CN102589414A - 可实时测量的同步相移斐索干涉装置 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供一种能对物体表面形貌进行实时高精度测量的同步相移斐索干涉装置。本发明将同步相移技术和斐索干涉方法相结合，解决了传统干涉仪稳定性差、测量精度低、不能实时测量等技术问题。该可实时测量的同步相移斐索干涉装置包括照明单元、干涉单元、同步相移单元。本发明采用同轴干涉光路，充分利用了CCD的空间带宽积，与离轴光路相比具有更高的空间分辨率；本发明采用1/4波片代替传统斐索干涉仪中的玻璃平板，使得物光和参考光具有正交的偏振方向，在实现同步相移前提下保持装置结构的紧凑性；本发明通过一次曝光可以得到四幅相移干涉图样，在保证高空间分辨率的前提下，实现了测量的实时性。

Description

可实时测量的同步相移斐索干涉装置

技术领域

本发明涉及一种可实时测量物体表面三维形貌的同步相移斐索干涉装置。

背景技术

定量测量物体表面的三维形貌或表面平整度，对提高光学加工精度和加工质量具有重要意义。传统的光学干涉方法，如迈克尔逊干涉仪、泰曼格林干涉仪等，为物体表面形貌测量提供了高精度、快速、无损的测试手段。然而，在这些干涉仪中，物光和参考光在空间上历经了不同的路径，所以环境振动对测量结果影响较大。

斐索干涉仪，具有物参共路的光学结构，可以克服传统干涉仪对环境振动敏感的缺点。在斐索干涉仪中，平整度很高的玻璃平板和样品表面平行放置，照明光在两者表面反射回来的光束分别被用作参考光和物光。参考光和物光发生等厚干涉，形成的干涉图样反映了被测样品表面的三维形貌。斐索干涉仪具有以下优点：1、测量精度高，因为大部分光学元件都放置在干涉单元(玻璃平板和被测样品)之外，不会带来附加相位畸变。2、对环境振动不敏感，因为物光和参考光经历完全相同的光路元件，环境的扰动不影响两者之间的光程差。3、可以测量较大面积的样品。

德国莱卡公司的Heil和埃及国家标准研究所的Abdelsalam将离轴光路应用于斐索干涉，从得到的单幅载频干涉图样中可以再现出被测物体的表面形貌。然而，由于目前CCD和CMOS图像传感器的空间分辨率有限，限制了干涉仪中物参光的夹角不能太大，使得再现像分辨率不高。为了能充分利用CCD的空间带宽积，提高成像的空间分辨能力，众多学者在斐索干涉仪中采用同轴光路(即物参光的夹角为0度)。通过沿轴向移动参考玻璃平板/样品，或通过调谐照明光的中心波长来记录多幅相移干涉图样，再现出被测样品的振幅或相位分布。此外，日本新泻大学的Sasaki教授通过周期性地移动斐索干涉仪中的玻璃平板，得到一系列相移干涉图样，然后，利用这些干涉图样来消除被测样品的零级像、共轭像，最后得到清晰的原始像。德国爱尔兰根大学的Schwider教授将具有光频梳的照明光应用于斐索干涉，该方法通过改变光频梳的中心波长得到了一系列相移干涉图样，实现了对玻璃平板平整度的测量。总之，这些方法采用同轴光路充分利用CCD的空间带宽积，具有较高的空间分辨能力。然而，相移操作需要耗费时间，因此不能用于测量运动物体或动态过程。

在保证再现像空间分辨率的前提下，为了能实现测量的实时性，国内外众多学者开展了同步相移技术研究。同步相移又称瞬时相移，是指在同一时间得到多幅相移干涉图样的方法或技术。目前常用的同步相移技术可以分为三类：1、利用多个CCD同时记录不同相移量的多幅干涉图样。该方法保证了CCD的视场和分辨率被充分利用。然而，多个CCD采集数据的时间统一性较难保证，且成本较高。2、利用偏振掩模板来覆盖CCD的靶面，使得相邻像素记录的干涉图样之间具有不同的相移，再通过对整个干涉图样的重新抽样实现同步相移。该方法虽然可以充分利用CCD的视场，但是由于每相邻2～4个像素作为一相移单元，限制了该方法的空间分辨率。3、基于平行分光的同步相移方法。利用沃拉斯顿棱镜在频谱分光，分开的光束被透镜准直成平行光后，结合偏振相移实现同步相移。然而，这些同步相移技术，大都要求物光和参考光具有正交的偏振方向。对于斐索干涉装置来说，物光和参考光基本上经历了完全相同的光学元件，使得两者具有正交偏振具有较大困难。

发明内容

本发明目的是提供一种能对物体表面形貌进行实时高精度测量的同步相移斐索干涉装置。本发明将同步相移技术和斐索干涉方法相结合，解决了传统干涉仪稳定性差、测量精度低、不能实时测量等技术问题。

本发明的技术解决方案为：

该可实时测量的同步相移斐索干涉装置包括照明单元、干涉单元、同步相移单元，干涉单元包括设置在光路上的非偏振分光棱镜、第一1/4波片和样品，样品平行于1/4波片的表面放置；第一1/4波片的主轴方向和照明光的偏振方向成45°角；同步相移单元包括依次设置在非偏振分光棱镜反射光路方向的第二1/4波片、平行分光单元、滤波单元、偏振单元以及CCD相机；所述第二1/4波片的主轴方向分别与物光和参考光偏振方向成45°角。

上述平行分光单元以采用包括平行放置在第二1/4波片后的第一光栅和第二光栅的结构形式为佳；上述滤波单元以采用包括由第三透镜和第四透镜组成的望远镜系统，以及设置在第三透镜后焦面上的光阑结构形式为佳；偏振单元一般选择放置在第四透镜后的偏振掩膜板。

上述偏振掩模板以采用由偏振方向依次成45°角的4片偏振片排列组成的2×2阵列为佳。

上述第一光栅和第二光栅是振幅型光栅或相位型光栅，第一光栅和第二光栅的周期相同。

上述第一光栅和第二光栅以采用相位阶为π的二进制二维相位光栅为佳。

上照明单元包括激光器，由第一透镜和第二透镜组成的扩束准直系统，第一透镜后焦平面上设置有针孔滤波器。

上述第一1/4波片的表面平整度要求小于1/50波长。

本发明具有以下优点：

1、本发明将同步相移技术和斐索干涉相结合，通过一次曝光得到四幅相移干涉图样，在保证高空间分辨率的前提下，实现了测量的实时性。

2、本发明采用1/4波片代替传统斐索干涉仪中的玻璃平板，使得物光和参考光具有正交的偏振方向，在实现同步相移前提下保持装置结构的紧凑性。

3、本发明具有物参共路的特点，物光和参考光经历了相同的光学元件，所以该装置对环境振动不敏感。

4、本发明采用同轴干涉光路，充分利用了CCD的空间带宽积，与离轴光路相比具有高的空间分辨率。

附图说明

图1为本发明的光路结构示意图。

图2(a)为偏振掩膜板(14)的偏振方向结构局部图，(b)为相应的四幅相移干涉图样。

图3为对一个平凸透镜样品表面获得的四幅同步相移干涉图样。

图4为数字再现的平凸透镜表面的三维分布图。

图5为对一个楔形玻璃板样品表面获得的四幅同步相移干涉图样。

图6为数字再现的楔形玻璃板表面的三维分布图。

附图标记如下：

1-激光器，2-第一透镜，3-针孔滤波器，4-第二透镜，5-分光棱镜，6-第一1/4波片，7-样品，8-第二1/4波片，9-第一光栅，10-第二光栅，11-第三透镜，12-光阑，13-第四透镜，14-偏振掩模板，15-CCD相机。

具体实施方式

本发明所包含的部件功能如下：

1、激光器1，波长在可见光范围，具有线偏振，输出激光功率稳定，用于照明待测样品。

2、第一透镜2、第二透镜4、第三透镜11、第四透镜12，要求为消球差透镜。用于激光扩束或光学成像。

3、针孔滤波器3，直径为10μm～50μm，用来对照明光进行空间滤波，形成高质量的平行平面波照明光。

4、分光棱镜5，为非偏振分光棱镜，用于透射和反射光束。

5、第一1/4波片6，要求为高表面平整度的波片，其主轴方向与照明光的偏振方向成45°角。该1/4波片上表面用于反射照明光形成参考光，透过光经被测样品表面反射回来再次通过波片时作为物光，此时物光和参考光形成了正交的线偏振方向。

6、第二1/4波片8，其主轴方向分别与物光和参考光成45°角，使得物光和参考光分别形成正交的圆偏振光，用于后续形成同步偏振相移。

7、第一光栅9和第二光栅10，均为二维光栅，可以为振幅光栅也可以为相位光栅。为了提高光强利用率，最好选用二进制相位光栅(相位阶为π的Ronchi相位光栅)。这两个光栅通过两次衍射，将物光和参考光分成沿轴向传播且相互平行的四束光，用于后续形成四幅同步相移。

8、光阑12，孔径大小适宜，既能保证沿轴向传播光束的频谱，又可以滤掉沿其它方向传播的高级衍射光束。

9、偏振掩模板14，由偏振方向依次成45°角的四块偏振片组成。这四块偏振片分别处于四束平行的物光和参考光光路上，形成相移量分别为0、π/2、π、3π/2的四幅同步相移干涉图样。

10、CCD相机15，一般为黑白CCD相机，具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量。

本发明所提出的光路如图1所示。激光器1发出的线偏振(如竖直偏振)激光被一个由第一透镜2和第二透镜4组成的第一望远镜单元扩束准直成平行光。放置在第一透镜2后焦面上的针孔滤波器3对光束进行空间滤波，用以形成平行平面波照明光束。经扩束准直后的照明光经过分光棱镜5垂直入射在第一个1/4波片6上。一部分照明光经该1/4波片上表面反射沿原路反回，被用作参考光；另外一部分光穿过该1/4波片后照明样品。由于该1/4波片的主轴方向与照明光的偏振方向成45°，所以经过该1/4波片后的照明光变成了圆偏振光。该照明光经样品表面发射后沿原路返回，被用作物光。当圆偏振的物光再次经过1/4波片6后变成线偏振光，其偏振方向与参考光偏振方向垂直。相互垂直的线偏振物光和参考光，经过非偏振分光棱镜5的反射后，同时沿轴向方向传播。在分光棱镜5之后，第二1/4波片8被放置在物光和参考光的光路中，该1/4波片的主轴方向分别与物光和参考光的偏振方向各成45°。因此，物光和参考光经过该1/4波片后变成了正交的圆偏振光。

周期均为P的第一光栅9和第二光栅10平行放置在1/4波片8之后，两者之间的距离为d。当正交圆偏振态的物光和参考光经第一光栅9后，被分成传播方向不同的多束衍射光。由于光栅9为Ronchi光栅，它在x和y方向上的±1级衍射光具有很高的衍射效率，而其它衍射级衍射效率很低，所以可以仅考虑±1级衍射光。方便起见，将入射光(物光或参考光)经光栅9衍射后在x方向上+1级衍射光记为“a”，-1级衍射光记为“b”。光束“a”的传播方向与光轴方向的夹角为θ1＝arcsin(λ/P)＝θ，光束“b”的传播方向与光轴方向的夹角为θ2＝-arcsin(λ/P)＝-θ。光束“a”和“b”经过第二光衍射后，光束“a”的-1级衍射光和光束“b”的+1级衍射光重新沿轴向方向传播。根据几何关系可知：两平行光束之间的距离为2dtanθ。因此，通过调节两光栅之间的轴向距离d可以方便地调节两平行光束之间的距离。同理，对于二维光栅9和10来说，y方向上被分开的两平行光束之间的距离也为2dtanθ。因此，通过调节两光栅之间的轴向距离d，可以方便地调节四个平行光束之间的距离。除了这四个平行光束之外，这两个光栅还产生了其它高级衍射光，它们沿不同的离轴方向传播，最后将被光阑12滤除掉。

在第二光栅10之后，由透镜11和透镜13组成的望远镜系统将被测物体沿着这四个光束分别成像到CCD上。由于沿轴向传播的四个光束的频谱分别在频谱面的中心，而光栅其它衍射级出现在远离频谱中心位置，在透镜11的后焦面频谱中心位置放置了一个圆形光阑12，该光阑让沿轴向方向传播的四光束的频谱通过，而挡掉光栅其它衍射级对应的频谱。

为了实现同步相移，在CCD前放置了一个偏振掩膜板14，如图2(a)所示。该偏振掩膜板由四个偏振方向依次成45°的偏振片组成，并且这些偏振片分别置于四个平行光束之上。假设第i个偏振片的偏振方向与水平方向的夹角为α_i(i＝1，2，3，4)，那么它们的透过率函数可以表示为：

$T_p^i=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_i& \sin {\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i\\ \sin {\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i& {\sin }^2{\mathrm{\α}}_i\end{array}\right]---\left(1\right)$

当正交圆偏振的物光和参考光经过偏振方向与水平方向成α_i的偏振片后，它们的复振幅分别变为：

这里A_O(x，y)和A_R(x，y)分别表示物光和参考光的振幅分布，

和

分别表示物光和参考光的相位分布。从(2)式可知，正交圆偏振的物光和参考光经过偏振片后，变成了偏振方向相同的线偏振光，两者在CCD平面上发生干涉。CCD记录的干涉图样的强度分布为：

这里

表示物光和参考光之间的相位差。从(3)式可以看出，正交圆偏振的物光和参考光经过偏振角度为α_i的偏振片后，干涉图样出现了2α_i的附加相位差。因此，通过改变偏振片的偏振方向(即改变α_i的值)，可以得到不同相移量的干涉图样。实验上，我们将偏振方向依次成45°的偏振片分别放置在四个平行光束上，因此分别形成相移量为0、π/2、π、3π/2的四幅相移干涉图样，并同时被CCD所记录。从这四幅相移干涉图，利用下面公式(4)可以再现出被测物体的相位分布：

最后利用公式

可以得到被测样品的表面形貌的三维分布。

实施例：

按照图1所示光路，实验上，我们对一个焦距为10m的单凸透镜的表面形貌进行了测量。激光器1为波长为632.8nm的氦氖激光器，偏振为沿竖直方向的线偏振。由透镜2和4组成的扩束准直系统的扩束比为1∶25；透镜2后焦面上的针孔滤波器3的直径为20μm。非偏振分光棱镜5后面，放置了一个表面平整度为λ/50的1/4波片6，该波片的主轴方向和竖直方向成45°角。样品平行地放置在1/4波片6之后，与1/4波片之间的距离为5mm。在非偏振分光棱镜5的反射光路上，放置了主轴方向与竖直方向成45°角的第二1/4波片，该波片将物光和参考光转变成正交圆偏振光。第一Ronchi光栅9和第二Ronchi光栅10的周期均为15μm，两者之间的距离d＝24mm。这两个光栅形成四个平行光束(各包含有物光和参考光)，x方向(y方向)上两光束之间的距离为2mm。第三透镜11的焦距f₃＝300mm；第四透镜13的焦距为f₄＝200mm。CCD相机15的像素尺寸为4.65μm×4.65μm，像素个数为1024×768。通过一次曝光同时得到该凸面镜的四幅同步相移干涉图样，如图3所示。图3中第1象限到第4象限的干涉图样的相移量依次为0，π/2，π，3π/2。通过标准的四步相移理论，可以得到被测凸面镜的表面形貌的三维分布，如图4所示。

与上述方法和实验条件相同，我们还测量了一个楔形玻璃板表面的三维分布。通过一次曝光得到该楔形玻璃板表面的四幅相移干涉图样，如图5所示。从这些相移干涉图样中可以再现出被测样品的表面形貌三维分布，如图6所示。从图6可以看出被测样品的表面形貌是一个带有畸变的斜面。

Claims (7)

1.一种可实时测量的同步相移斐索干涉装置，包括照明单元、干涉单元、同步相移单元，其特征在于：所述干涉单元包括设置在光路上的非偏振分光棱镜、第一1/4波片和样品，样品平行于1/4波片的表面放置；所述第一1/4波片的主轴方向和照明光的偏振方向成45°角；所述同步相移单元包括依次设置在非偏振分光棱镜反射光路方向的第二1/4波片、平行分光单元、滤波单元、偏振单元以及CCD相机；所述第二1/4波片的主轴方向分别与物光和参考光偏振方向成45°角。

2.根据权利要求1所述的同步相移斐索干涉装置，其特征在于：所述平行分光单元包括平行放置在第二1/4波片后的第一光栅和第二光栅；所述滤波单元包括由第三透镜和第四透镜组成的望远镜系统，以及设置在第三透镜后焦面上的光阑；所述偏振单元是放置在第四透镜后的偏振掩膜板。

3.根据权利要求2所述的同步相移斐索干涉装置，其特征在于：所述偏振掩模板由偏振方向依次成45°角的4片偏振片排列组成的2×2阵列。

4.根据权利要求3所述的同步相移斐索干涉装置，其特征在于：所述第一光栅和第二光栅是振幅型光栅或相位型光栅，所述第一光栅和第二光栅的周期相同。

5.根据权利要求4所述的同步相移斐索干涉装置，其特征在于：所述第一光栅和第二光栅是相位阶为π的二进制二维相位光栅。

6.根据权利要求1至5任一所述的同步相移斐索干涉装置，其特征在于：所述照明单元包括激光器，由第一透镜和第二透镜组成的扩束准直系统，第一透镜后焦平面上设置有针孔滤波器。

7.根据权利要求6所述的同步相移斐索干涉装置，其特征在于：所述第一1/4波片的表面平整度要求小于1/50波长。

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