CN104296677A - 基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，包括光束调整单元、低频差移相单元、光束合束单元、共光路干涉单元以及面阵探测器单元：光束调整单元用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；低频差移相单元用于对光束调整单元得到的两束激光的频率进行调整以得到两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；光束合束单元用于将低频差移相单元输出的两束激光进行合束；共光路干涉单元用于将光束合束单元合束的激光分为共光路测量光和参考光以产生干涉；面阵探测器单元用于采集干涉。采用声光移频器外差干涉移相避免干涉仪存在运动件，测量精度提高，抗干扰性好，共光路提高抗干扰的能力降低系统光路自身误差的影响。

Description

基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪。

背景技术

随着现代精密仪器的发展，光学面形加工精度要求逐步提高，对光学面形检测精度要求也相应越来越高。传统光学加工中采用的光学面形检测方法包括哈特曼传感器法、刀口法和轮廓法等。这些方法分别存在着非数字化需主观判读或接触损伤待测件等不同的缺点，且很难达到较高的测量精度，属于简单测量方法。

而实际中的高精度面形检测几乎都是利用干涉仪来完成的。干涉检测法早在百年前就已经被使用，属于非接触式测量，且具有大量程、高灵敏度、高精度等特点，在高精度检测时被广泛应用，其原理是一束光照射标准的参考平面作为参考光，另一束光照射被测面返回带有面形信息作为测量光，两束光干涉时由于光斑不同位置相位不同产生光程差从而产生弯曲的干涉条纹，即可判断待测面的面形起伏。直到1974年Bruning等人提出移相干涉技术，把通讯理论中同步相位探测技术引入到光学干涉术中，使得干涉检测球面面形的精度大大提高。其基本原理是经过四步或多步移动待测元件，以改变测试波和参考波之间的位相差，光强也随之改变，从而得到一系列的方程。最后，通过求解方程组得到待测元件(或系统)的位相值。移相干涉技术已经相当成熟，在光学检测领域具有不可替代的地位。

商用高精度干涉检测方法的发展按干涉仪结构与特点可以分为：Twyman-Green(泰曼-格林)型干涉仪、Fizeau(斐索)型干涉仪等。

示例性的，如图1所示，用于球面检测的Twyman-Green型干涉检测系统，利用标准参考镜的反射波来获得所需的参考波前。来自He-Ne激光器11的光束经扩束系统12准直扩束后，由分光板13分为两部分：其中一部分平行光束通过分光板13，并经标准镜14会聚后由待测球面15(其曲率中心位于标准镜焦点处)反射回来，该部分光束作为检测光；另一部分平行光束由分光板13反射后再经标准参考镜16反射回来，此部分光束作为参考光。参考光和检测光在分光板13会合后，再经过成像系统17，进而在CCD(Charge-Coupled Device，电荷耦合器件)18探测器上得到干涉条纹。通过PZT(piezoelectronics，压电)移相器19对标准参考镜16进行微位移移相，即可实现待测球面的多步移相检测。

但是，由于检测光与参考光不共光路，对光路经过的每一个光学元件的面形精度要求高，而且易受震动等外界环境影响。

示例性的，如图2所示，用于球面检测的Fizeau干涉检测系统，利用标准镜上21的参考球面22(或平面)的反射波来获得所需的参考波前。经准直透镜23准直后的输出光束经过一标准镜21变成会聚光，其中部分光束由标准镜21上的参考球面22反射回来，作为参考光；而经过标准镜21的透射光则由待测球面24反射回来，作为检测光。反射回的参考光和检测光经分光板25反射后，再通过成像系统26在CCD探测器27上得到干涉图。通过PZT移相器28对标准镜21进行移相，即可实现待测球面的多步移相检测。为了便于理解，如图2所示，He-Ne激光器28，显微物镜29，空间滤波器210。

但是，由于采用机械移动作为移相方法，因此精度仍不够高，成本高，研制难度大。尤其对大口径面形的测量，精密机械驱动精度降低，测量精度也随之降低。

可见，目前干涉仪多因为机械驱动移相，移相步数少，通常存在达到高精度难度大，抗扰性差，获取信息量小，高精度解算算法复杂等缺点。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，实现避免干涉仪存在运动件，提高测量精度和抗干扰性能。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，包括光束调整单元、低频差移相单元、光束合束单元、共光路干涉单元以及面阵探测器单元：

所述光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；

所述低频差移相单元，用于对所述光束调整单元得到的所述两束激光的频率进行调整以得到所述两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；

所述光束合束单元，用于将所述低频差移相单元输出的两束激光进行合束；

所述共光路干涉单元，用于将所述光束合束单元合束的激光分为共光路测量光和参考光以产生干涉；

所述面阵探测器单元，用于采集所述干涉。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，采用共光路方案，进一步提高抗干扰的能力，同时降低系统光路自身误差的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有Twyman-Green型干涉检测系统原理示意图。

图2为现有Fizeau干涉检测系统原理示意图。

图3为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪的构成示意图。

图4为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪的应用示意图。

图5为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪的采集信号示意图。

图6为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪的应用示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

针对现有技术几乎都采用机械驱动进行移相，达到高精度难度大，抗扰性差，获取信息量小，高精度解算算法复杂。

本发明为了解决上述问题，采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低。尤其对于大口径面形的测量，相比机械驱动同样的优势更明显。

如图3所示，本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪包括:

光束调整单元31、低频差移相单元32、光束合束单元33、共光路干涉单元34以及面阵探测器单元35：

光束调整单元31，用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；

低频差移相单元32，用于对光束调整单元得到的两束激光的频率进行调整以得到两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；

光束合束单元33，用于将低频差移相单元输出的两束激光进行合束；

共光路干涉单元34，用于将光束合束单元合束的激光分为共光路测量光和参考光以产生干涉；

面阵探测器单元35，用于采集干涉。

具体而言，光束调整单元可以包括：激光器、可调谐滤光片和第一分光镜。

示例性的，激光器的出射激光可以为弱相干光，防止两个频率光前后分别反射的多组光束间相互干涉的干扰。

具体而言，低频差移相单元可以包括：

第一声光移频器、第二声光移频器以及同源低频差驱动器；

第一声光移频器和第二声光移频器通过同源低频差驱动器驱动，输出差频为100赫兹以下的低差频，且第一声光移频器用于调整两束激光中的一束激光的频率，第二声光移频器用于调整两束激光中另一束激光的频率。

本领域技术人员可以理解，两个声光移频器的移频量大小不同，因此输出差频为几赫兹量级到几十赫兹量级都可以，以便使用现有面阵探测器单元探测，赫兹数值可以是整数也可以为小数，不受限制。具体而言，光束合束单元可以包括：合束镜和角反射镜；

角反射镜的位移方向平行于第二声光移频器输出的激光方向，第一声光移频器输出的激光与角反射镜输出的激光在合束镜处合束。

具体而言，共光路干涉单元可以包括：空间滤波器、第一准直镜、参考透射平面镜、第二分光镜、第二准直镜，空间滤波器可以包括显微物镜和空间滤波针孔；

空间滤波器对合束后的激光进行滤波，第一准直镜将滤波后的激光的直径准直为与待测表面尺寸相同，准直后的激光经参考透射平面镜返回光作为参考光，由参考透射平面镜透射后再返回的光作为测量光，参考光与测量光同光路经第一准直镜逆向返回，经第二分光镜以及第二准直镜进入面阵探测器。

本领域技术人员可以理解，准直镜将发散的光路进行准直或会聚到探测器大小，以便对完整的干涉条纹进行探测。

作为一种可选方案，共光路干涉单元还可以包括：待测表面，待测表面为透射球面镜表面时，共光路干涉单元还包括参考球面反射镜，准直后的激光经参考透射平面镜透射进入待测表面后透射到达参考球面反射镜，再经参考球面反射镜返回；

或者，作为一种可选方案，共光路干涉单元还可以包括：待测表面，待测表面为反射球面镜表面时，共光路干涉单元还包括参考球面透射镜，准直后的激光经参考透射平面镜透射进入参考球面透射镜后透射到达待测表面，再经待测表面反射镜返回。

参考球面透射镜为标准透镜。

或者，作为一种可选方案，共光路干涉单元还可以包括：待测表面，待测表面为反射平面镜表面，准直后的激光经参考透射平面镜透射进入待测表面后反射；

或者，作为一种可选方案，共光路干涉单元还可以包括：待测表面，待测表面为透射平面镜表面时，参考透射平面镜替换为待测表面，共光路干涉单元还包括：参考平面反射镜，准直后的激光经待测表面透射进入参考球面反射镜后反射。

可选的，共光路干涉单元还可以包括：第三分光镜，傅立叶透镜以及监视相机作为监视系统。

监视系统为光路的分路，傅里叶透镜对分路光聚焦，参考光和测量光若方向不同，在监视相机上会聚为不同位置的点，可通过这个分离距离保持监视测量光与参考光的夹角。

可选的，第一分光镜、第二分光镜和第二分光镜为1：1分光镜。

本领域技术人员可以理解，1：1分光镜可以称为半透半反棱镜。

如图4所示，本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪光路原理：

激光器41采用弱相干光，相干长度为数毫米到数十厘米，出射激光经过可调谐滤光片42控制激光功率，再经过分光镜43平分为功率相等的两束光，分别通过声光移频器441，442，声光移频器改变激光频率，两个移频器的移频量不同，差频为几赫兹或几十赫兹量级的低差频。其中一束光经过一个沿光束方向可移动的角反射镜45，与另一束光在合束镜46处合束。合成为一束的光束经过显微物镜47与空间滤波针孔48组成的空间滤波器滤波，由准直镜49准直为与待测件大小相当的粗光束。光束经过参考透射平面镜410，一部分光返回作为参考光，一部分光透过待测透镜411后经参考球面镜412反射，再平行返回准直镜49作为测量光。参考光与测量光同光路经准直镜49逆向返回，从分光镜413处向下进入面阵探测器414。光路中再分一路作为监视系统，方便监视整个干涉仪光路的调整，如参考光与测量光同光路经准直镜49逆向返回，从分光镜413处向下进入分光镜415，傅立叶透镜416以及监视相机417。

本领域技术人员可以理解，鉴于声光移频器441，442的位置，布置平面反射镜419。声光移频器441，442由同源低频差驱动器443驱动。

本领域技术人员可以理解，参考光与测量光同光路从分光镜413处向下，可以经准直镜418进入面阵探测器414。

为了避免两个频率光前后分别反射光束间相互干涉引起干扰，所以采用的激光光源为弱相干光，根据待测件的焦距等参数，设定光源的相干长度小于测量光与参考光的光程差，这样其它光程差光束间不再干涉。用不同频率的光分别作为参考光与测量光，其光程差由往返角反射镜多走的光程来补偿，移动控制角反射镜的位置即可控制不同频率光的光程差满足干涉条件。

设移频后两束光的频率分别为ν₁和ν₂，频差ν₁-ν₂为几赫兹或几十赫兹量级，面阵探测器采样频率只需满足采样定理即高于频差的两倍即可准确探测外差的拍频信号。由于频差较小，常用的面阵相机就可以轻易满足该采样频率要求。设两束光的光强都为E，则面阵探测器上一点采集的随时间t变化的干涉信号S(t)表示为：

$S\left(t\right)=2E+2E\cos [2\mathrm{\π}(v_1-v_2)t+2\×\frac{2\mathrm{\π}{v}_1(L+R)}{c}]$

其中L为测量光束往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R为待测面粗糙的起伏量，c为光速。面阵探测器的一点对应待测面上的一个点，相机连续采集一组面阵照片，即为一组数据立方，对应相同每一点的值抽取出来为一余弦周期信号，即为S(t)的形式，如图5所示。由信号形式可以看出，不同点由于粗糙起伏的R值不同，造成探测器上对应点探测的信号相位不同。利用傅里叶分析或其它数据处理方法可解算出每点信号的相位，即可获得待测表面的起伏量。分别计算每相邻点的R值之差就可复原出待测面的面型。

本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，若测量反射球面镜则光路图与图4相同，只要将图4的待测透镜换为标准透镜，而最后的参考球面反射镜换为待测球面反射镜即可。

本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪可以对光学反射平面面形进行测量。若要对平面反射镜进行测量，可将干涉仪光路改为图6形式，透过参考平面的光直接照射待测平面镜61返回即可。若要测量透射平面镜，光路与图6表现形式相同，只是光路先经过待测透射平面镜，最后为标准反射平面镜即可。

通过以上描述，本发明实施例基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪：

用低频差声光移频器进行移相代替机械相移，两路光声光移频产生连续的精确的外差干涉信号，解决机械移动误差大的问题；且获得的移相步数多，探测信息量大，可进一步提高测量精度。

在采用声光外差干涉的同时，又采用改进的共光路方案，进一步提高抗干扰的能力，同时降低系统光路自身误差的影响。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，包括光束调整单元、低频差移相单元、光束合束单元、共光路干涉单元以及面阵探测器单元：

所述光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；

所述低频差移相单元，用于对所述光束调整单元得到的所述两束激光的频率进行调整以得到所述两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；

所述光束合束单元，用于将所述低频差移相单元输出的两束激光进行合束；

所述共光路干涉单元，用于将所述光束合束单元合束的激光分为共光路测量光和参考光以产生干涉；

所述面阵探测器单元，用于采集所述干涉。

2.根据权利要求1所述的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述光束调整单元包括：激光器、可调谐滤光片和第一分光镜；

所述激光器的出射激光为弱相干光。

3.根据权利要求1或2所述的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述低频差移相单元包括：

第一声光移频器、第二声光移频器以及同源低频差驱动器；

所述第一声光移频器和所述第二声光移频器通过所述同源低频差驱动器驱动，输出差频为100赫兹以下的低差频，且所述第一声光移频器用于调整所述两束激光中的一束激光的频率，所述第二声光移频器用于调整所述两束激光中另一束激光的频率。

4.根据权利要求3所述的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述光束合束单元包括：合束镜和角反射镜；

所述角反射镜的位移方向平行于所述第二声光移频器输出的激光方向，所述第一声光移频器输出的激光与所述角反射镜输出的激光在所述合束镜处合束。

5.根据权利要求4所述的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述共光路干涉单元包括：空间滤波器、第一准直镜、参考透射平面镜、第二分光镜、第二准直镜，所述空间滤波器包括显微物镜和空间滤波针孔；

所述空间滤波器对合束后的激光进行滤波，所述第一准直镜将滤波后的激光的直径准直为与待测表面尺寸相同，准直后的激光经所述参考透射平面镜返回光作为参考光，由所述参考透射平面镜透射后再返回的光作为测量光，所述参考光与所述测量光同光路经所述第一准直镜逆向返回，经所述第二分光镜以及所述第二准直镜进入所述面阵探测器。

6.根据权利要求5所述的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述共光路干涉单元还包括：待测表面，所述待测表面为透射球面镜表面时，所述共光路干涉单元还包括参考球面反射镜，准直后的激光经所述参考透射平面镜透射进入所述待测表面后透射到达所述参考球面反射镜，再经所述参考球面反射镜返回；

或者，所述共光路干涉单元还包括：待测表面，所述待测表面为反射球面镜表面时，所述共光路干涉单元还包括参考球面透射镜，准直后的激光经所述参考透射平面镜透射进入所述参考球面透射镜后透射到达所述待测表面，再经所述待测表面反射镜返回。

7.根据权利要求5所述的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述共光路干涉单元还包括：待测表面，所述待测表面为反射平面镜表面，准直后的激光经所述参考透射平面镜透射进入所述待测表面后反射；

或者，所述共光路干涉单元还包括：待测表面，所述待测表面为透射平面镜表面时，所述参考透射平面镜替换为所述待测表面，所述共光路干涉单元还包括：参考平面反射镜，准直后的激光经所述待测表面透射进入所述参考球面反射镜后反射。

8.根据权利要求5或6的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述共光路干涉单元还包括：第三分光镜，傅立叶透镜以及监视相机。

9.根据权利要求8的基于低频差声光移频器移相的共光路外差干涉仪，其特征在于，所述第一分光镜、所述第二分光镜和所述第二分光镜为1：1分光镜。