CN109458959A - 一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法。该装置包括光源变倾角相移调制组件、主干涉仪系统、折反镜和和成像系统；由光源变倾角相移调制组件出射倾斜准直光束进入主干涉仪系统，在主干涉仪系统中通过等腰棱镜传递，近掠入射的准直光束到待测面，待测面反射的测试光与等腰棱镜斜面返回的参考光形成相干光束，通过成像系统采集干涉图。方法为：首先光源变倾角相移调制组件产生与光轴平行的准直光，在主干涉仪系统中设置待测件，在CCD上获取成像清晰的干涉图；然后通过相移调制组件改变准直光倾角，在干涉图中引入不同相移量；最后依次采集系列干涉图，通过相移算法恢复相位。本发明具有精确高效、结构紧凑、操作简单、成本低的优点。

Description

一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法

技术领域

本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法。

背景技术

工业生产领域通常采用机械或者电学的方法来测量平整度误差，这类接触式测量方法往往会对测试件造成一定损坏，且一般只能测量特定的轨迹轮廓或是有限测量区域的面形分布。光学干涉测量以其非接触测量、高精度和高灵敏度的特点，广泛应用于面形检测。通用的斐索或泰曼-格林型干涉仪，以自准直方法进行面形检测，光线正入射待测件表面，测量灵敏度很高，适宜检测亚微米量级的光学表面。而棱镜式掠入射干涉仪以掠入射方法进行面形检测，可以有效拓展干涉仪的测量范围，测量平整度误差在微米级的表面，甚至是粗糙面的面形分布。在棱镜式掠入射干涉仪中，相干光束采用共光路的设计，除参考面外，干涉仪光学系统自身的像差对被测光束和参考光束的影响基本相同，绝大部分可相互抵消，因而斐索型干涉仪仅对参考面的精度要求高，而对系统波像差和其它元件的加工、装配的精度要求较低。

目前常用的相移方式包括波长调谐相移技术、压电晶体相移技术和偏振相移技术。波长调谐技术通过改变输出光波长实现相移，其相移量由波长调谐量与干涉腔长决定，而棱镜式掠入射干涉仪的干涉腔极短，因而要求很大调谐带宽，不易实现波长调谐相移。压电晶体相移技术通过对压电晶体外加步进电压，使压电晶体伸缩从而改变光程，但棱镜式掠入射干涉仪的干涉腔极短，因而对相移器精度及控制电路要求较高。偏振相移通过偏振相移器件在干涉图中引入相移，测量结果会受到干涉仪内部光学元件及待测件的应力偏差的影响，提高了干涉仪的制造要求，且增加了结构的复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、成本低、结构简单的变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法。

实现本发明目的技术解决方案为：一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，包括光源变倾角相移调制组件、主干涉仪系统、折反镜和成像系统；所述光源变倾角相移调制组件包括顺次设置的激光器、激光耦合器、单模光纤、相移调制器和准直透镜；所述主干涉仪系统包括共光轴依次设置的等腰棱镜和待测件；所述成像系统包括共光轴依次设置的第一成像透镜、第二成像透镜和CCD；

所述激光器、激光耦合器产生的光源通过单模光纤产生标准点光源，标准点光源发出的球面波经准直透镜出射准直光束，通过相移调制器调整点光源在准直透镜前焦面上距光轴的距离，改变出射准直光束的倾角得到倾斜准直光束；倾斜准直光束进入主干涉仪系统，在等腰棱镜斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜斜面折射后近掠入射到待测件，经待测件反射后与等腰棱镜斜面返回的参考光会合形成干涉场，经折反镜后进入成像系统，经过第一成像透镜和第二成像透镜，在CCD上形成相移干涉图。

进一步地，所述等腰棱镜的入射和出射两个腰面镀有增透膜，斜面作为参考面；准直光束正入射棱镜时，测试光在待测面的掠入射角α由等腰棱镜的材料折射率n及底角δ决定，且满足sinα＝nsinδ。

进一步地，所述成像系统中第一成像透镜的后焦点与第二成像透镜的前焦点重合，构成双远心成像光路，保证整个测试区域能成像到CCD；第一成像透镜的焦距f₁与第二成像透镜的焦距f₂满足f₁/f₂≥D/L，其中，D为测试光束的口径，L为CCD的靶面宽度。

进一步地，所述CCD的靶面与主干涉仪系统中待测件共轭，CCD的靶面与第二成像透镜像方主面之间的间距l'为其中，l_t为待测件到第一成像透镜物方主面的距离，f₁为第一成像透镜的焦距，f₂为第二成像透镜的焦距。

一种变倾角相移掠入射干涉仪测量方法，包括以下步骤：

步骤1，所述激光器、激光耦合器产生的光源通过单模光纤产生标准点光源，标准点光源发出的球面波经准直透镜出射准直光束，通过相移调制器调整点光源在准直透镜前焦面上距光轴的距离，改变出射准直光束的倾角得到倾斜准直光束；

步骤2，倾斜准直光束进入主干涉仪系统，在等腰棱镜斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜斜面折射后近掠入射到待测件，经待测件反射后与等腰棱镜斜面返回的参考光会合形成干涉场；

步骤3，所形成的干涉场经折反镜后进入成像系统，经过第一成像透镜和第二成像透镜，在CCD上形成相移干涉图；

步骤4，通过相移调制器调制出射准直光束的倾角，改变参考光及测试光间的光程差，在干涉图中引入不同相移量；

步骤5，依次采集到系列相移干涉图后，通过相移算法恢复待测件的面形分布。

进一步地，步骤2中所述倾斜准直光束进入主干涉仪系统，入射到主干涉仪系统的准直光束倾角为θ，在相干光束间引入的光程差为：

Δ(θ)＝2H(cosαcosθ+sinαsinθ)

其中，H为干涉腔长，α为准直光束正入射棱镜时测试光在待测面的掠入射角；

在干涉图中引入的相移量为：

其中k＝2π/λ为波数，λ为波长。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过调节点光源即可实现相移，相移方式简单，成本较低；(2)测试角接近掠入射，大大拓展了测量范围，可用于粗糙面检测；(3)主干涉仪系统采用棱镜实现干涉，且没有多余的偏振器件和PZT相移器，结构紧凑，易于实现小型化；(4)成像系统采用双远心光路，具有较大的景深，可以实现整个待测区域的清晰成像，测试过程简单，调整方便。

附图说明

图1是本发明变倾角相移掠入射干涉仪测量装置的结构示意图。

图2是本发明的光路示意图。

图3是本发明中倾斜平行光入射在干涉场中引入相移的光路示意图。

图中标号：1、光源变倾角相移调制组件；2、激光器；3、激光耦合器；4、单模光纤；5、相移调制器；6、准直透镜；7、主干涉仪系统；8、等腰棱镜；9、待测面；10、折反镜；11、成像系统；12、第一成像透镜；13、第二成像透镜；14、CCD。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，包括光源变倾角相移调制组件1、主干涉仪系统7、折反镜10和成像系统11；所述光源变倾角相移调制组件1包括顺次设置的激光器2、激光耦合器3、单模光纤4、相移调制器5和准直透镜6；所述主干涉仪系统7包括共光轴依次设置的等腰棱镜8和待测件9；所述成像系统11包括共光轴依次设置的第一成像透镜12、第二成像透镜13和CCD14；

由单模光纤4产生标准点光源，其发出的球面波经准直透镜6出射准直光束，通过相移调制器5调整点光源在准直透镜6前焦面上距光轴的距离，改变出射准直光束的倾角；倾斜准直光束进入主干涉仪系统7，在等腰棱镜8斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜8斜面折射后近掠入射到待测件9，经待测件9反射后与等腰棱镜8斜面返回的参考光会合形成干涉场，经折反镜10后，再经过第一成像透镜12和第二成像透镜13，在CCD14上形成清晰的相移干涉图。

进一步地，等腰棱镜8的入射和出射两个腰面镀有增透膜，斜面作为参考面，面形精度远优于待测面9；准直光束正入射棱镜时，测试光在待测面9的掠入射角α由等腰棱镜8的材料折射率n及底角δ决定，满足sinα＝nsinδ。

进一步地，所述第一成像透镜12的后焦点和第二成像透镜13的前焦点重合，构成双远心成像光路，保证整个测试区域能清晰成像到CCD14；第一成像透镜12的焦距f₁与第二成像透镜13的焦距f₂满足f₁/f₂≥D/L，其中，D为测试光束的口径，L为CCD14的靶面宽度。

进一步地，所述CCD14的靶面与主干涉仪系统7中待测件9共轭，CCD14的靶面与第二成像透镜13像方主面之间的间距l'为其中，l_t为待测件9到第一成像透镜12物方主面的距离，f₁为第一成像透镜12的焦距，f₂为第二成像透镜13的焦距。

本发明变倾角相移掠入射干涉仪测量方法，包括以下步骤：

步骤1，所述激光器2、激光耦合器3产生的光源通过单模光纤4产生标准点光源，标准点光源发出的球面波经准直透镜6出射准直光束，通过相移调制器5调整点光源在准直透镜6前焦面上距光轴的距离，改变出射准直光束的倾角得到倾斜准直光束；

步骤2，倾斜准直光束进入主干涉仪系统7，在等腰棱镜8斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜8斜面折射后近掠入射到待测件9，经待测件9反射后与等腰棱镜8斜面返回的参考光会合形成干涉场；

步骤3，所形成的干涉场经折反镜10后进入成像系统11，经过第一成像透镜12和第二成像透镜13，在CCD14上形成相移干涉图；

步骤4，通过相移调制器5调制出射准直光束的倾角，改变参考光及测试光间的光程差，在干涉图中引入不同相移量；

步骤5，依次采集到系列相移干涉图后，通过相移算法恢复待测件9的面形分布。

进一步地，步骤2中所述倾斜准直光束进入主干涉仪系统7，光源变倾角相移调制组件1出射准直光束入射到主干涉仪系统7的倾角为θ，在相干光束间引入的光程差为：

Δ(θ)＝2H(cosαcosθ+sinαsinθ)

其中，H为干涉腔长，α为准直光束正入射棱镜时测试光在待测面的掠入射角；

在干涉图中引入的相移量为：

其中k＝2π/λ为波数，λ为波长。

实施例1

本发明一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置的结构如图1所示，其中：

(1)光源变倾角相移调制组件1用于产生倾角可调制的平行光束；光源变倾角相移调制组件1包括顺次设置的激光器2、激光耦合器3、单模光纤4、相移调制器5、准直透镜6；由单模光纤4产生标准点光源，其发出的球面波经准直透镜6出射准直光束，通过相移调制器5调整点光源在准直透镜前焦面上距光轴的距离，从而调制入射主干涉仪系统7的准直光束倾角。

(2)主干涉仪系统7为棱镜式掠入射干涉仪，参考光和测试光在等腰棱镜斜面处会合形成干涉场；主干涉仪系统7包括共光轴依次设置的等腰棱镜8和待测件9；由光源系统及其相移调制器1出射的倾斜准直光束进入主干涉仪系统7，在等腰棱镜8斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜8斜面折射后近掠入射到待测件9，经待测件9反射后与斜面返回的参考光会合后，进入成像系统11；等腰棱镜8的入射和出射两个腰面镀有增透膜，斜面作为参考面，面形精度远优于待测面9；准直光束正入射棱镜时，测试光在待测面的掠入射角α由等腰棱镜8的材料折射率n及底角δ决定，满足sinα＝nsinδ。

(3)成像系统11用于将参考光与测试光形成的干涉场成像到CCD14靶面，并通过CCD采集干涉图；成像系统11包括共光轴依次设置的第一成像透镜12、第二成像透镜13和CCD14；所述的第一成像透镜12的后焦点和第二成像透镜13的前焦点重合，形成双远心成像光路，保证整个测试区域能清晰成像到CCD14；第一成像透镜12的焦距f₁与第二成像透镜13的焦距f₂满足f₁/f₂≥D/L，其中，D为测试光束的口径，L为CCD14的靶面宽度；CCD14的靶面与主干涉仪系统7中待测件9共轭，CCD14的靶面与第二成像透镜13像方主面之间的间距l'为其中，l_t为待测件9到第一成像透镜12物方主面的距离，f₁为第一成像透镜12的焦距，f₂为第二成像透镜13的焦距。

所述的变倾角相移掠入射干涉仪测量装置的测量原理如下：

如图2所示，将点光源在准直物镜6前焦面内垂轴平移距离d时，经过准直物镜6出射的倾角为θ的准直光束，且满足tanθ＝d/f，其中f为准直物镜6的焦距。

如图3所示，当入射到主干涉系统7的光束倾角为θ时，在相干光束间引入的光程差为：

Δ(θ)＝AB+BC-nCD＝2H(cosαcosθ+sinαsinθ)

其中，H为干涉腔长，α为准直光束正入射棱镜时测试光在待测面的掠入射角，n为等腰棱镜8的折射率；

此时在干涉图中引入的相移量为：

其中k＝2π/λ为波数，λ为波长。

使用变倾角相移掠入射干涉仪测量装置获得系列相移干涉图后，采用相移算法提取相位，恢复待测件9的面形分布。

使用上述变倾角相移掠入射干涉仪测量装置的步骤为：

步骤1，光源变倾角相移调制组件1产生与光轴平行的准直光，在主干涉仪系统7中设置待测件9，并调节空间位置及倾斜状态，在CCD14上采集清晰成像的干涉图；

步骤2，通过相移调制器5调制出射准直光束的倾角，改变参考光及测试光间的光程差，在干涉图中引入不同相移量；

步骤3，依次采集到系列相移干涉图后，通过相移算法恢复待测件9的面形分布。

综上所述，本发明变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，通过光源系统实现相移，无需偏振器件及PZT相移元件，成本低、结构紧凑、易于实现小型化；测试角接近掠入射，可用于粗糙面的测量；测试过程简单，调整方便，对环境的要求较低，使测试更容易实现。

Claims (6)

1.一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，其特征在于，包括光源变倾角相移调制组件(1)、主干涉仪系统(7)、折反镜(10)和成像系统(11)；所述光源变倾角相移调制组件(1)包括顺次设置的激光器(2)、激光耦合器(3)、单模光纤(4)、相移调制器(5)和准直透镜(6)；所述主干涉仪系统(7)包括共光轴依次设置的等腰棱镜(8)和待测件(9)；所述成像系统(11)包括共光轴依次设置的第一成像透镜(12)、第二成像透镜(13)和CCD(14)；

所述激光器(2)、激光耦合器(3)产生的光源通过单模光纤(4)产生标准点光源，标准点光源发出的球面波经准直透镜(6)出射准直光束，通过相移调制器(5)调整点光源在准直透镜(6)前焦面上距光轴的距离，改变出射准直光束的倾角得到倾斜准直光束；倾斜准直光束进入主干涉仪系统(7)，在等腰棱镜(8)斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜(8)斜面折射后近掠入射到待测件(9)，经待测件(9)反射后与等腰棱镜(8)斜面返回的参考光会合形成干涉场，经折反镜(10)后进入成像系统(11)，经过第一成像透镜(12)和第二成像透镜(13)，在CCD(14)上形成相移干涉图。

2.根据权利要求1所述的变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，其特征在于，所述等腰棱镜(8)的入射和出射两个腰面镀有增透膜，斜面作为参考面；准直光束正入射棱镜时，测试光在待测面(9)的掠入射角α由等腰棱镜(8)的材料折射率n及底角δ决定，且满足sinα＝nsinδ。

3.根据权利要求1所述的变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，其特征在于，所述成像系统(11)中第一成像透镜(12)的后焦点与第二成像透镜(13)的前焦点重合，构成双远心成像光路，保证整个测试区域能成像到CCD(14)；第一成像透镜(12)的焦距f₁与第二成像透镜(13)的焦距f₂满足f₁/f₂≥D/L，其中，D为测试光束的口径，L为CCD(14)的靶面宽度。

4.根据权利要求1所述的变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，其特征在于，所述CCD(14)的靶面与主干涉仪系统(7)中待测件(9)共轭，CCD(14)的靶面与第二成像透镜(13)像方主面之间的间距l'为其中，l_t为待测件(9)到第一成像透镜(12)物方主面的距离，f₁为第一成像透镜(12)的焦距，f₂为第二成像透镜(13)的焦距。

5.一种变倾角相移掠入射干涉仪测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，所述激光器(2)、激光耦合器(3)产生的光源通过单模光纤(4)产生标准点光源，标准点光源发出的球面波经准直透镜(6)出射准直光束，通过相移调制器(5)调整点光源在准直透镜(6)前焦面上距光轴的距离，改变出射准直光束的倾角得到倾斜准直光束；

步骤2，倾斜准直光束进入主干涉仪系统(7)，在等腰棱镜(8)斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜(8)斜面折射后近掠入射到待测件(9)，经待测件(9)反射后与等腰棱镜(8)斜面返回的参考光会合形成干涉场；

步骤3，所形成的干涉场经折反镜(10)后进入成像系统(11)，经过第一成像透镜(12)和第二成像透镜(13)，在CCD(14)上形成相移干涉图；

步骤4，通过相移调制器(5)调制出射准直光束的倾角，改变参考光及测试光间的光程差，在干涉图中引入不同相移量；

步骤5，依次采集到系列相移干涉图后，通过相移算法恢复待测件(9)的面形分布。

6.根据权利要求1所述的变倾角相移掠入射干涉仪测量方法，其特征在于，步骤2中所述倾斜准直光束进入主干涉仪系统(7)，入射到主干涉仪系统(7)的准直光束倾角为θ，在相干光束间引入的光程差为：

Δ(θ)＝2H(cosαcosθ+sinαsinθ)

其中，H为干涉腔长，α为准直光束正入射棱镜时测试光在待测面的掠入射角；

在干涉图中引入的相移量为：

其中k＝2π/λ为波数，λ为波长。