误差时面形检测。

C.Polhemus提出了一种双波长干涉仪(C.Polhemus，Two-WavelengthInterferometry，Applied.Optics.12，2071，1973.)。双波长干涉仪采用两个激光光源，通过产生较长的等效波长作为测量“尺度”，可以较大程度提高干涉仪动态范围。

Yeou-Yen Cheng等(Yeou-Yen Cheng and James C.Wyant Two-wavelength phaseshifting interferometry，Applied Optics，23(24)：4539-4543，1984.)将双波长干涉技术和相移技术结合起来，提出了一种双波长相移干涉仪，扩展了干涉仪动态范围，且仪器具有相对较高的测量精度。

Eugene R.Cochran等(Eugene R.Cochran and Katherine Creath，Combiningmultiple-subaperture and two-wavelength techniques to extend the measurementlimits of an optical surface profiler，Applied Optics，27(10)：1960-1966，1988.)将子孔径方法和双波长相移干涉技术结合起来，有效增强了光学轮廓仪的动态测量范围，可测量非球面等深型面形轮廓。

综上所述，采用He-Ne激光器作为光源的单波长干涉仪具有较高的测量精度和相对较小的动态范围。采用长波长激光器作为光源的红外干涉仪可以提高干涉仪动态范围，但其测量精度和灵敏度较低。采用双光源的双波长干涉仪可以有效提高干涉仪动态范围，但其系统结构和数据处理较复杂。

发明内容

发明的技术解决方案：一种动态范围可调的干涉仪，包括光源、照明系统、扩束准直系统、分光系统、菲索平板、PZT(压电陶瓷)精密倾斜台、标准镜头、被测光学元件、装卡调整系统、计算机控制及数据处理系统、成像系统；光源采用稳频He-Ne激光器或半导体激光器，经过照明系统对光源发出的光束进行光强均化和相干性抑制，以实现均匀照明和抑制相干噪声，然后进入扩束准直系统，通过分光系统进入菲索平板，一部分参考光原路返回通过分光系统进入成像系统，另一部分测试光通过标准镜头入射到安装在装卡调整系统上的被测光学元件，携带被测光学元件面形误差信息的测试光原路返回经过分光系统入射到成像系统，与参考光发生干涉形成的载频干涉图被成像系统记录后送计算机控制及数据处理系统进行相位解算，这样测试光和参考光束间的倾斜在成像系统的像素间产生了与空间位置相关的相移，通过计算机控制及数据处理系统控制安装在PZT精密倾斜台上的菲索平板倾斜角大小以控制载频干涉图的空间频率，进而实现干涉仪的动态范围可调，也可以调整干涉仪的灵敏度。

所述计算机控制及数据处理系统采用基于傅立叶变换的算法或空间相移算法等多种算法进行相位解算。针对不同空间频率的载频干涉图，采用适合其频率特征的算法进行优化的相位解算，使得相位提取算法工作在最佳范围内，具体实现如下步骤如下：

(1)首先由成像系统(11)采集载频干涉图，如果载频干涉图不能被完全分辨就通过计算机控制及数据处理系统(10)对PZT精密倾斜台的倾斜角度大小实现准确控制，以保证载频干涉图能够被成像系统分辨；

(2)如果所采集的载频干涉图可以被完全分辨，则对干涉图进行空间频率特征分析，以选择适合干涉图频率特征的算法进行优化的相位解算，使得相位提取算法工作在干涉图最佳范围内；

(3)如果载频干涉图空间频率特征使得傅立叶变换后频域信号的0、+1和-1级谱能够通过滤波分离且不相互混淆，则适合采用基于傅立叶变换的算法，如果不满足上述条件，则适合采用空间相移算法；

(4)根据相位计算结果可绘制出面形轮廓图和三维图。

所述计算机控制及数据处理系统根据被测光学元件面形误差分布，对被测光学元件不同误差大小的区域通过控制菲索平板倾斜角大小产生不同空间频率的载频干涉图，通过数据拼接实现全孔径面形检测。

所述成像系统采用1Kx1K像素点及以上的高分辨率CCD或CMOS相机，能够分辨较高空间频率的干涉图，对应光学系统能够支持CCD或CMOS相机分辨率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的系统中采用可见光激光单光源，避免采用红外光时调整较困难和采用双光源时系统结构和数据处理较复杂问题。

(2)本发明通过计算机控制菲索平板倾斜角大小以控制决定空间相移状态的条纹空间频率，根据被测光学元件面形误差特征实现相应动态范围调整。

(3)本发明采用多种载频干涉图相位解算算法，根据所采集载频干涉图空间频率特性进行优化选择，确保相位解算具有较高精度。

(4)本发明根据被测光学元件面形误差特征用计算机控制和数据处理系统自动实施空间载频控制和相位解算方法优化选取。

(5)本发明的干涉仪动态范围可以连续调整。

综上所述，本发明无需采用长波长光源和双光源就能实现较大的动态测量范围，可用于较大面形误差检测。此外，通过调整载频干涉图的空间频率可以实现较小面形误差检测。本发明的干涉仪动态范围连续可调，系统结构和数据处理相对较简单，且具有较高测量精度，适用于光学元件抛光阶段较大误差范围内面形检测。

附图说明

图1为本发明中提到的动态范围可调的干涉仪示意图；

图2a、图2b、图2c、图2d为本发明中提到的不同空间频率的载频干涉图；

图3a、图3b为本发明中提到的不同误差特征的载频干涉图；

图4为本发明中提到的数据处理系统流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由光源1、照明系统2、扩束准直系统3、分光系统4、菲索平板5、PZT精密倾斜台6、标准镜头7、被测光学元件8、装卡调整系统9、计算机控制及数据处理系统10、成像系统11组成。光源1采用稳频He-Ne激光器或半导体激光器，经过照明系统2进行光强均化和相干度抑制后进入扩束准直系统3，通过分光系统4进入菲索平板5，光在进入菲索平板5后分为继续向被测光学元件8方向传播的参考光和反向传播的测试光，一部分参考光通过分光系统4进入成像系统11，另一部分测试光通过标准镜头7入射到安装在装卡调整系统9上的被测光学元件8，携带被测光学元件面形误差信息的测试光经过分光系统入射到成像系统11，与参考光发生干涉形成的载频干涉图被成像系统记录后送计算机控制及数据处理系统10进行相位解算；测试光和参考光束间的倾斜在CCD像素间产生了与空间位置相关的相移，通过计算机控制及数据处理系统10控制安装在PZT精密倾斜台6上的菲索平板5倾斜角大小，图2为不用倾斜角情况下反映被测光学元件面形误差特征典型载频干涉图，它们具有不同的空间频率，具有对应的面形误差特征适应性。

菲索平板5为一块带有urad级小量楔角的平面透镜，该平面透镜表面面形精度PV＜1/20波长(632.8nm)，rms＜1/100波长；扩束准直系统3为远心光学系统；照明系统对光源的光强分布进行均化调整和对相干噪声进行抑制。

PZT精密倾斜台6由倾斜调整架和PZT组成。通过计算机控制及数据处理系统10对PZT的伸缩量大小进行控制，进而通过机械传动使得倾斜调整架的倾斜角度大小实现准确控制。

装卡调整系统9为五维调整架，由自定中心镜架、二维倾斜调整架和三维平移台组成。自定中心镜架用于装卡被测光学元件，其后面分别安装二2维倾斜调整架和三维平移台。

成像系统11采用1Kx1K像素点及以上的高分辨率CCD或CMOS相机，能够分辨图2所示较高空间频率的载频干涉图，对应光学系统能够支持CCD或CMOS相机分辨率。图2(a)-(d)为不同空间频率的载频干涉图，图2(a)到图2(d)其空间频率逐渐增加。图2(a)和(b)为空间频率相对较低的情况，图2(c)和(d)为空间频率相对较高的情况。图3为不同误差特征的空间载频干涉图，图3(a)为较高空间频率情况下反映误差特征的载频干涉图，图3(b)为较低空间频率情况下反映误差特征的载频干涉图。从图3(a)红色方框所示区域中可见局部存在较大的条纹偏离，该区域内较高空间频率的载频干涉图不能被成像系统完全分辨，需要通过控制菲索平板倾斜角大小以使得空间载频干涉图具有适当的空间频率(如图3(b)所示)以被成像系统完全分辨。对图3(a)中可以分辨的局部干涉图进行数据处理可以得到部分子孔径数据，从图3(b)可以分辨的局部干涉图进行数据处理可以得到类似子孔径数据，通过数据拼接实现全孔径面形检测。这种拼接方法适合用于被测光学元件面形误差大小分布不均匀，变化较复杂的情况。

计算机控制及数据处理系统10采用基于傅立叶变换的算法和空间相移算法等多种算法进行相位解算。具体数据处理流程如图4所示，首先由成像系统11采集载频干涉图，如果载频干涉图不能被完全分辨就通过计算机控制及数据处理系统10对PZT的伸缩量大小进行控制，进而通过机械传动使得倾斜调整架的倾斜角度大小实现准确控制，以保证载频干涉图能够被成像系统分辨。

如果所采集的载频干涉图可以被完全分辨就对其进行空间频率特征分析，以选择适合其频率特征的算法进行优化的相位解算，使得相位提取算法工作在其最佳范围内。如果载频干涉图空间频率特征使得傅立叶变换后频域信号的0、+1和-1级谱能够通过滤波分离且不相互混淆，适合采用基于傅立叶变换的算法，适合采用基于傅立叶变换的算法，具体内容可参考(M.Takeda，H.Ina，and S.Kobayashi，Fourier-transform method offringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry，J.Opt.Soc.Am.72，156-160，1982.)和专著8.5章节内容(D.W.Robinson，Spatial phasemeasurement methods，in Interferogram Analysis，D.Robinson and G.T.Reid，eds.，Instituteof Physics，University of Reading，1993)。基本计算过程如下：

载频干涉图可以表示如下：

s(x，y)＝g(x，y)+h(x，y)exp[i2πf₀x]+h^*(x，y)exp[-i(2πf₀x)]         (1)

h(x，y)＝0.5b(x，y)exp[-iΦ(x，y)]                                   (2)

其中*表示复共轭函数，f0为空间载频，s(x，y)为干涉图光强值，g(x，y)为背景光强，b(x，y)为干涉图幅值，Φ(x，y)为待求解相位值.

对(1)式进行傅立叶变换，得到：

S(f_x，f_y)＝G(f_x，f_y)+H(f_x-f₀，f_y)+H^*(f_x+f₀，f_y)                (3)

其中(f_x，f_y)为傅立叶变换的频域坐标，S、G、和H表示式(1)中s、g、h对应的傅立叶变换的频域变量。G、H、H*分别对应傅立叶频率信号的0、+1和-1级谱。

对式(3)得到的结果进行低通滤波以获得+1级谱

S(f_x，f_y)＝H(f_x-f₀，f_y)                  (4)

在傅立叶频域对式(4)进行坐标平移变换，得到

S(f_x，f_y)＝H(f_x，f_y)                     (5)

对上式进行傅立叶逆变换，可以得到

h(x，y)＝0.5b(x，y)exp[-iΦ(x，y)]                (6)

相位值可以由如下式得到：

$\mathrm{\Φ}(x,y)={-\tan }^{-1}\frac{\mathrm{Im}\left\{h(x,y)\right\}}{\mathrm{Re}\left\{h(x,y)\right\}}---\left(7\right)$

如果载频干涉图的空间频率不满足傅立叶变换算法的上述条件，则采用空间相移算法，具体内容可参考专著8.2.6章节内容(D.W.Robinson，Spatial phase measurement methods，in Interferogram Analysis，D.Robinson and G.T.Reid，eds.，Instituteof Physics，University of Reading，1993)。基本计算过程如下所述，通过计算机控制及数据处理系统(10)控制PZT精密倾斜台使得干涉图载频方向为45度，这样载频干涉图在水平和垂直方向相邻像素间将产生90度相移。利用3x3卷积核可由下式计算出相位值。

$\tan \mathrm{\Φ}=\frac{s_1-{3s}_2+{3s}_4-s_5}{s_1+s_2-{4s}_3+s_4+s_5}---\left(8\right)$

其中Φ为待计算相位，s1-s5为3x3窗口内载频干涉图的光强加权值。

最后根据相位计算结果可绘制出面形轮廓图和三维图。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种动态范围可调的干涉仪，其特征在于：包括光源(1)、照明系统(2)、扩束准直系统(3)、分光系统(4)、菲索平板(5)、PZT精密倾斜台(6)、标准镜头(7)、被测光学元件(8)、装卡调整系统(9)、计算机控制及数据处理系统(10)和成像系统(11)；光源(1)采用稳频He-Ne激光器或半导体激光器，经过照明系统(2)进行光强均化和相干度抑制后进入扩束准直系统(3)，通过分光系统(4)进入菲索平板(5)，光在进入菲索平板(5)后分为继续向被测光学元件(8)方向传播的测试光和反向传播的参考光，一部分参考光原路返回通过分光系统(4)进入成像系统(11)，另一部分测试光通过菲索平板(5)后经标准镜头(7)入射到安装在装卡调整系统(9)上的被测光学元件(8)，携带被测光学元件面形误差信息的测试光原路返回经过分光系统入射到成像系统(11)，与参考光发生干涉形成的载频干涉图被成像系统记录后送计算机控制及数据处理系统(10)进行相位解算，这样测试光和参考光束间的倾斜在成像系统(11)的像素间产生了与空间位置相关的相移，通过计算机控制及数据处理系统(10)控制安装在PZT精密倾斜台(6)上的菲索平板(5)倾斜角大小以控制载频干涉图的空间频率，进而实现干涉仪的动态范围可调，也可以调整干涉仪的灵敏度；

所述计算机控制及数据处理系统(10)采用基于傅立叶变换的算法和空间相移算法进行相位解算，具体实现步骤如下：

(1)首先由成像系统(11)采集载频干涉图，如果载频干涉图不能被完全分辨就通过计算机控制及数据处理系统(10)对PZT精密倾斜台的倾斜角度大小实现准确控制，以保证载频干涉图能够被成像系统分辨；

(2)如果所采集的载频干涉图可以被完全分辨，则对干涉图进行空间频率特征分析，以选择适合干涉图频率特征的算法进行优化的相位解算，使得相位提取算法工作在干涉图最佳范围内；

(3)如果载频干涉图空间频率特征使得傅立叶变换后频域信号的0、+1和-1级谱能够通过滤波分离且不相互混淆，则适合采用基于傅立叶变换的算法，如果通过滤波不能分离上述0、+1和-1级谱，则适合采用空间相移算法；

(4)根据相位计算结果可绘制出面形轮廓图和三维图。

2.根据权利要求1所述的动态范围可调的干涉仪，其特征在于：计算机控制及数据处理系统(10)根据被测光学元件(8)面形误差分布，对被测光学元件(8)不同误差大小的区域通过控制菲索平板(7)倾斜角大小产生不同空间频率的载频干涉图，通过数据拼接实现全 孔径面形检测。

3.根据权利要求1所述的动态范围可调的干涉仪，其特征在于：所述成像系统(11)采用1Kx1K像素点及以上的高分辨率CCD或CMOS相机。 

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