CN105865339A - 分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，属于超精密测量领域。该装置解决了基于PBS分光的移相干涉共焦系统中存在的抗干扰能力差，系统结构复杂、集成度低的问题。本发明装置主要包括四路移相干涉光路和分瞳式共焦差分探测光路；该装置利用二维Ronchi光栅分出的四束光，经偏振移相阵列后，转变成相位差依次为90°的线偏振光；1、3象限两束光通过分瞳式位相滤波器实现正移焦，2、4象限两束光通过分瞳式位相滤波器实现负移焦；最后利用CCD相机构成的软针孔阵列同时采集四路干涉、共焦信号。本发明将移相干涉与共焦差分探测集成在同一光路，可在较大测量范围内实现微位移测量。

Description

分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种分瞳式移相干涉差分共焦微位移测量装置，属于超精密测量领域，主要涉及较大工作距离、高分辨力的微小结构与几何形貌等测量应用。

背景技术

暨1957年M.Minsky提出共焦测量技术，通过引入针孔探测器抑制杂散光，实现了高分辨力三维扫描之后，不同的共焦显微测量技术和装置不断涌现，已经广泛应用于微光学、微机械、表面科学、生物医学等多个领域，具有宽广的应用前景。

为了克服环境振动、实现高精度绝对位置测量，将移相干涉技术与差动共焦技术相结合，将位移变化转换成位相变化，并利用共焦显微技术的零点特性实现微位移和微结构表面形貌测量。专利：基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置(专利公开号:CN101275822A)，提出一种移相干涉二次共焦测量技术，利用共焦点探测和移相干涉技术，获得正、负离焦状态下的相位信息，根据相位解算得到实际位移测量结果。但是该项技术利用物理针孔探测，在实际装调过程中存在很多困难，影响最终测量结果，引入测量误差。专利：移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法(专利公开号:CN101520304A)，提出软针孔共焦探测技术，利用显微物镜和CCD相机的组合来代替移相干涉二次共焦测量技术中探测针孔与点探测器装置，调整显微物镜和CCD相机使其实现物理针孔探测作用，降低了装调误差，提高点探测精度。但在该方法中，由于采用四步时间移相干涉，其测量的实时性和抗干扰能力明显降低；测量时需要移动显微物镜和CCD相机来完成离焦探测，其测量系统结构复杂。针对上述问题，本发明提出一种利用二维Ronchi光栅分光的空间移相干涉和分瞳式位相光瞳滤波器相结合的移相干涉共焦显微技术，提高了信号采集的同步性和抗共模干扰能力，并且不需要移动显微物镜与CCD相机即可同时实现对正、负离焦的四步移相干涉共焦信号进行采集。该技术可应用于微位移、绝对位置测量和三维表面形貌测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，该装置具有测量工作距离大、抗干扰能力强、分辨力高和集成度高的特点。本发明利用光栅分光与偏振移相阵列结构相结合，同时产生四路不同移相量的干涉光，利用分瞳式位相光瞳滤波器改变探测物镜的聚焦特性，使各光路分别实现正、负移焦，利用CCD相机构成软针孔阵列探测装置。

为达到上述目的，本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，包括光源、检偏器、扩束镜和1/2波片组成光源系统，产生偏转角为45°的线偏振光；经偏振分光棱镜PBS，其中一束透过的P光，经第一1/4波片、测量物镜、待测物组成测量臂，获取被测位移信息，由于两次经过第一1/4波片，P光变为S光，再次经PBS反射；另一束经偏振分光棱镜反射的S光、经第二1/4波片、参考反射镜组成参考臂，获取参考位移信息，同理S光变为P光，再次经PBS透射。两束光在PBS上重合，经过第三1/4波片后发生干涉，将被测位移信息转变成相位。干涉光经光栅分光与光阑阵列选出完全相同的(±1,±1)衍射光，这四束光分别经过偏振移相阵列的不同象限，使得四束干涉光的相位差分别为0°、90°、180°、270°。

本发明进一步的改进在于，还包括四象限位相光瞳滤波器，相位差为0°和180°的两束光分别通过能产生正移焦的分瞳式位相光瞳滤波器的光瞳区域，另外的两束光分别通过能产生负移焦的分瞳式位相光瞳滤波器的光瞳区域。

本发明进一步的改进在于，还包括四路干涉平行光由同一收集物镜聚焦，并利用放大镜头将收集物镜焦面的聚焦光斑成像在CCD上，通过2×2软针孔阵列探测技术对移焦后的四束光强进行采集。

本发明进一步的改进在于，还包括利用测量物镜、收集物镜、和CCD构成的四路移相干涉共焦显微成像光路。

一种分光瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，其测量方法如下：

由上述光路得到四路光强信息分别为I_A、I_B、I_C、I_D，利用下面公式(1)和(2)对四路采集光强信号进行处理，

$I_{diff}\left(u\right)=\[I_B\left(u\right)+I_D\left(u\right)\]-\[I_A\left(u\right)+I_C\left(u\right)\]=2T^2\[{\mathrm{sinc}}^2\left(\frac{2u+u_D}{4\mathrm{\π}}\right)-{\mathrm{sinc}}^2\left(\frac{2u-u_D}{4\mathrm{\π}}\right)\]---\left(1\right)$

其中，A、B、C、D分别代表移相0°、90°、180°、270°，u_D为位相光瞳滤波器引入的移焦量，T为光强振幅系数，K为相位离焦量系数，为被测物离焦量u转换成的相位信息。首先利用差分曲线I_diff的零点特性选取干涉光强I_phase变化的主周期，然后在I_phase主周期里实现高精度测量，还原被测物的微位移变化值。

本发明具有以下显著特点和有益效果：

1、利用二维光栅、四象限偏振移相阵、分瞳式位相滤波器与软针孔阵列相结合，将四步移相干涉技术与共焦显微技术紧密结合在一起，可实现高精度绝对位置测量，同时使系统集成度显著提高；

2、利用分瞳式位相光瞳滤波器可使不同象限的信号光在同一收集透镜下，同时分别发生正、负离焦，实现了各光路共面探测；此外，由于差动共焦系统中，针孔离焦距离不正确将严重影响系统分辨力和测量范围，本发明利用分瞳式位相滤波器，使得探测针孔位置能很容易处于最优位置；

3、利用软针孔阵列代替传统的物理针孔，解决了共焦系统针孔位置调整困难的问题。

附图说明

附图1为分瞳式移相干涉差分共焦测量装置示意图。

图中件号说明：1-激光器、2-检偏器、3-扩束镜、4-1/2波片、5-偏振分光棱镜、6-第一1/4波片、7-测量物镜、8-待测物、9-第二1/4波片、10-参考反射镜、11-第三1/4波片、12-二维Ronchi光栅、13-光阑阵列、14-偏振移相阵列、15-分瞳式四象限位相光瞳滤波器、16-收集物镜、17-CCD。

附图2为二维Ronchi光栅分光系统结构示意图

附图3为偏振移相阵列示意图

附图4为分瞳式四象限位相光瞳滤波器示意图

附图5为分瞳式同步移相干涉差分共焦特性曲线图，其中(a)为移相干涉共焦系统中共焦轴向响应特性曲线图，(b)为移相干涉与差分共焦系统轴向响应特性曲线图

具体实施方式

下面结合附图对本发明整体实施实例作详细说明。

如图1，激光光源1发出的光经过检偏器2，使P光通过，P光由准直扩束镜3扩束，经过快轴与光轴夹角为22.5°的1/2波片4改变其偏转角成45°，经PBS5透过的P光，经过第一1/4波片6、测量物镜7，由待测物8反射经过测量物镜7和第一1/4波片6转变成S光，经PBS5反射；另一束经PBS5反射的与P光等光强的S光，经过第二1/4波片9，由参考反射镜10反射再次经过第二1/4波片9转变成P光，经PBS5透过与反射的测量光重合，经过第三1/4波片11发生干涉，将被测位移信息转变成相位。干涉光经二维Ronchi光栅12分光与光阑阵列13选出完全相同的(±1,±1)衍射光(如附图2所示为光栅与光阑阵列结构图)，这四束光分别经过偏振移相阵列14(如附图3所示为偏振移相阵列)的不同象限，使得四束光的相位差分别为0°、90°、180°、270°。

相位差为0°和180°的两束光(A和C)，分别通过能使其发生正移焦的分瞳式位相光瞳滤波器15的光瞳区域；另外的两束光(B和D)分别通过能使其发生负移焦的分瞳式位相光瞳滤波器15的光瞳区域。通过显微物镜16和CCD相机17组成的软针孔探测装置对移焦后的四束光进行采集。

本具体实施例中采用的分瞳式位相滤波器15的具体结构如图4所示，四个象限的光瞳函数为：

式中以子光瞳圆心为坐标原点建立的函数,a表示振幅透过率系数，m为分瞳式位相滤波器对应的光瞳，表示为相位透过率,r表示子光瞳各个环的半径。

将探测到的四路光强I_A、I_B、I_C、I_D利用式(1)进行计算，作为差分共焦系统输出量I_diff，如附图5(a)所示，利用差分共焦I_diff的特性曲线获得被测面的位置的粗测量；利用式(2)进行计算，获得移相干涉系统的输出量I_phase，如附图5(b)所示；利用被测面位置的粗测量的结果选取I_phase测量的主周期，实现被测面位置的高精度测量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制本发明的范围。

本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，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)、第一1/4波片(6)、第一测量物镜(7)、被测物(8)、第二1/4波片(9)、参考反射镜(10)、第三1/4波片(11)、二维Ronchi光栅(12)、分光光阑(13)、偏振移相阵列(14)、分瞳式位相光瞳滤波器(15)、收集物镜(16)、CCD相机(17)；

其中激光器(1)、检偏器(2)、准直扩束镜(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)、第一1/4波片(6)、被测物(8)、第二1/4波片(9)、参考反射镜(10)、第三1/4波片(11)组成泰曼格林干涉系统；二维Ronchi光栅(12)、分光光阑(13)与偏振移相阵列(14)组成四路分光移相偏振结构；激光器(1)、第一测量物镜(7)、被测物(8)与分瞳式位相光瞳滤波器(15)、收集物镜(16)、CCD相机(17)组成差分共焦探测装置。

2.根据权利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，其特征在于：测量物镜(7)将入射平行光聚焦成点，照射到被测物表面上。

3.根据权利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，其特征在于：二维Ronchi光栅(12)作为分光元件，其偶数级次衍射光光强为0，(±1,±1)级次衍射光最强；所述的偏振移相阵列(14)为2×2阵列，透光轴依次为0°、45°、90°、135°，利用此阵列可以实现干涉光移相依次为0°，90°，180°，270°。

4.根据权利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，其特征在于：分光瞳式位相光瞳滤波器(15)，其结构中包括4个关于中心对称的子光瞳区，每个子光瞳滤波器为圆对称，二环或多环结构。其中1、3象限子光瞳可实现正向移焦，2，4象限子光瞳可实现负向移焦。

5.根据权利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置，其特征在于：CCD(17)作为光强测量装置，利用图像处理技术构建4个软针孔，以替代共焦系统的硬针孔，在同一CCD相机上对四束光斑同时采集处理。