CN103336370A

CN103336370A - 一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构

Info

Publication number: CN103336370A
Application number: CN2013102756837A
Authority: CN
Inventors: 巩岩; 廖家胜; 张巍; 李晶; 李春才; 姚长呈; 骆聪; 刘壮
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2013-10-02

Abstract

一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构属于光学元件检测领域，该光学机构包括：前棱镜系统、后棱镜系统和平行平板；前棱镜系统由一个负菲涅尔棱镜和一个的正菲涅尔棱镜组成，后棱镜系统相当于前棱镜系统光轴垂线的镜像，四片棱镜同光轴放置，平行平板放置在前后棱镜系统中间，位于光轴的上方或者下方，使分光后其中的一束光垂直穿过平行平板，平行平板的厚度为入射光波长二分之一的奇数倍。本发明没有衍射带来的分光、位相板相差π的界面的不平整以及相位板上π相位过渡区域相位变化所以引起的误差，其获得的探测光束用于LTP，能减小误差，并且获得更高的探测精度。

Description

一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构

技术领域

本发明涉及光学元件检测领域，具体涉及一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构。

背景技术

同步辐射光学元件不同于可见光波段的传统光学元件，同步辐射光学元件自身很长（条形或筒状），其形状一般都是椭圆、抛物线、双曲线以及超环面等复杂非球面，传统光学检测方法（如斐索型干涉仪等）很难对其进行检测。为了检测此类光学镜表面面型，基于Von Bieren等提出的细光束干涉原理，1987年，钱石南和Takacs P Z提出了等光程分光系统的细光束干涉轮廓仪，并命名为长程轮廓仪（LTP）。它通过扫描测量被测表面斜率变化，获得被测表面轮廓。在此后的二十多年中，长程轮廓仪在提高测量精度、减小仪器误差方面取得了很大的提高，并相继诞生了LTP Ⅱ、PPLTP等轮廓仪。衍射型长程轮廓仪是清华大学李直等于2001年提出来的，有别于标准的LTP以及PPLTP，该系统采用了一维π相位阶跃位相板代替分光单元，单光束经过位相板衍射后产生一条暗线，通过测量暗线的位置即可实现斜率测量。相比于其它的LTP，衍射型轮廓仪有很多优势：首先，它只有一束探测光束，因此受温度和空气扰动影响小；其次，暗线测量不受光源影响，可以获得更好的探测精度；此外，该系统还继承了标准LTP光程不变扫描和PPLTP五棱镜扫描的优势，大大提高了仪器的测量精度。衍射型LTP最大的特点来自于它的位相板，其相位分布：

T (x, y) = \{\begin{matrix} 1 & 0 < x < \infty, - \infty < y < \infty \\ e^{jπ} & - \infty < x < 0, - \infty < y < \infty \end{matrix}

位相板的制作一般是通过在玻璃平板上镀膜来实现的，这不仅对镀膜工艺要求很高，同时在玻璃平板上，相位相差π的界面不易处理，制成的位相板在高斯光照射下容易产生杂光，此外，还存在相位过渡区域，易引起测量误差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构，该结构通过前后两部分棱镜系统，将一束高斯光分成两束后再合并成一束，解决了现有技术中存在的相位差和易产生杂散光的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构，该光学机构包括：前棱镜系统、后棱镜系统和平行平板；前棱镜系统由一个负菲涅尔棱镜和一个的正菲涅尔棱镜组成，后棱镜系统相当于前棱镜系统光轴垂线的镜像，四片棱镜同光轴放置，平行平板放置在前后棱镜系统中间，位于光轴的上方或者下方，使分光后其中的一束光垂直穿过平行平板，平行平板的厚度为入射光波长二分之一的奇数倍；前棱镜系统将一束高斯光变成两束强度相等的半高斯光束，两束半高斯光束间有一定间隔，然后用平行平板对其中一束半高斯光束进行相位调制，调制后的两束光经过后棱镜系统又合成一束光。

本发明的有益效果是：本发明由于先将高斯光分开一定距离再进行相位调制，所以没有π相位板界面不易处理的情况，通过改变平行平板的厚度进行相位调制比镀膜工艺更加简单。由于该结构没有衍射带来的分光、位相板相差π的界面的不平整以及相位板上π相位过渡区域相位变化所以引起的误差，其获得的探测光束用于LTP，能减小误差，并且获得更高的探测精度。

附图说明

图1本发明一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构示意图。

图2本发明具体应用装置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构，该结构包括四片棱镜和一片平行平板5，四片棱镜同光轴放置，由一个负菲涅尔棱镜1和一个正菲涅尔棱镜2组成的前棱镜系统，由一个正菲涅尔棱镜3和一个负菲涅尔棱镜4组成的后棱镜系统，后棱镜系统相当于将前棱镜系统绕y轴转180°，当前棱镜系统中棱镜尺寸形状和两个正负菲涅尔棱镜之间距离d₀确定时，后棱镜系统中各参数也确定。平行平板5可以放在前棱镜系统和后棱镜系统之间的任何位置，并且只能让经前棱镜系统分开的两束光中的一束通过，平行平板5法线与光线传播方向平行。结构中的平行平板5厚度应为二分之一波长（根据长程轮廓仪系统光源而定）的奇数倍，其两面均镀有增透膜。

前棱镜系统主要作用是将高斯光束分开一定间距，以便于平行平板5对其中一束半高斯光束进行相位调制，其中分开间距d由以下公式决定：

d = \frac{d_{0} \tan [\arcsin (n \sin α) - α]}{1 - \tan α [\arcsin (n \sin α) - α]}

其中d₀为负菲涅尔棱镜1与正菲涅尔棱镜2两棱之间的间距，n为玻璃折射率，α为菲涅尔棱镜顶角。正菲涅尔棱镜和负菲涅尔棱镜的顶角大小相同，为了避免光在棱镜中发生全反射，顶角范围在0°～arcsin(1/n)。同时，由于角度太小时，要获得一定的间距d，需将两棱镜之间的间距d₀调至很大，从而增加了光学系统长度；角度太大时，改变两棱镜间的距离d₀使得d的变化过于灵敏，从而增加了精密机械调节难度。因此，综合考虑α一般取10°～30°较为合适。

具体间距分开大小可根据实际情况而定，基于光路可逆原理，后棱镜系统将经过相位调制后的两束光再合成一束光，作为衍射型轮廓仪的探测光束。

具体应用中，如图2所示，激光光源6发出原始高斯光束，经单模光纤7后，进入准直镜8，扩束后的光束进入π相位调制的光学系统，光学系统中由1和2组成的前棱镜系统将光束分开一定间距d，并用平行平板5对下光束进行相位调制，使得下光束的相位与上光束相差π或（2n+1）π,调制后的两束光经由3和4组成的后棱镜系统又合成一束光，该光进入探测系统9，经偏振分光棱镜9c分成两束偏振光，反射的一束光作为参考光束经1/4波片9b、直角棱镜9a、1/4波片9b、偏振分光棱镜9c，反射棱镜9d和FT透镜11在CCD探测器12上发生干涉;另一束透射光作为探测光束经过1/4波片9e,五角棱镜9f,到达被测面10，经被测面10反射后经五角棱镜9f,1/4波片9e,偏振分光棱镜9c,反射棱镜9d和FT透镜11在探测器另一处发生干涉。通过测量参考条纹和被测条纹之间的间距，获得被测面的斜率信息，将斜率积分进一步获得被测面的轮廓。

Claims

1.一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构，其特征在于，该光学机构包括：前棱镜系统、后棱镜系统和平行平板；前棱镜系统由一个负菲涅尔棱镜和一个的正菲涅尔棱镜组成，后棱镜系统相当于前棱镜系统光轴垂线的镜像，四片棱镜同光轴放置，平行平板放置在前后棱镜系统中间，位于光轴的上方或者下方，使分光后其中的一束光垂直穿过平行平板，平行平板的厚度为入射光波长二分之一的奇数倍；前棱镜系统将一束高斯光变成两束强度相等的半高斯光束，两束半高斯光束间有一定间隔，然后用平行平板对其中一束半高斯光束进行相位调制，调制后的两束光经过后棱镜系统又合成一束光。

2.如权利要求1所述的一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构，其特征在于，所述正菲涅尔棱镜和负菲涅尔棱镜的顶角大小相同，0°～90°。

3.如权利要求2所述的一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构，其特征在于，所述正菲涅尔棱镜和负菲涅尔棱镜的顶角的优选范围为10°～30°。

4.如权利要求1所述的一种与衍射型长程轮廓仪中π阶跃位相板等效的光学结构，其特征在于，所述平行平板两面均镀有增透膜。