CN104296678B - 基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪 - Google Patents

基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，包括光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为两束激光；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；扩束单元，用于将低频差移相单元输出的两束激光的直径分别扩展为与待测面尺寸相等，并将扩束后的两束激光分别作为参考光和测量光；光束合束单元，用于将测量光经待测表面返回后与参考光合束产生干涉；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，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。

Description

基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪
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外差干涉仪，包括光束调整单元、低频差移相单元、扩束单元、光束合束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；
所述扩束单元，用于将所述低频差移相单元输出的两束激光的直径分别扩展为与待测面尺寸相等，并将扩束后的两束激光分别作为参考光和测量光；
所述光束合束单元，用于将所述测量光经待测表面返回后与所述参考光合束产生干涉；
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，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。
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外差干涉仪的应用示意图。
图7为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的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，一种基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，包括光束调整单元31、低频差移相单元32、扩束单元33、光束合束单元34以及面阵探测器单元35：
所述光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为两束激光；
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；
所述扩束单元，用于将所述低频差移相单元输出的两束激光的直径分别扩展为与待测面尺寸相等，并将扩束后的两束激光分别作为参考光和测量光；
所述光束合束单元，用于将所述测量光经待测表面返回后与所述参考光合束产生干涉；
所述面阵探测器单元，用于采集所述干涉。
具体的，所述光束调整单元可以包括：第一半波片和第一偏振分光棱镜。
本领域技术人员可以理解，半波片也可以称1/2波片，则本文出现1/2波片即为半波片。
具体的，所述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；
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。
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。具体的，所述扩束单元可以包括：第一激光扩束镜和第二激光扩束镜；
所述第一激光扩束镜用于将所述第一声光移频器调整后的激光进行直径扩展，得到直径与待测面尺寸相等的激光并作为测量光；
所述第二激光扩束镜用于将所述第二声光移频器调整后的激光进行直径扩展，得到直径与待测面尺寸相等的激光并作为参考光。
具体的，所述光束合束单元可以包括：第二偏振分光棱镜、1/4波片、第二半波片、第三偏振分光棱镜以及偏振片；
所述测量光经过所述第二偏振分光棱镜及所述1/4波片后到达待测表面，再经所述1/4波片、所述第二偏振分光棱镜返回到所述第二半波片，进而与所述参考光在所述第三偏振分光棱镜处合束；
所述偏振片，用于调整合束后的所述测量光和所述参考光的偏振方向，实现所述测量光的偏振方向和所述参考光的偏振方向相同。
本领域技术人员可以理解，偏振分光棱镜其特性可以根据入射光的偏振性分配分光比。第二偏振分光棱镜及1/4波片的作用是可以使光全部利用而不会损失一半，1/2波片及第三偏振分光棱镜的作用是可以使光全部利用而不会损失一半。
具体的，所述待测表面为反射平面。
具体的，所述待测表面为透射平面时，所述光束合束单元还包括：参考平面；所述参考光经所述待测表面后再到达所述参考平面。
参考平面为研磨的很平整精度很高的理想平晶，以避免光路折反引起新的面形误差即可。
或者，作为一种可选方案，具体的，所述光束合束单元可以包括：第一分光棱镜、第二分光棱镜以及偏振片；
所述测量光经过第一分光棱镜到达待测表面，再经所述第一分光棱镜返回，与所述参考光在第二分光棱镜处合束；
所述偏振片，用于调整合束后的所述测量光和所述参考光的偏振方向，实现所述测量光的偏振方向和所述参考光的偏振方向相同。
具体的，所述第一分光棱镜为1：1分光棱镜，所述第二分光棱镜为1：1分光棱镜。
本领域技术人员可以理解，1：1分光棱镜可以称为半透半反棱镜。
具体的，所述的基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，还包括复原单元，用于根据得到每相邻点的R值之差实现复原所述待测面的面型；
其中，ν1和ν2分别表示所述低频差移相单元处理后的两束激光的频率，E表示两束激光设两束光的光强，S(t)表示所述面阵探测器上任一点采集的随时间t变化的干涉信号，L表示测量光往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R表示待测表面粗糙的起伏量，c表示光速。
如图4所示，本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪可以对光学反射平面面形进行测量。
激光器41出射激光经过1/2波片42与偏振分光棱镜43(对应前文的第一偏振分光棱镜)可分为功率可任意分配调整的两束光，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。光束经过激光扩束镜451，452扩束为待测面尺寸大小，一束光作为测量光，另一束光作为参考光。测量光经过偏振分光棱镜46(对应前文的第二偏振分光棱镜)与1/4波片47照射待测表面48，用偏振分光棱镜46与1/4波片47的作用是可以使光全部利用而不会损失一半，下一组偏振分光棱镜49(对应前文的第三偏振分光棱镜)与1/2波片410的作用与此相同，待测表面48反射回的光与参考光于偏振分光棱镜49处合束，通过偏振片411使两束光的偏振方向相同，则产生干涉，利用面阵探测器412连续采集干涉图样。
本领域技术人员可以理解，激光器41可以出射相干激光。
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413，使一束光可以通过声光移频器442，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，通过1/2波片42与偏振分光棱镜43将一束光分为两束，即一分二，此处一分二的分配比例是可以调整的，不一定功率等分，最终希望两束光干涉的时候是1：1，但因为后面每一个器件的透光率等都不同，所以需要前端可以调，用1/2波片和偏振分光镜的组合就可实现这种分配可调。
设移频处理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：
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，探测器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。
如图6所示，本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差干涉可以对透射平面进行测量，参考图4所示可将干涉仪光路改为图6形式，在待测面61后端加一参考平面62，参考平面为研磨的很平整精度很高的理想平晶，以避免光路折反引起新的面形误差即可。
如图7所示，可以将光路后端偏振分光棱镜与波片组合的方案换为普通半透半反分光棱镜71，72，参考图4所示可将干涉仪光路改为图7形式，此代替方案不利于光的能量利用。同理，可以参考图6所示可将干涉仪光路改为图7形式，在此不作赘述。
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外差干涉：
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，本发明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，机械驱动方法需要更大口径和力量的驱动器，这样的越大的驱动器精度自然越低，而本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差干涉与被测面口径无关，不会存在对大口径测量精度降低的情况，相比机械驱动同样的优势更明显。
另外采用低频差外差干涉与面阵探测器连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位，更有利于克服噪声等因素影响。
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、扩束单元、光束合束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；
所述扩束单元，用于将所述低频差移相单元输出的两束激光的直径分别扩展为与待测面尺寸相等，并将扩束后的两束激光分别作为参考光和测量光；
所述光束合束单元，用于将所述测量光经待测表面返回后与所述参考光合束产生干涉；
所述面阵探测器单元，用于采集所述干涉；
还包括：复原单元，用于根据得到每相邻点的R值之差实现复原所述待测面的面型；
其中，ν1和ν2分别表示所述低频差移相单元处理后的两束激光的频率，E表示两束激光设两束光的光强，S(t)表示所述面阵探测器上任一点采集的随时间t变化的干涉信号，L表示测量光往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R表示待测表面粗糙的起伏量，c表示光速。
2.根据权利要求1所述的基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，其特征在于，所述光束调整单元包括：第一半波片和第一偏振分光棱镜。
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外差干涉仪，其特征在于，所述扩束单元包括：第一激光扩束镜和第二激光扩束镜；
所述第一激光扩束镜用于将所述第一声光移频器调整后的激光进行直径扩展，得到直径与待测面尺寸相等的激光并作为测量光；
所述第二激光扩束镜用于将所述第二声光移频器调整后的激光进行直径扩展，得到直径与待测面尺寸相等的激光并作为参考光。
5.根据权利要求3所述的基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，其特征在于，所述光束合束单元包括：第二偏振分光棱镜、1/4波片、第二半波片、第三偏振分光棱镜以及偏振片；
所述测量光经过所述第二偏振分光棱镜及所述1/4波片后到达待测表面，再经所述1/4波片、所述第二偏振分光棱镜返回到所述第二半波片，进而与所述参考光在所述第三偏振分光棱镜处合束；
所述偏振片，用于调整合束后的所述测量光和所述参考光的偏振方向，实现所述测量光的偏振方向和所述参考光的偏振方向相同。
6.根据权利要求3所述的基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，其特征在于，所述光束合束单元包括：第一分光棱镜、第二分光棱镜以及偏振片；
所述测量光经过第一分光棱镜到达待测表面，再经所述第一分光棱镜返回，与所述参考光在第二分光棱镜处合束；
所述偏振片，用于调整合束后的所述测量光和所述参考光的偏振方向，实现所述测量光的偏振方向和所述参考光的偏振方向相同。
7.根据权利要求5或6所述的基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，其特征在于，所述待测表面为反射平面。
8.根据权利要求5或6的基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，其特征在于，所述待测表面为透射平面时，所述光束合束单元还包括：参考平面；
所述参考光经所述待测表面后再到达所述参考平面。
9.根据权利要求6的基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪，其特征在于，所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜为1：1分光棱镜。
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