CN1075630C - 具有一个微反射镜的干涉仪及其中的滤光方法 - Google Patents
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Abstract
一种干涉仪，包括：将光源分为测试与参考光束的分束器，探测干涉图样的图象装置，测试光束反射镜，参考光束微反射镜，参考光束聚焦装置，和对光探测器。微反射镜的横向尺寸小于参考光束中心波瓣的横向尺寸，空间滤光器用以减少象差，包括置于透明基体上的反射器，反射器横向尺寸小于会聚其上的光束空间强度分布中心波瓣的横向尺寸。还提供一种在该测试系统中的滤光方法。可消除象差影响，并且在对光操作中不必改变干燥仪的配置。
Description
本发明涉及光束测试系统，特别是涉及一种用于测试某一光束波阵面性质的具有一个微反射镜的干涉仪，以及在该系统中的滤光方法。
许多现有系统可以用来从被测光源光束中分离出一束参考光束。在诸如干涉度量等应用中这种参考光束很有用。一些系统通过针孔，即一个很小的开口，从被测光源发出的光束中产生参考光束。从初始光源光束中产生的参考光束与初始光源光束具有相同的波长和固定的相位关系。通常，由针孔提供的参考光束相对地避免了源光束中的象差效果。众所周知，当置于象差光束光路上的针孔足够小时，可以产生相对纯净的光束，因为此时由于象差所产生的能量大部分不能通过。
一些现有的干涉仪系统已采用光束扩张器来消除参考光束中的象差。“A Phase Measuring Radial shear Interferometerfor Measuring the Wavefronts of Compact Disc LaserPickups”B.E.Truax,Procedings of SPIE--The InternationalSociety for Optical Engineering,Vol,661(1986),74(“Truax”)中描述了一种现有干涉仪系统。该系统中干涉仪位于激光束光源的输出端。分束器将源光束分离成测试光束和参考光束。一个小孔与光束扩张器一起用来消除准备作参考用的光束中的象差。
这些小孔/光束扩张器系统通常接收准直光束输入并输出准直光束。在这些系统中，小孔将经过它的光束的象差能量过滤掉，这些象差能量离光束中心越远就成比例地越大。所得到的变窄的过滤后光束随后被扩张以恢复到源光束的宽度。
如所述，这些系统通常接收一束准直的光束输入。由于光束是准直的，因此不象聚焦光束那样能量集中于中心。在10％小孔-10X光束扩张器系统中，小孔直径是光束的十分之一。这样，小孔的面积约为源光束截面积的百分之一。当这种10％小孔系统应用于准直光束的典型情况时，光束的绝大部分能量不能通过光圈。这种大的能量损失给该系统能够测量的光源功率设定了下限。
在Truax所描述的系统中，从光束扩张器返回的测试光束和参考光束在分束器处合并，并且通过一系列透镜组和反光镜，在摄象机摄象管处形成干涉图样。对干涉图样分析后得到的数据反映了源光束对产生理想波阵面光束的偏差。
Truax所描述系统的缺点是为了对系统各元件和光源的对光和安置进行检查和调整，干涉仪必须重新安排成与测试状态不同的配置。例如，在Truax所述系统中，需要滑入一个反射镜以挡住在测试时沿法向照射到摄象机的光束。来自光源的光束聚焦至针孔所处面的中心。一部分会聚光束被该面反射并由准直的透镜组引导至滑动反光镜反射到摄象机。
在测试过程中，用一个发光二极管从反方向照射针孔，然后对系统各元件进行调整和对光，这样针孔的后照明像便覆盖了由被测源产生的会聚点像。当对光完成后，滑动反光镜滑出光路，干涉仪重新形成测试配置。
在对光操作时改变测试配置具有增加系统复杂性以及在将系统配置成测试状态时不能进行对光的缺点。
本发明的一个目的是提供一种滤光器，可以在提供用于对光观测目的的第二光束的同时提供相对消除了象差的第一光束。
本发明的另一个目的是提供一种具有微反射镜的干涉仪，用于产生相对消除了源光束中象差的参考光束。
本发明的另一个目的是提供一种干涉仪，在对光操作过程中该干涉仪的配置不需改变。
为达到上述目的，本发明提供一种干涉仪，包括：用来将具有象差分量的源光束分成测试光束和参考光束的分束器；用来探测干涉图样的图象装置；置于所述测试光束光路上的，用来向所述图象装置反射所述测试光束的反射镜；置于所述参考光路上的，用来向所述图象装置反射所述参考光束的预定中心部分的微反射镜，所述微反射镜让所述参考光束中发生象差的外面部分由此通过；置于所述参考光路上的，在所述分束器和所述微反射镜之间的，用来将所述参考光束会聚于所述微反射镜上的聚焦装置，所述微反射镜的横向尺寸不太于由所述聚焦装置聚焦其上的所述参考光束的中心波瓣的大致横向尺寸，从而当所述测试光束被所述反射镜反射且所述参考光束的所述中心部分被所述微反射镜反射时，所述反射的测试光束和所述反射的部分参考光束一起入射到所述图象装置上，在其上形成表示所述象差分量的可测量的干涉图样；和置于所述微反射镜附近，用来探测所述反射光束的外面部分，以优化所述象差分量的图象的对光探测器。
本发明还提供一种用来减少具有象差分量的光束中的的象差影响的空间滤光器组件，所述滤光器组件包括：置于透明基体之上的反射器，所述反射器的横向尺寸与会聚于所述反射器上的所述光束的空间强度分布中心波瓣的横向尺寸的预定部分相等，以产生由所述光束的预定中心部分组成的基本上无象差的反射光束，所述光束的发生象差的外面部分由此透过所述反射器；和置于所述反射器附近的，用来探测所述参考光束的发生象差的外面部分以优化象差分量的图象的对光探测器。
本发明还提供一种在波阵面测量系统中进行滤光的方法，所述方法包括如下步骤：会聚包括象差分量的光束；将光的会聚光束分成测试光束和参考光束；反射所述参考光束的中心部分，所述中心部分的横向尺寸不大于当所述参考光束会聚时的空间强度分布的中心波瓣的大致横向尺寸；透过所述参考光束的外面部分，所述外面部分包括所述象差分量；比较所述测试光束和所述参考光束的反射部分，以识别所述象差分量；和探测所述参考光束的所述外面部分，以相对于其调整所述微反射镜的位置。
上述用于产生相对消除了源光束中象差的参考光束的具有微反射镜的干涉仪可以满足这些及其他目的。干涉仪用于产生和探测一个干涉图样并输出给干涉图样分析器。本发明所述干涉仪从被测光源接收源光束输入。所述干涉仪提供一个分束器，用来将源光束分离成测试光束和参考光束。所述干涉仪在测试光路上放置一个反射镜，用于向分束器反射测试光束。该反射镜可以相对于测试光束作纵向移动，用于根据参考光束位相对测试光束位相进行改变。
一个放置于参考光束光路上的微反光镜向分束器反射一部分参考光束。在参考光路分束器与微反射镜之间的聚焦装置，例如一组透镜，用于将参考光束会聚到微反射镜上。该微反射镜具有一个其横向尺寸不超过由聚焦装置会聚的参考光束空间强度分布的中心波瓣横向尺寸的反射器。微反射镜的最佳横向尺寸约为会聚参考光束空间强度分布中心波瓣横向尺寸的三分之一。该干涉仪最好包含一个位于微反射镜之后的对光探测器。
本发明所述的反射区小于会聚参考光束中心波瓣的微反射镜也用作空间滤光器，用于降低光束的象差影响。
滤光器包括一个横向尺寸不超过会聚在其上的光束中心波瓣横向尺寸的反射器。反射器的横向尺寸最好不超过会聚光束中心波瓣横向尺寸的三分之一。
在本发明的滤光方法中，光束会聚在反射-透射平面。光束的中心部分被反射而中心以外部分的光束被透射。中心反射部分的尺寸不超过会聚光束空间强度分布中心波瓣的大致横向尺寸。
反射部分的尺寸最好为光束空间强度分布中心波瓣横向尺寸的三分之一，本领域的技术人员能够理解，反射光束的精确度和强度受所选择反射部分尺寸的影响。选择较小的反射部分将得到较好的精确度，也就是得到象差小的参考光束，而选择较大的反射部分将获得较高强度的参考光束。
该微反射镜的功能是作为并提供一个空间滤光器，该滤光器提供用于与未经滤光的入射测试光束发生干涉的称作参考光束的反射束部分，同时提供准备被对光观测系统接收的透射光束部分。
本发明所述的滤光方法允许对光观测系统接收一部分过滤光束。所述方法允许在不改变波阵面测量系统，例如干涉仪，配置的情况下监视其对准和对光调节。
参照附图通过对本发明优选实施例的描述，本发明的进一步目的以及其他特征和优点将明显地体现出来。
图1是根据本发明的干涉仪的简略框图；
图2表示了非象差光束和象差光束的空间强度分布曲线；
图3是图2曲线的对数曲线图。
参照图1，其中表示了用于对被测光源“SUT”12进行测量的干涉仪10。入射至干涉仪10输入的是由被测光源12发射的光束14。干涉仪10将来自对光摄象机20的对光信号18和来自条纹摄象机24的条纹信号22作为输出并输入给波阵面分析器16。在被测光源内有点放射源26，准直器28，和用于形成光束孔径以得到被测光源12发射光束宽度的出射光瞳30。
在干涉仪10内有分束器32，参考光路透镜34，成象透镜36，测试光路反射镜38，微反射镜44，适当的对光图象信号变换器，它可以是一个摄象机，在本实施例中是对光摄象机20，和条纹图象信号变换器，它也可以是例如条纹摄象机24的摄象机。
如图1所示，分束器32将来自被测光源12的光束14分成两束，测试路光束40和参考路光束42。测试路光束40经过分束器32到达测试路反射镜38，在那里测试路光束被反射回分束器32并从那里反射到条纹摄象机24。被反射的测试路光束经成象透镜36聚焦，在条纹摄象机24上形成出射光瞳30的像。参考路光束42经过分束器32，由参考路透镜34会聚到微反射镜44上。分束器32与测试路反射镜38之间的距离最好等于分束器32与微反射镜44之间的距离，这样可以在从测试路反射镜38和微反射镜44返回的光束与入射到条纹摄象机24的光束之间互相保持相位平稳，并可以形成用于波阵面分析器16分析的干涉条纹。
微反射镜44只反射会聚光束中心部分的能量，允许其余能量透过透明基体46和对光成象透镜48到达对光摄象机20。被微反射镜44反射的参考光束42的一部分50经过参考路透镜34后变成准直光束，经过分束器32和将出射光孔30成象于条纹摄象机24摄象管上的成象光路透镜36。
对光摄象机20与对光成象透镜48一起置于微反射镜44和透明基体46之后。来自参考路光束42的，透过透明基体46而未透过微反射镜44的光束在对光摄象机20上形成带有阴影的会聚光斑，其中的阴影部分是微反射镜44造成的。
从对光摄象机20向监测器52发出对光信号18以确定微反射镜44的合适瞄准。监视器52显示了会聚光斑及由微反射镜44造成的影阴的图像。观看显示屏的操作人员可以通过调节微反射镜44的位置或者其他包括被测光源12在内的元件来确保正确瞄准，水平对光，和将参考路光束34会聚到微反射镜44上。通常将干涉仪10的元件调整到标准状态，然后再进行被测光源12的瞄准和对光调节。对被测光源12的瞄准调节可以通过使点光源26相对于准直器28作横向移动来进行。从上文的描述可以看出，不需要改变干涉仪10的配置就可以实现对光源瞄准和对光的观察和调节。微反射镜44可以采用任何已知工艺来制成，例如在诸如玻璃的透明基体上进行选择电镀和光刻。附录A中列出了可以用来构成本发明所述的空间滤光器和干涉仪的元件，包括可以购买到的项目。
微反射镜44的作用是从源光束中产生相对消除了源光束中象差效果的参考光束。下文将参照图2对微反射镜大小的选择进行描述。
图2中，曲线202是消除了象差效果的会聚光束空间强度分布相对于横向坐标的函数关系曲线。通过对非象差光束的瞄准和对光，使得强度峰值204出现在中线206上。强度最小值208出现在第一最小点210和212，也称作零级衍射最小值或者第一零值。非象差光束202的空间强度分布也显示第二最小点214和216。这些最小点也被称作一级衍射最小值或者第二零值。
在第一最小点210和212之间的相对高强度区定义为强度分布的中心波瓣。中心波瓣的横向尺寸由第一最小点210和212的间距218定义。通常在诸如会聚透镜的孔径数值和使用波长已知的条件下，空间强度分布中心波瓣的横向尺寸可通过数学计算估出。或者，中心波瓣的横向尺寸218可以通过对相似光源和所使用的特定光学镜片的测量用经验公式确定。
侧波瓣220和222分别由第一最小点210、212与第二最小点214、216之间的面积确定。在会聚的非象差光束中，大部分能量集中在位于第一最小点210和212之间，曲线202以下区域所确定的中心波瓣。在侧波瓣220和222内只有相对少的能量存在。
曲线230表示的是具有所谓慧星形象差这一特殊类型象差的会聚光束的空间强度分布。此类象差造成光束强度不对称分布，使得分布曲线一定程度地偏向一边。在另一边，侧波瓣236比非象差光束侧波瓣220具有相对高的强度值。因此，慧星形象差光束的侧瓣236比非象差光束的侧瓣220具有更多的能量。图3是非象差光束302与具有慧星形象差光束304的空间强度分布的对数曲线。
象差光束中侧波瓣具有的能量处于光学系统分辩能力的上限。如果侧波瓣的能量过大，象差光束将不能会聚到足够的程度使光学系统进行正常的分辩。在本发明中，微反射镜44作为空间滤光器产生相对地消除了源光束中象差效果的参考光束。微反射镜44的尺寸必须满足能够反射源光束强度分布中心波瓣所包含的能量，而允许侧波瓣的能量通过。因此，微反射镜44应具有横向尺寸不超过会聚光束空间强度分布中心波瓣的大致横向尺寸218的反射器。
从微反射镜44反射的能量形成相对消除了象差的参考光束。这样，在对来自被测光源光束进行象差测量时，参考光束可用作对比的基础。
熟练技术人员将会了解光束中选择被反射的部分决定着反射参考光束的精确度和强度。通过微反射镜44在本发明所述干涉仪中的应用，已经发现光束中欲被反射部分的尺寸应这样选择，使微反射镜的横向尺寸为会聚光束空间强度分布中心波瓣直经的三分之一。图2中间距240表示了这一尺寸。空间强度分布曲线202和具有慧星形象差光束的空间强度分布曲线230的交点242和244也表示了间距240。这表明当微反射镜小于最佳尺寸240时，例波瓣236的能量将不会被反射。
再次参照图1，测试光路的光束40和参考光路的光束42同时入射到条纹摄象机24的摄象管上(图中未标出)，形成一条纹干涉图。条纹摄象机24探测条纹图象并将其转换成条纹电信号22进一步传输给监测器56和波阵面分析器16。监测器56显示该条纹图象，该图象可以用来监测被测光源12与干涉仪的对光和瞄准。这种设置可使操作人员能根据干涉仪10来纠正被测光源12对光和瞄准过程中的剩余细微误差。波阵面分析器16根据条纹信号22绘图，并参照参考光束的理想波阵面来测量被测光源12的波阵面质量。
波阵面分析器16可以是例如个人电脑的任何计算机以及合适的联接装置。来自条纹摄象机24的条纹信号22输入到视频信号数字转换器(未示出)用来联接到个人电脑上。从MU Tech可以得到许多例如“M Vision 1000 Frame Grabber”的标准视频信号数字转换器，用来将条纹信号进行必需的数字化从而输入给个人电脑。波阵面分析器16中的个人电脑依据该数字化的图象信号进行操作以产生表示实际光束与理想参考光束波阵面差异的数据。
波阵面分析器16通过数模转换卡(未示出)和压电转换器(PZT)54来控制测试路反射镜38的位置和移动。PZT54用来在测试光束40的波传播方向使测试路反射镜38移动小于一个波长的增量，从而根据反射的参考光束部分50来改变测试光束40的位相。采用这种方式，可以使被测光源12的波阵面与反射参考光路50的波阵面在数个不同位相处发生干涉，从而得到两者间差异较为完全的描述。
波阵面分析器16的个人电脑通过运行软件提供光束的波阵面测量数据，个人电脑中装设了合适的软件，可以根据以标准平面，几何球面或者柱面传播的波阵面产生反映来自被测光源12的波阵面变化数据。此外，软件通过对数字化条纹信号22的处理可以产生以所谓Zernike polynomials数学函数表示的描述光源波阵面变化的数据。
例如，参照平面波阵面的测量数据表明了所观测波阵面与平面方程Z=Ax+By+C的差别。数据同时表明X和y轴的倾斜；波峰，波谷，和峰-谷值；以及剩余均方根误差。以平面波阵面为参照的测量数据也包括由于X和y轴倾斜的减法及提取因子的操作引起的观测变化。另外，参照球形波阵面的测量数据还包括所观测波阵面的球面次方因子。参照柱形波阵面的测量数据包括所观测波阵面的象散因子。
虽然通过一个最佳实施例对本发明进行了详细介绍，但应了解本发明不仅限于该具体实施例。鉴于目前公开的是本发明实际应用的最佳状态，因此在不偏离本发明范围和精神的条件下，本领域技术人员可以自行各种改进和变化。本发明的范围由下文的权利要求表明，而不是根据上文的描述。所有在本权利要求等效的意义及范围内的改动，改型及变化均将认为属于本发明的范围。
附录A
微反射镜干涉仪部件表：
计算机：PC,PCI总线卡：1 MU Tech,M-Vision 1000 Frame
Grabber(用于条纹摄象机)
1 Keithley,DAC-02模拟输出板(为
PZT高压源提供5伏输入)
摄象机： 2 Cohu,1100 RS-170,1/2″帧
PZT 1 Polytec PI,P-241.00,5微米压电
转换器
PZT高压源 1 Polytec PI,P-261.20 OEM放大器
模件
光学元件：
测试路反射镜 1 直径1″，厚度3/8″(安装于PZT上，
移动该反射镜可进行位相变化)
50/50分束器 1 直径1.5″，厚度3/8″(将光束分束，
其1/2给测试光路，另1/2给参考
光路)
微反射镜 1 在直径12.7mm的玻璃盘上20微米
铬点，耐酸(AR)涂层
参考透镜 1200毫米焦距透镜(用于将光束聚
焦于微反光镜上)
成象透镜(条纹摄像机) 1330毫米聚焦透镜(将激光源孔径
成象于条纹摄象机)
象透镜(对光摄像机) 120倍显微镜物镜(使微反射镜和参
考光路会聚光束成像，用于使激
光源与干涉仪对光)
对光监测器 1标准B&W摄象机监测器(用于实时
观察对光摄象机或条纹摄象机)
Claims (7)
1．一种干涉仪，其特征在于，包括：
用来将具有象差分量的源光束分成测试光束和参考光束的分束器；
用来探测干涉图样的图象装置；
置于所述测试光束光路上的，用来向所述图象装置反射所述测试光束的反射镜；
置于所述参考光路上的，用来向所述图象装置反射所述参考光束的预定中心部分的微反射镜，所述微反射镜让所述参考光束中发生象差的外面部分由此通过；
置于所述参考光路上的，在所述分束器和所述微反射镜之间的，用来将所述参考光束会聚于所述微反射镜上的聚焦装置，所述微反射镜的横向尺寸不大于由所述聚焦装置聚焦其上的所述参考光束的中心波瓣的大致横向尺寸，从而当所述测试光束被所述反射镜反射且所述参考光束的所述中心部分被所述微反射镜反射时，所述反射的测试光束和所述反射的部分参考光束一起入射到所述图象装置上，在其上形成表示所述象差分量的可测量的干涉图样；和
置于所述微反射镜附近，用来探测所述反射光束的外面部分，以优化所述象差分量的图象的对光探测器。
2．如权利要求1所述的干涉仪，其中所述微反射镜的横向尺寸等于会聚于其上的所述参考光束的所述中心波瓣的所述横向尺寸的约三分之一。
3．如权利要求1所述的干涉仪，其中所述微反射镜的所述横向尺寸被优化为对应于所述参考光束的所述预定中心部分的预选择的核心部分。
4．一种用来减少具有象差分量的光束中的的象差影响的空间滤光器组件，其特征在于，所述滤光器组件包括：
置于透明基体之上的反射器，所述反射器的横向尺寸与会聚于所述反射器上的所述光束的空间强度分布中心波瓣的横向尺寸的预定部分相等，以产生由所述光束的预定中心部分组成的基本上无象差的反射光束，所述光束的发生象差的外面部分由此透过所述反射器；和
置于所述反射器附近的，用来探测所述参考光束的发生象差的外面部分以优化象差分量的图象的对光探测器。
5．如权利要求4所述的空间滤光器组件，其中所述预定部分等于所述光束的空间强度分布的中心波瓣的所述横向尺寸的约三分之一。
6．一种在干涉仪中进行滤光的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
会聚包括象差分量的光束；
将光的会聚光束分成测试光束和参考光束；
反射所述参考光束的中心部分，所述中心部分的横向尺寸不大于当所述参考光束会聚时的空间强度分布的中心波瓣的大致横向尺寸；
透过所述参考光束的外面部分，所述外面部分包括所述象差分量；
比较所述测试光束和所述参考光束的反射部分，以识别所述象差分量；和
探测所述参考光束的所述外面部分，以相对于其调整所述微反射镜的位置。
7．如权利要求6所述的方法，其中所述比较步骤包括如下步骤：探测所述测试光束和所述参考光束的反射部分；显示其图象；和形成表示所述象差分量的可测量干涉图样。
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