CN103256991B - 空间移相横向剪切干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种空间移相横向剪切干涉仪，其特点在于该干涉仪由偏振分光剪切平板、偏振移相器、第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和计算机组成，本发明引入偏振剪切干涉实现了空间移相，消除了环境振动带来的影响，且具有结构简单紧凑、操作简便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量，特别是一种空间移相横向剪切干涉仪。
背景技术
干涉测量技术具有非接触、高精度、高空间分辨率等优点，在光学测试、微电子制造、精密机械加工等领域得到了广泛的应用。作为干涉测量技术的重要分支，横向剪切干涉测量技术利用被测波前与其横向剪切复制的波前发生干涉，无需标准参考面，且其结构简单、紧凑、稳定，是非常有效的波面检测方法。移相法被引入到剪切干涉测量中，形成了移相剪切干涉测量技术，可以进一步提高剪切干涉波面测量的精度和空间分辨率。
先技术[1](Devon W.Griffin,“Phase-shifting shearing interferometer”,Opt.Lett.26(3):140-141(2001).)利用液晶层位于两块平板中间组成了剪切元件。被测波面以一定角度倾斜入射到该剪切元件上后，被第一平板的前表面和第二平板的后表面分别反射形成了反射波，两个反射波再干涉形成了剪切干涉场。该测量方法可通过调节液晶层的电压来改变液晶层的折射率，从而获得不同的移相干涉场。但是，该测量方法存在非线性、迟滞等问题。
先技术[2](Jae Bong Song,Yun Woo Lee,In Won Lee,and Yong-Hee Lee，“Simple phase-shifting method in a wedge-plate lateral-shearinginterferometer”,Appl.Opt.43(20):3989-3992(2004).)利用前后表面不平行的光楔作为剪切元件。被测波面在光楔前后表面分别反射形成具有一定夹角的两个反射波，这两个反射波发生干涉则形成了剪切干涉场。该测量方法可沿着光楔楔角的方向移动光楔来获得不同的移相干涉场。但是，该方法需要精确控制光楔移动的距离来获得所需的移相量，对电动控制的要求很高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种空间移相横向剪切干涉仪。该干涉仪引入偏振剪切干涉实现了空间移相，消除了环境振动带来的影响，且具有结构简单紧凑、操作简便等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种空间移相横向剪切干涉仪，其特点在于该干涉仪由偏振分光剪切平板、偏振移相器、第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和计算机组成，上述元部件的位置关系如下：
所述的偏振分光剪切平板为光学平行平板，前表面镀有偏振分光膜，后表面镀有全反膜，偏振分光剪切平板与被测波面的传播方向成45°角；所述的偏振移相器由四分之一波片，消偏振分光棱镜、第一检偏器、第二检偏器和第三检偏器组成，所述的四分之一波片的快轴与所述的偏振分光剪切平板的前表面所反射的S波的偏振方向成45°角，所述的消偏振分光棱镜由两块直角棱镜和一块直角梯形棱镜胶合而成，一块较小的直角棱镜的斜边与一块较大的直角棱镜的一个直角边相等并胶合形成胶合面，所述的直角梯形棱镜的斜边与所述的较大的直角棱镜的另一个直角边相等并胶合形成胶合面，所述的胶合面和均镀有消偏振分光膜，其分光比为1:1，在所述的直角梯形棱镜的直角腰边、较大的直角棱镜的斜边、较小的直角棱镜的一个直角边外分别设置结构相同的第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器，所述的第一检偏器、第二检偏器和第三检偏器的透振轴依次相差45°，所述的第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器的输出端与所述的计算机的输入端相连；
被测波面入射到偏振分光剪切平板上，被前表面分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光波：S波和P波，S波直接被前表面反射形成反射波，P波透过前表面后被后表面反射，再次透过前表面形成另一束反射波，两束反射波经所述的四分之一波片和消偏振分光棱镜分为三束完全相同的移相剪切干涉图，所述的移相剪切干涉图最后被所述的第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器接收并传入到所述的计算机，计算机利用移相剪切干涉图处理软件进行相关处理，参见在先技术[3](郭晓娴，同步移相横向剪切干涉测量技术的研究，中国科学院上海光学精密机械研究所，硕士论文，2009)，获得复原被测波面。
与在先技术相比，本发明的装置效果如下:
1、结构简单、紧凑。
本发明的空间移相干涉仪的剪切板仅由一块偏振分光剪切平板构成，并且仅利
用一块消偏振分光棱镜就同时分得了三束子光波，故其结构简单、紧凑。
2操作简便，不存在迟滞、非线性问题。
本发明利用三块透振轴依次相差45°检偏器实现了移相，无需旋转偏振片，或使用液晶板、压电陶瓷等电压控制器件，故操作简便且不存在迟滞和非线性的问题。
3、实现了空间移相，消除了环境振动的影响。
本发明利用偏振分光剪切平板获得两束偏振方向相互垂直的剪切波，从而实现了空间移相器的引入并实现了空间移相。
附图说明
图1为本发明空间移相剪切干涉仪的光路结构图
图2为光入射到偏振分光剪切平板上的分光光路图
图3为本发明偏振移相器中消偏振分光棱镜的结构简图
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为本发明空间移相剪切干涉仪的光路结构图。由图1可见，本发明空间移相横向剪切干涉仪由被测波面1、偏振分光剪切平板2、偏振移相器3、第一图像传感器4、第二图像传感器5、第三图像传感器6和计算机7组成，上述元部件的位置关系如下：
所述的偏振分光剪切平板2为光学平行平板，前表面2a镀有偏振分光膜，后表面2b镀有全反膜，偏振分光剪切平板2与被测波面1的传播方向成45°角；所述的偏振移相器3由四分之一波片301，消偏振分光棱镜302、第一检偏器303、第二检偏器304和第三检偏器305组成，所述的四分之一波片301的快轴与所述的偏振分光剪切平板2的前表面2a所反射的S波的偏振方向成45°角，所述的消偏振分光棱镜302由两块直角棱镜和一块直角梯形棱镜胶合而成，一块较小的直角棱镜的斜边与一块较大的直角棱镜的一个直角边相等并胶合形成第二胶合面302b，所述的直角梯形棱镜的斜边与所述的较大的直角棱镜的另一个直角边相等并胶合形成第一胶合面302a，所述的第一胶合面302a和第二胶合面302b均镀有消偏振分光膜，其分光比为1:1，在所述的直角梯形棱镜的直角腰边、较大的直角棱镜的斜边、较小的直角棱镜的一个直角边外分别设置结构相同的第一图像传感器4、第二图像传感器5和第三图像传感器6，所述的第一检偏器303、第二检偏器304和第三检偏器305的透振轴依次相差45°，所述的第一图像传感器4、第二图像传感器5和第三图像传感器6的输出端与所述的计算机7的输入端相连；
被测波面1入射到偏振分光剪切平板2上，被前表面2a分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光波：S波和P波，S波直接被前表面2a反射形成反射波，P波透过前表面2a后被后表面2b反射，再次透过前表面2a形成另一束反射波，两束反射波经所述的四分之一波片301和消偏振分光棱镜302分为三束完全相同的移相剪切干涉图，所述的移相剪切干涉图最后被所述的第一图像传感器4、第二图像传感器5和第三图像传感器6接收并传入到所述的计算机7，计算机7利用移相剪切干涉图处理软件进行相关处理，获得复原被测波面。
本发明的移相横向剪切干涉仪工作过程如下：
如图1所示，待测波面1以45°角入射到偏振分光剪切平板2，被分成两束相互平行、偏振方向相互垂直的线偏振光波——S波和P波(如图2所示)。因为四分之一波片301的快轴与偏振分光剪切平板2的前表面2a所反射的S波的偏振方向成45°角，故这两束线偏振光波经过四分之一波片301后变为左旋圆偏光波和右旋圆偏光波。圆偏振光波经消偏振分光棱镜302分束形成三束完全相同的子光波，三束子光波分别经过第一检偏器303、第二检偏器304和第三检偏器305检偏后形成三幅剪切干涉图。因为第一检偏器303、第二检偏器304和第三检偏器305的透振轴依次相差45°，故三幅剪切干涉图依次具有90°的移相量，参见先进技术[4](Sanjib Chatterjee,Y.Pawan kumar,Basanta Bhaduri,“Measurement ofsurface figure of plane optical surfaces with polarization phase shiftingFizeau interferometer”,Optics&Laser Technology.39:268-274(2007))。剪切干涉图分别由第一图像传感器4、第二图像传感器5和第三图像传感器6采集并由计算机7上的移相剪切干涉图处理软件进行处理，从而复原被测波面，实现移相横向剪切干涉测量。
下面给一个最佳实施例的具体参数：
待测波面1由口径为2mm的氦氖激光器的光束经过5倍扩束镜扩束得到。偏振分光剪切平板2由HK9L制成，大小为50mm×2mm。偏振分光剪切平板2上的消光比为10000:1。四分之一波片301为石英波片，相位延迟精度为λ/500(λ为632.8nm)。消偏振分光棱镜302由K9玻璃制成，其透过率为45％±5％。第一检偏器303、第二检偏器304和第三检偏器305的消光比都为1000:1。第一图像传感器4、第二图像传感器5和第三图像传感器6像素均为600×400的CCD。
与在先技术相比，本发明引入偏振剪切干涉实现了空间移相，消除了环境振动带来的影响，且结构简单紧凑、操作简便。
Claims (1)
1.一种空间移相横向剪切干涉仪，其特征在于该干涉仪由偏振分光剪切平板(2)、偏振移相器(3)、第一图像传感器(4)、第二图像传感器(5)、第三图像传感器(6)和计算机(7)组成，上述元部件的位置关系如下：
所述的偏振分光剪切平板(2)为光学平行平板，前表面(2a)镀有偏振分光膜，后表面(2b)镀有全反膜，偏振分光剪切平板(2)与被测波面(1)的传播方向成45°角；所述的偏振移相器(3)由四分之一波片(301)，消偏振分光棱镜(302)、第一检偏器(303)、第二检偏器(304)和第三检偏器(305)组成，所述的四分之一波片(301)的快轴与所述的偏振分光剪切平板(2)的前表面(2a)所反射的S波的偏振方向成45°角，所述的消偏振分光棱镜(302)由两块直角棱镜和一块直角梯形棱镜胶合而成，一块较小的直角棱镜的斜边与一块较大的直角棱镜的一个直角边相等并胶合形成第二胶合面(302b)，所述的直角梯形棱镜的斜边与所述的较大的直角棱镜的另一个直角边相等并胶合形成第一胶合面(302a)，所述的第一胶合面(302a)和第二胶合面(302b)均镀有消偏振分光膜，其分光比为1:1，在所述的直角梯形棱镜的直角腰边、较大的直角棱镜的斜边、较小的直角棱镜的一个直角边外分别设置结构相同的第一图像传感器(4)、第二图像传感器(5)和第三图像传感器(6)，所述的第一检偏器(303)、第二检偏器(304)和第三检偏器(305)的透振轴依次相差45°，所述的第一图像传感器(4)、第二图像传感器(5)和第三图像传感器(6)的输出端与所述的计算机(7)的输入端相连；
被测波面(1)入射到偏振分光剪切平板(2)上，被前表面(2a)分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光波：S波和P波，S波直接被前表面(2a)反射形成反射波，P波透过前表面(2a)后被后表面(2b)反射，再次透过前表面(2a)形成另一束反射波，两束反射波经所述的四分之一波片(301)和消偏振分光棱镜(302)分为三束完全相同的移相剪切干涉图，所述的移相剪切干涉图最后被所述的第一图像传感器(4)、第二图像传感器(5)和第三图像传感器(6)接收并传入到所述的计算机(7)，计算机(7)利用移相剪切干涉图处理软件进行相关处理，获得复原被测波面。
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