CN104949630A - 一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置。线偏振激光器出射的光经过二分之一波片、第一四分之一波片、第一分光镜后分为两束，透射部分通过两个反射镜和第二分光镜后进入准直扩束系统，反射部分通过第二四分之一波片、两个反射镜、第三四分之一波片后产生旋向与透射部分相反的圆偏振光，并经过第二分光镜进入准直扩束系统，两束光会合后通过显微物镜会聚到点衍射孔上，衍射出含有左旋和右旋两束光的近似标准球面波，测试光经待测件反射、点衍射板反射后与旋向相反的参考光会合，经过第四四分之一波片和检偏器后得到干涉条纹，通过旋转检偏器来实现干涉条纹对比度可调。本发明实现了条纹对比度可调，测量精度高。

Description

一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置

 

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体是一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置。

背景技术

随着微电子、航天航空等高科技前沿领域对于光学球面面形精度的不断提高，同时也对球面检测精度提出了很高的要求。虽然Twyman-Green型、Fizeau型球面干涉检测系统以及绝对检测法等传统球面干涉检测技术仍是目前应用最广的检测手段，但其精度都受到了参考标准镜面形精度的限制，因而难以满足高精度球面检测的需要。

点衍射球面干涉检测技术的基本思想是利用点衍射原理来获取理想的球面波，并将衍射波前的一部分作为参考波前，另一部分作为检测波前，进而可实现球面面形的高精度检测。利用点衍射原理获得理想球面波前，避免了传统干涉检测系统中由于标准镜面形误差对于系统检测精度的限制，因而可以达到衍射极限性能的分辨率，并使得检测精度具有较好的再现性。

点衍射干涉检测技术一般有两种形式，一种采用针孔板产生衍射球面波，一种采用光纤产生衍射球面波。其中光纤式可实现条纹对比度调整，但是衍射球面波数值孔径较小，一般不超过0.2；而针孔式可提供较大数值孔径的衍射球面波，但是无法调整条纹对比度，对于未镀膜的球面来说，通常反射率仅有4%左右，因此获得的干涉条纹对比度很差，容易影响面形测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置，用以解决针孔点衍射干涉仪条纹对比度可调节的问题，从而实现对待测球面，尤其是低反射率球面的高精度测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置，包括线偏振激光器、二分之一波片、第一四分之一波片、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二四分之一波片、第三反射镜、第四反射镜、第三四分之一波片、第二分光镜、准直扩束系统、显微物镜、点衍射板、待测球面、压电移相器、准直透镜、第四四分之一波片、检偏器、成像透镜和探测器；线偏振激光器、二分之一波片、第一四分之一波片、第一分光镜和第一反射镜依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第一光轴；第四反射镜、第三四分之一波片、第二分光镜、准直扩束系统、显微物镜和点衍射板依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第二光轴，第二光轴与第一光轴垂直；第一分光镜、第二四分之一波片和第三反射镜依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第三光轴，第三光轴与第二光轴平行，且与第一光轴垂直；第二反射镜位于第一反射镜和第二分光镜之间，将第一反射镜的光束反射至第二分光镜；待测球面和压电移相器连接，待测球面所在光轴为第四光轴，准直透镜、第四四分之一波片、检偏器、成像透镜和探测器依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第五光轴，第四光轴和第五光轴关于第二光轴对称。

线偏振激光器出射的光依次经过二分之一波片和第一四分之一波片后产生右旋圆偏振光，再经过第一分光镜分为两束，其中透射光束经过第一反射镜和第二反射镜反射到第二分光镜，再经过第二分光镜反射进入准直扩束系统；由第一分光镜反射的光束先后经过第二四分之一波片和第三反射镜后，反射到第四反射镜，经第四反射镜反射至第三四分之一波片后产生左旋圆偏振光，再通过第二分光镜透射后进入准直扩束系统；两束光会合后通过准直扩束系统和显微物镜会聚到点衍射板，衍射出含有左旋和右旋两束光的近似标准球面波；每一旋向的球面波前都分为两部分，一部分作为参考波前，另一部分作为检测波前，检测波前经待测球面反射至点衍射板，再经点衍射板反射后与旋向相反的参考波前会合后经过准直透镜变为平面波，经过第四四分之一波片后变成偏振方向相互垂直的线偏振光，最后通过检偏器和成像透镜后于探测器上得到干涉条纹；通过调整检偏器的旋转角度可实现条纹对比度的调节。压电移相器推动待测球面沿第四光轴移动。

所述点衍射板包括玻璃基底、金属反射膜和衍射针孔，金属反射膜镀于玻璃基底之上，金属反射膜中心设有一个衍射针孔；光束依次经过玻璃基底和金属反射膜上的衍射针孔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过引入偏振技术在针孔点衍射干涉系统中实现了大数值孔径条纹对比度可调，并且将旋向相反的两束光的产生放在了点衍射板之前，从而使该系统在干涉腔中不引入任何其他元件，与现有的通过在干涉腔中引入元件来实现参考波前与检测波前旋向相反的装置相比较，能够对待测球面获得更高的精度。并且本装置中的旋向相反的两束光虽然是分光路的，但最后均通过衍射针孔衍射出近似标准球面波，因此可以很大程度上减小装调误差带来的影响。

附图说明

图1是大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置示意图。

图2是到达检偏器的所有线偏振光分布情况以及检偏器透光轴方向选择。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种大数值孔径条纹对比度可调的点衍射干涉装置，包括线偏振激光器1、二分之一波片2、第一四分之一波片3、第一分光镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第二四分之一波片7、第三反射镜8、第四反射镜9、第三四分之一波片10、第二分光镜11、准直扩束系统12、显微物镜13、点衍射板14、待测球面15、压电移相器16、准直透镜17、第四四分之一波片18、检偏器19、成像透镜20和探测器21；线偏振激光器1、二分之一波片2、第一四分之一波片3、第一分光镜4和第一反射镜5依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第一光轴；第四反射镜9、第三四分之一波片10、第二分光镜11、准直扩束系统12、显微物镜13和点衍射板14依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第二光轴，第二光轴与第一光轴垂直；第一分光镜4、第二四分之一波片7和第三反射镜8依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第三光轴，第三光轴与第二光轴平行，且与第一光轴垂直；第二反射镜6位于第一反射镜5和第二分光镜11之间，将第一反射镜5的光束反射至第二分光镜11；待测球面15与压电移相器16连接，待测球面15所在光轴为第四光轴，准直透镜17、第四四分之一波片18、检偏器19、成像透镜20和探测器21依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第五光轴，第四光轴和第五光轴关于第二光轴对称。

其中点衍射板14包括玻璃基底141、金属反射膜142和衍射针孔143，金属反射膜142镀于玻璃基底141之上，金属反射膜142中心设有一个衍射针孔143；光束依次经过玻璃基底141和金属反射膜142上的衍射针孔143。

线偏振激光器1出射的光依次经过二分之一波片2和第一四分之一波片3后产生右旋圆偏振光，再经过第一分光镜4分为两束，其中透射光束经过第一反射镜5和第二反射镜6反射到第二分光镜11，再经过第二分光镜11反射进入准直扩束系统12；由第一分光镜4反射的光束先后经过第二四分之一波片7和第三反射镜8后，反射到第四反射镜9，经第四反射镜9反射至第三四分之一波片10后产生左旋圆偏振光，再通过第二分光镜11透射后进入准直扩束系统12；两束光会合后通过准直扩束系统12和显微物镜13会聚到点衍射板14，衍射出含有左旋和右旋两束光的近似标准球面波；每一旋向的球面波前都分为两部分，一部分作为参考波前，另一部分作为检测波前，检测波前经待测球面15反射至点衍射板14，再经点衍射板14反射后与旋向相反的参考波前会合后经过准直透镜17变为平面波，经过第四四分之一波片18后变成偏振方向相互垂直的线偏振光，再通过检偏器19和成像透镜20后于探测器21上得到干涉条纹；通过调整检偏器19的旋转角度可实现条纹对比度的调节。

通过压电移相器16推动待测球面15沿第四光轴移动，根据上述过程，在探测器21上获得多组干涉条纹，根据上述干涉条纹，得到球面信息。

由于从衍射针孔衍射出的近似标准球面波包含左旋和右旋两束圆偏振光，因此测试波前分为两部分：左旋测试波前和右旋测试波前；而参考波前也为两部分：左旋参考波前和右旋参考波前；其中左旋测试波前和右旋测试波前都通过待测球面15反射、点衍射板14反射后到达第四四分之一波片18，而左旋参考波前和右旋参考波前直接到达第四四分之一波片18，因此经过第四四分之一波片18的光束包含四部分：左旋参考波前、左旋测试波前、右旋参考波前、右旋测试波前；经过第四四分之一波片18后四部分圆偏振光均变成线偏振光，因此到达检偏器19的所有线偏振光分布情况如图2所示。由于测试光的光强受待测球面反射率的限制，所以在测量低反射率球面时，测试光的光强较弱，因此无论检偏器19的透光轴方向如何，左旋测试光与左旋参考光之间光强相差太多而无法产生干涉条纹，只能形成背景光，右旋测试光与右旋参考光也是如此；而左旋参考光与右旋参考光均为衍射针孔143衍射出的近似标准球面波，因此波前可认为一样，也形成背景光；左旋测试光与右旋测试光的波前均受到待测球面15以及金属反射膜142的调制，因此也可认为一样，同样形成背景光；因此只有左旋测试光与右旋参考光、右旋测试光与左旋参考光之间能够形成干涉条纹，转动检偏器19使其透光轴方向改变，可以调节测试光与参考光的光强透过率，即可实现干涉条纹对比度的调节，图2所示的检偏器透光轴方向1以及方向2为条纹对比度最好的两种情况。

Claims (3)

1. 一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置，其特征在于：包括线偏振激光器（1）、二分之一波片（2）、第一四分之一波片（3）、第一分光镜（4）、第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第二四分之一波片（7）、第三反射镜（8）、第四反射镜（9）、第三四分之一波片（10）、第二分光镜（11）、准直扩束系统（12）、显微物镜（13）、点衍射板（14）、待测球面（15）、压电移相器（16）、准直透镜（17）、第四四分之一波片（18）、检偏器（19）、成像透镜（20）和探测器（21）；线偏振激光器（1）、二分之一波片（2）、第一四分之一波片（3）、第一分光镜（4）和第一反射镜（5）依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第一光轴；第四反射镜（9）、第三四分之一波片（10）、第二分光镜（11）、准直扩束系统（12）、显微物镜（13）和点衍射板（14）依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第二光轴，第二光轴与第一光轴垂直；第一分光镜（4）、第二四分之一波片（7）和第三反射镜（8）依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第三光轴，第三光轴与第二光轴平行，且与第一光轴垂直；第二反射镜（6）位于第一反射镜（5）和第二分光镜（11）之间，将第一反射镜（5）的光束反射至第二分光镜（11）；待测球面（15）与压电移相器（16）连接，待测球面（15）所在光轴为第四光轴，准直透镜（17）、第四四分之一波片（18）、检偏器（19）、成像透镜（20）和探测器（21）依次共光轴设置，上述部件所在光轴为第五光轴，第四光轴和第五光轴关于第二光轴对称。

2. 根据权利要求1所述的大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置，其特征在于：线偏振激光器（1）出射的光依次经过二分之一波片（2）和第一四分之一波片（3）后产生右旋圆偏振光，再经过第一分光镜（4）分为两束，其中透射光束经过第一反射镜（5）和第二反射镜（6）反射到第二分光镜（11），再经过第二分光镜（11）反射进入准直扩束系统（12）；由第一分光镜（4）反射的光束先后经过第二四分之一波片（7）和第三反射镜（8）后，反射到第四反射镜（9），经第四反射镜（9）反射至第三四分之一波片（10）后产生左旋圆偏振光，再通过第二分光镜（11）透射后进入准直扩束系统（12）；两束光会合后通过准直扩束系统（12）和显微物镜（13）会聚到点衍射板（14），衍射出含有左旋和右旋两束光的近似标准球面波；每一旋向的球面波前都分为两部分，一部分作为参考波前，另一部分作为检测波前，检测波前经待测球面（15）反射至点衍射板（14），再经点衍射板（14）反射后与旋向相反的参考波前会合后经过准直透镜（17）变为平面波，经过第四四分之一波片（18）后变成偏振方向相互垂直的线偏振光，最后通过检偏器（19）和成像透镜（20）后于探测器（21）上得到干涉条纹；通过调整检偏器（19）的旋转角度可实现条纹对比度的调节；压电移相器（16）推动待测球面（15）沿第四光轴移动。

3. 根据权利要求1或2所述的大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置，其特征在于：点衍射板（14）包括玻璃基底（141）、金属反射膜（142）和衍射针孔（143），金属反射膜（142）镀于玻璃基底（141）之上，金属反射膜（142）中心设有一个衍射针孔（143）；光束依次经过玻璃基底（141）和金属反射膜（142）上的衍射针孔（143）。