CN104964649A - 光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法，属于超精密测量技术领域。本发明为了解决现有的同步移相干涉检测技术增加了实验装置的调整难度，干涉条纹解算复杂，并且两光栅的正交程度和偏振片组光轴对准程度会引入新的误差来源的问题。本发明装置主要包括干涉系统、正交光栅分光以及移相装置、光强探测系统；该装置利用二维Ronchi光栅对参考光进行分光，并对其利用不同厚度的四象限移相片实现四束光相差90°的移相，最后利用四象限探测器对干涉光强信号进行采集。本发明方案：根据同步移相干涉原理、光栅衍射分光理论以及光强采集与信号处理原理，通过对干涉光强信号处理，测量出被测面的微位移变化值。本发明用于测量微小的距离变化，也可以用来对微结构器件的台阶等表面形貌参数进行检测。

Description

光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种移相干涉测量装置及方法，具体涉及一种光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法，用于小量程、高精度的位移测量以及微结构器件的台阶高度等几何量的测量，属于超精密测量技术领域。

背景技术

移相干涉测量技术是一种高精度、非接触的测量方法，是光学检测、几何量测量领域中测量微台阶、表面形貌、微小位移的重要技术手段之一。其基本思想是由J.H.Bruning于1974年提出，其将同步相位探测技术引入到光学干涉测量技术当中，利用CCD采集具有不同移相量的干涉图像，该技术的不足在于其运用压电陶瓷实现移相功能，没有办法做到同时采集不同移相量的干涉图像。此后，在J.H.Bruning提出的移相干涉原理的基础上衍生出了三通道、四通道同步移相干涉原理等方法与装置。

多通道同步移相测量可以实现同时采集多幅干涉图像，从而抑制外界环境等因素对测量精度带来的影响，达到抗干扰和提高测量精度的目的。2008年左芬等提出一种二维光栅分光和偏振阵列移相的同步移相干涉测量抗震技术(左芬,陈磊,徐春生.基于二维光栅分光的同步移相干涉测量技术.光学学报,2007,27(4):663-667)，该技术运用光栅分光，一次性分出移相所需的四束光；运用四象限偏振片实现移相，保证用一个CCD即可采集四幅干涉图，保证了同步性。但是实验所用的光栅的利用率较低，0级聚集光能较大，干涉图的对比度较低；另外需要对干涉图像进行条纹解算，影响测量精度，此外，四象限偏振片组制作时光轴对准困难，容易引入移相误差。为了提高能量利用率，哈尔滨工程大学单明广等提出了一种利用正交的两个一维光栅实现同步移相干涉检测的方法和装置(专利公布号CN102914256A，发明创造名称为基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置及检测方法)，该方法将双光栅分光技术与偏振调制技术相结合，解决了光能利用率低的问题，但是增加了实验装置的调整难度，仍需进行条纹解算，并且两光栅的正交程度会引入新的误差来源。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法，以至少解决现有的同步移相干涉检测技术增加了实验装置的调整难度，需要进行条纹解算，并且两光栅的正交程度会引入新的误差来源的问题。本发明的具有测量速度快、抗干扰能力强、分辨力高和集成度高的特点。将光栅分光与移相装置放置在参考面前，保证经过分光与移相回来的四路光再次经过PBS之后为平行光，消除了非平行光对测量的影响；采用本发明所设计的四象限移相器可有效减小测量中的移相误差；采用四象限光强探测器探测干涉光强，排除了干涉图像对比度低、以及条纹解算复杂等对测量的影响。该装置即可以用来测量微小的距离变化，也可以用来对物体表面形貌进行检测。

本发明的光栅分光式同步移相干涉测量装置，包括激光器、检偏器、准直扩束镜、1/2波片、偏振分光棱镜、参考反射镜、第一透镜、第一二维Ronchi光栅、四象限移相器、第一1/4波片、待测物、第二透镜、第二二维Ronchi光栅、第二1/4波片、第三1/4波片、收集透镜、四象限探测器和计算机；

其中激光器、检偏器、准直扩束镜和1/2波片组成光源部分；偏振分光棱镜、第一1/4波片、四象限移相器、第一二维Ronchi光栅、第一透镜和参考反射镜组成参考光部分；第二1/4波片、第二二维Ronchi光栅、第二透镜与待测物组成测量光部分；光源部分、参考光部分与测量光部分一起构成泰曼格林干涉装置；

光学路径：激光器发射的光束经检偏器后依次通过准直扩束镜、1/2波片和偏振分光棱镜5，经偏振分光棱镜分成物光和参考光；测量光依次经过第二1/4波片、第二二维Ronchi光栅、第二透镜和待测物后，依次射向第二透镜、第二二维Ronchi光栅、第二1/4波片和偏振分光棱镜；参考光依次经过第一1/4波片、第一二维Ronchi光栅、第一透镜和参考反射镜后，依次射向参考反射镜、第一透镜、第一二维Ronchi光栅、四象限移相器、第一1/4波片和偏振分光棱镜，再次合并的参考光与测量光通过第三1/4波片、收集透镜、四象限光强探测器组成的光强采集部分，采集的干涉光强信号输入计算机。

进一步地：所述第一二维Ronchi光栅和第二二维Ronchi光栅作为分光元件，其偶数级次衍射光为0；四象限移相器为2×2阵列，逆时针相位分别为0°、90°、180°、270°。

进一步地：所述四象限移相器是在同一块石英玻璃上利用光刻技术制作形成。在现有技术中，采用的四象限移相器是将四个偏振片粘接在一起，四个偏振片光轴方向相差45°，由于制作工艺限制，各偏振片之间的光轴方向存在偏差，此外由于不是一次成型，使用时间长时，胶接的位置会发生老化变形。本发明中采用的四象限移相器，是在同一块石英玻璃上，利用光刻技术完成制作，按现有工艺水平厚度误差可控制在10nm范围内，加工精度高。因此本发明采用的移相器制作方法可有效减小移相误差，从而提高系统的测量精度。

进一步地：所述激光器为He-Ne单频偏振激光器。

以参考光路为例，光源的平行光经PBS分光后，经四象限移相器的中间小孔后，由第一二维Ronchi光栅分光，分成(±1，±1)四束倾斜平行光，再经第一透镜聚光后照射到透镜焦面附近参考反射镜上，经参考反射镜反射后，再次经过第一透镜和第一二维Ronchi光栅，每束光再经光栅分束后，对应只有一路光是平行于透镜光轴的，其它光均是向外的倾斜平行光，受四象限移相器孔径限制均被挡在光路之外。由此四路测量光束与携带不同相位的参考光束经PBS和第三1/4波片后，发生干涉。

该结构利用二维光栅进行两次分光，将倾斜平行光调整为平行于光路光轴的平行光，使光路易于集成。

本发明的光栅分光式同步移相干涉测量方法，其具体步骤为：激光器发出的光经过光源部分后变成偏振方向与光轴成45°的线偏振光，随后经过偏振分光棱镜分成偏振方向相互垂直、光强相等的参考光与测量光；参考光经过第一1/4波片变成左旋圆偏振光，通过第一二维Ronchi光栅和第一透镜分光形成四路等光强的子光束，为同步移相获取四路特性完全一致的子光束组，经由参考反射镜6垂直反射再次经过第一透镜和第一二维Ronchi光栅，根据衍射方程只有对称的四束子光平行出射，平行出射的四束参考光经过四象限移相器，实现四束参考光的相位依次为0°、90°、180°、270°，再经过第一1/4波片和偏振分光棱镜；测量光通过第二1/4波片变成右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经历第二二维Ronchi光栅与第二透镜选取与参考光对应的四束测量光，再由待测物反射回来，携带有被测面信息的对应的四束测量光再次经过第二透镜和第二二维Ronchi光栅后也变成平行光，第二次经过第二1/4波片和偏振分光棱镜与参考光汇合；汇合后的参考光与测量光即发生干涉，四路干涉信号含有不同的光强信息，经过收集透镜，最后由四象限探测器探测四束移相后的干涉光强值并输入计算机。

进一步地：由公式一

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-θ_i)]     i＝1,2,3,4     公式一

分别计算得到四路移相干涉光强关系式，式中，a、b分别为参考光与测量光幅值，(a²+b²)表示背景光强，φ为含有测量表面位移信息的相位值，θ_i为四象限移相器厚度引入的不同的相位值。

进一步地：利用四象限探测器瞬时采集四路子光束组的干涉光强值，利用计算机处理以及移相算法对干涉信息进行处理；

由公式二

$\mathrm{\Δ}s=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}arctan\[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\]$      公式二

可以得到测量面的相对位移值△s，式中，λ为入射光波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值。

在现有技术中，测量光路与参考光路中平行光束直接照射到反射镜上，根据泰曼干涉原理，当两个反射镜相互平行时不会产生干涉条纹，光程差只引起光强的变化，但实际测量时很难保证测量镜与参考镜平行，将产生干涉条纹，使用中需要采用干涉条纹解算方法后才能利用公式二获得相对位移值。

本发明在物空间加入第一透镜和第二透镜，透镜将平行光束聚焦到反射镜上，属于点照明，在探测器上形成的干涉光斑不存在干涉条纹，当被测面移动时，干涉光斑只存在光强变化，可直接利用公式二获得相对位移值，从而大大提高了系统的测量速度。

本发明所达到的效果为：

1、本发明利用共光路同步干涉测量方法，参考光与测量光通过相同结构的光栅与透镜，实现等光强分光，并且经过参考镜和被测面反射后再次经过光栅，可以使四束等光强的子光束依旧为平行光，实现对应区域的参考光与测量光干涉。该方法保证了参考光与测量光都是平行于光路主光轴的平行光，使系统易于集成、结构简单，其同步干涉可以实现快速高精度测量。

2、本发明采用不同厚度的石英玻璃材料作为移相器，其产生的相移仅仅来自厚度引起的光程差，不需要考虑偏振方向和偏振材料光轴偏转角对测量的影响，消除了光轴对准拼接问题。该结构不仅易于加工，同时可以减小移相误差对测量结果造成的影响，从而提高测量精度。

3、本发明在物空间利用透镜的聚焦光斑探测，通过四象限光强探测器探测干涉光强值，无需干涉条纹解算，解决了以往所用CCD采集干涉图像，受不同干涉图像对比度不同以及干涉条纹不均匀等因素的影响。

附图说明

图1为光栅分光式同步移相干涉测量装置的结构示意图；

图2为四象限移相器示意图；

图3为二维Ronchi光栅俯视示意图；

图中件号说明：1-激光器、2-检偏器、3-准直扩束镜、4-1/2波片、5-偏振分光棱镜、6-参考反射镜、7-第一透镜、8-第一二维Ronchi光栅、9-四象限移相器、10-第一1/4波片、11-待测物、12-第二透镜、13-第二二维Ronchi光栅、14-第二1/4波片、15-第三1/4波片、16-收集透镜、17-四象限探测器、18-计算机。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如附图所示本发明的实施例提供了一种光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法，利用这种基于光栅分光的同步移相干涉测量装置即可实现对位移、表面形貌等几何量的高精度测量。

光栅分光式同步移相干涉测量装置，包括激光器1、检偏器2、准直扩束镜3、1/2波片4、偏振分光棱镜5、参考反射镜6、第一透镜7、第一二维Ronchi光栅8、四象限移相器9、第一1/4波片10、待测物11、第二透镜12、第二二维Ronchi光栅13、第二1/4波片14、第三1/4波片15、收集透镜16、四象限探测器17和计算机18；

其中激光器1、检偏器2、准直扩束镜3和1/2波片4组成光源部分；偏振分光棱镜5、第一1/4波片10、四象限移相器9、第一二维Ronchi光栅8、第一透镜7和参考反射镜6组成参考光部分；第二1/4波片14、第二二维Ronchi光栅13、第二透镜12与待测物11组成测量光部分；光源部分、参考光部分与测量光部分一起构成泰曼格林干涉装置；

光学路径：激光器1发射的光束经检偏器2后依次通过准直扩束镜3、1/2波片4和偏振分光棱镜5，经偏振分光棱镜5分成物光和参考光；测量光依次经过第二1/4波片14、第二二维Ronchi光栅13、第二透镜12和待测物11后，依次射向第二透镜12、第二二维Ronchi光栅13、第二1/4波片14和偏振分光棱镜5；参考光依次经过第一1/4波片10、第一二维Ronchi光栅8、第一透镜7和参考反射镜6后，依次射向参考反射镜6、第一透镜7、第一二维Ronchi光栅8、四象限移相器9、第一1/4波片10和偏振分光棱镜5，再次合并的参考光与测量光通过第三1/4波片15、收集透镜16、四象限光强探测器17组成的光强采集部分，采集的干涉光强信号输入计算机18。

另外，根据一种实现方式，所述第一二维Ronchi光栅8和第二二维Ronchi光栅13作为分光元件，其偶数级次衍射光为0；四象限移相器9为2×2阵列，逆时针相位分别为0°、90°、180°、270°。

另外，根据一种实现方式，所述激光器为He-Ne单频激光器。

该装置运用两次通过光栅结构来获取平行光；分光部分采用正交Ronchi光栅，利用光栅的衍射特性，获取等光强的四路光；移相部分采用四象限移相器，利用相位与光程之间的关系，实现四路光分别相差90°的相移量。

光栅分光式同步移相干涉测量方法，其具体实现过程是：首先激光器1、检偏器2与准直扩束镜3的光源部分产生均匀光斑的线偏振光，线偏振光经过1/2波片4转换为与原来的振动方向相差45°的线偏振光，并由偏振分光棱镜5分成偏振方向相互垂直的等光强的两束光。其次第一束光经过第一1/4波片10、第一二维Ronchi光栅8和第一透镜7分成光强相等、衍射方向对称的四束参考光，由平面反射镜6反射，此时的四束子光是含有不同入射角的，再次回射到第一二维Ronchi光栅8时，根据衍射方程只有对称的四束子光平行出射，出射的四束子平行光通过四象限移相器9，使得每束光之间的相移量相差90°，发生移相调制的参考光依次经过第一1/4波片10和偏振分光棱镜5；第二束测量光经过第二1/4波片14、第二二维Ronchi光栅13和第二透镜12分成光强相等、衍射方向对称的四束与参考光光强相等的四束测量光，通过测量面11反射回来之后变成与参考光对应携带被测信息的四束测量光，然后再经过偏振分光棱镜5和第三1/4波片15，使参考光与测量光发生干涉；发生干涉的光强信息经过收集透镜16和四象限光强探测器17探测其光强值，最后根据相应电路结构，反馈到计算机18上，经其解算即可还原其几何量。

根据同步移相干涉原理，利用相同结构二维Ronchi光栅对参考光与测量光进行等光强分光，利用四象限移相器同步实现对应区域干涉信号的不同相移；

由以下公式：

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-θ_i)]  i＝1,2,3,4

$\mathrm{\Δ}s(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}arctan\[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\]$

测得待测物表面的相对位移变化。(a²+b²)表示背景光强，φ表示测量面引入的相位值，θ_i表示四象限移相器每个象限引入的相位值，λ表示激光器发出的光源波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值。

在这个测量装置中，参考光经过由光栅分光组与偏振移相组构成的共光路结构，并且参考光与测量光利用相同结构的光栅与透镜实现分光，让整个装置更小型化，同时避免了环境干扰对实验测量造成的影响。

通过以上描述可知，此实施实例满足小型化、高分辨力测量；同时避免了偏振移相误差、光路平行度以及干涉条纹对比度对测量的影响，能够避免环境振动的影响，测量精度高。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (6)

1.光栅分光式同步移相干涉测量装置，其特征在于：包括激光器(1)、检偏器(2)、准直扩束镜(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)、参考反射镜(6)、第一透镜(7)、第一二维Ronchi光栅(8)、四象限移相器(9)、第一1/4波片(10)、待测物(11)、第二透镜(12)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二1/4波片(14)、第三1/4波片(15)、收集透镜(16)、四象限探测器(17)和计算机(18)；

其中激光器(1)、检偏器(2)、准直扩束镜(3)和1/2波片(4)组成光源部分；偏振分光棱镜(5)、第一1/4波片(10)、四象限移相器(9)、第一二维Ronchi光栅(8)、第一透镜(7)和参考反射镜(6)组成参考光部分；第二1/4波片(14)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二透镜(12)与待测物(11)组成测量光部分；光源部分、参考光部分与测量光部分一起构成泰曼格林干涉装置；

光学路径：激光器(1)发射的光束经检偏器(2)后依次通过准直扩束镜(3)、1/2波片(4)和偏振分光棱镜(5)，经偏振分光棱镜(5)分成物光和参考光；测量光依次经过第二1/4波片(14)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二透镜(12)和待测物(11)后，依次射向第二透镜(12)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二1/4波片(14)和偏振分光棱镜(5)；参考光依次经过第一1/4波片(10)、第一二维Ronchi光栅(8)、第一透镜(7)和参考反射镜(6)后，依次射向参考反射镜(6)、第一透镜(7)、第一二维Ronchi光栅(8)、四象限移相器(9)、第一1/4波片(10)和偏振分光棱镜(5)，再次合并的参考光与测量光通过第三1/4波片(15)、收集透镜(16)、四象限光强探测器(17)组成的光强采集部分，采集的干涉光强信号输入计算机(18)。

2.根据权利要求1所述的光栅分光式同步移相干涉测量装置，其特征在于：所述第一二维Ronchi光栅(8)和第二二维Ronchi光栅(13)作为分光元件，其偶数级次衍射光为0；四象限移相器(9)为2×2阵列，逆时针相位分别为0°、90°、180°、270°。

3.根据权利要求2所述的光栅分光式同步移相干涉测量装置，其特征在于：所述四象限移相器(9)是在同一块石英玻璃上利用光刻技术制作形成。

4.光栅分光式同步移相干涉测量方法，其特征在于：具体步骤为：激光器(1)发出的光经过光源部分后变成偏振方向与光轴成45°的线偏振光，随后经过偏振分光棱镜(5)分成偏振方向相互垂直、光强相等的参考光与测量光；参考光经过第一1/4波片(10)变成左旋圆偏振光，通过第一二维Ronchi光栅(8)和第一透镜(7)分光形成四路等光强的子光束，为同步移相获取四路特性完全一致的子光束组，经由参考反射镜(6)垂直反射再次经过第一透镜(7)和第一二维Ronchi光栅(8)，根据衍射方程只有对称的四束子光平行出射，平行出射的四束参考光经过四象限移相器(9)，实现四束参考光的相位依次为0°、90°、180°、270°，再经过第一1/4波片(10)和偏振分光棱镜(5)；测量光通过第二1/4波片(14)变成右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经历第二二维Ronchi光栅(13)与第二透镜(12)选取与参考光对应的四束测量光，再由待测物(11)反射回来，携带有被测面信息的对应的四束测量光再次经过第二透镜(12)和第二二维Ronchi光栅(13)后也变成平行光，第二次经过第二1/4波片(14)和偏振分光棱镜(5)与参考光汇合；汇合后的参考光与测量光即发生干涉，四路干涉信号含有不同的光强信息，经过收集透镜(16)，最后由四象限探测器(17)探测四束移相后的干涉光强值并输入计算机(18)。

5.根据权利要求4所述的光栅分光式同步移相干涉测量方法，其特征在于：

由公式一

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-θ_i)]  i＝1,2,3,4        公式一

分别计算得到四路移相干涉光强关系式，式中，a、b分别为参考光与测量光幅值，(a²+b²)表示背景光强，φ为含有测量表面位移信息的相位值，θ_i为四象限移相器厚度引入的不同的相位值。

6.根据权利要求5所述的光栅分光式同步移相干涉测量方法，其特征在于：

利用四象限探测器瞬时采集四路子光束组的干涉光强值，利用计算机(18)处理以及移相算法对干涉信息进行处理；

由公式二

$\mathrm{\Δ}s=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}arctan\[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\]$         公式二

得到测量面的相对位移值△s，式中，λ为入射光波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值。