CN109855743A - 双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，双频激光器的输出光路上设置有第一扩束系统，第一扩束系统的输出光路上设置有偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的反射光方向设置有参考信号获取系统，偏振分光棱镜的透射光方向设置有待测信号获取系统，偏振分光棱镜的反射光方向的相反方向设置有偏振片，偏振片的输出光路上设置有分光镜，分光镜的透射光方向设置有第一光电探测器，分光镜的反射光方向设置有依次设置有待测信号测量系统。本发明还提供一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法。本发明所公开的测量装置和方法精度较高，且能测量较大面积的光学平面。

Description

双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法。

背景技术

近年来，随着精密加工水平的迅速提高和空间光学、大型激光装置等领域的需求发展，大尺寸光学系统的应用越来越广泛。光学零件的高精度大尺寸特点要求检测技术满足几百毫米至米级的尺度范围下实现亚微米/纳米测量精度的要求。目前，大尺寸光学平面的检测方法包括直接测量法、刀口阴影法、干涉仪子孔径拼接/扫描法等。直接测量法一般通过三坐标测量仪等三维精密移动装置结合探针或电容、电感测微头逐点进行测量并通过数据处理进行面形重构，该方法不仅可以测量平面，还可以测量任意面形，但其测量精度受移动装置的移动定位精度限制，难以实现高精度测量；刀口阴影法根据观察的阴影图形状确定波面局部误差的方向和位置，该方法的测量结果在很大程度上与检验者的主观因素有关,难以对平面面形进行定量高精度测量；干涉仪法通过测量待测平面与参考标准平面的干涉图案进行面形测量，可以获得很高精度。但通常的干涉仪口径较小，因此平面的测量范围较小。为了获得大尺寸的测量，一般需结合子孔径拼接法或扫描法，分多次分别检测大尺寸平面的各个部位，然后拼接到同一个面上来恢复出全口径波面的完整面形，该方法可以检测大尺寸平面，但检测过程较长，操作复杂，对测量环境要求较高。此外，一般的干涉法通常使用一个标准平面做参考平面，对标准平面的精度要求很高，通常为待测平面面形精度的三分之一到十分之一，这也限制了其测量精度。

为实现大尺寸光学平面的高精度检测，本发明提出一种基于双频激光外差干涉相位方法的测量装置和方法以解决上述问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法，其能实现大尺寸光学平面的高精度检测。

为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其包括双频激光器，双频激光器的输出光路上从上到下依次设置有第一扩束系统、偏振分光棱镜和待测信号获取系统；偏振分光棱镜的左侧设置有参考信号获取系统，偏振分光棱镜的右侧依次设置有偏振片、分光镜和第一光电探测器，分光镜的下方设置有设置有待测信号测量系统。

进一步的，所述第一扩束系统由依次设置在双频激光器的输出光路上的第一光学透镜、针孔滤波器和第二光学透镜组成。

进一步的，所述参考信号获取系统由依次设置在偏振分光棱镜的左侧反射光路上的第一四分之一波片，聚焦透镜，参考反射镜组成。

进一步的，所述待测信号获取系统包括第二四分之一波片、待测光学平面以及由第三光学透镜、第四光学透镜构成的第二扩束系统；所述第二四分之一波片、第三光学透镜、第四光学透镜、待测光学平面从上至下依次设置在偏振分光棱镜的下方透射光路上。

进一步的，待测信号测量系统包括由第五光学透镜、第六光学透镜构成的第三扩束系统，第二光电探测器和二维移动平台；第五光学透镜、第六光学透镜、第二光电探测器和二维移动平台依次设置在分光镜的下方反射光路上；第二光电探测器固定设置在二维移动平台上。

进一步的，所述第二扩束系统和第三扩束系统结构和参数相同。

本发明另一目的还在于提供一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法，其包括下述步骤：

步骤一：打开双频激光器，使双频激光器发出一对具有互相正交的线偏振光，即一束光含有P、S两个偏振分量；

步骤二：使用第一光电探测器接收形成稳定不变的参考信号；

步骤三：移动二维平移台带动第二光电探测器进行扫描，采集待测光学平面上各点对应的测量信号；

步骤四：将步骤三中测得的测量信号与步骤二测得的固定不变的参考信号对比进行相位测量并经数据处理和面形重构，以得到待测光学平面的平面度误差。

进一步的，所述方法包括的双频激光器所发出的P、S偏振光具有一定频率差。

本发明所公开的双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法，工作原理如下：

由双频激光器输出一对相互正交的线偏振光，该光束经过由第一光学透镜、第二光学透镜和针孔滤波器构成的第一扩束系统后形成平行的扩束光；其中针孔滤波器的作用是滤掉杂散光，并消除高频噪声，提高光束质量；经过第一扩束系统的光束入射到偏振分光棱镜后被分成第一S偏振光和第一P偏振光两部分；

其中第一S偏振光是被偏振分光棱镜反射的光，其经过第一四分之一波片变为圆偏振光，并被聚焦透镜聚焦入射到位于透镜焦平面上的参考反射镜上，然后沿原路返回经过第一四分之一波片变为第二P偏振光，之后入射到偏振分光棱镜并透射；

第一P偏振光是被偏振分光棱镜透射的光，其经第二四分之一波片后变为圆偏振光，然后经过第三光学透镜、第四光学透镜构成的第二扩束系统，再入射到待测光学平面上，然后沿原路返回至第二四分之一波片，变为第二S偏振光，之后入射到偏振分光棱镜并被其反射；

分别从参考反射镜和待测光学平面返回的第二P偏振光和第二S偏振光在偏振分光棱镜处合并成一束光后通过偏振片发生干涉，然后入射到分光镜，再次被分成两部分；其中透射光被固定位置的第一光电探测器接收形成参考信号；反射光经过由第五光学透镜、第六光学透镜构成的第三扩束系统后，被安置在二维平移台上的第二光电探测器接收形成测量信号，通过移动二维平移台带动第二光电探测器采集待测光学平面上各点对应的测量信号，将其与固定不变的参考信号对比进行相位测量并经数据处理可得到待测光学平面的平面度误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①设置了针孔滤波器，能滤掉杂散光并消除高频噪声，以提高光束的质量；

②设置了聚焦透镜，使光束在参考反射镜上聚焦成点，因此参考反射镜的有效作用区域只有光束聚焦光斑大小而非整个参考反射镜平面，可极大程度降低对参考反射镜的面形性能要求，同时降低光路调节难度；

③第三扩束系统和第二扩束系统的结构和参数相同，使第二光电探测器的位置与待测光学平面上的测量点位置完全对应，在测量过程中不需要再进行坐标位置变换；

④装置中除第二光电探测器和二维平移台之外，所有光学元件在测量时均保持不动，因此，由各光学元件误差引起的测量误差均为定值系统误差，可通过测量标准平面进行标定，然后在测量结果中进行修正；

⑤被测平面倾斜导致的误差为线性变化系统误差，可在数据处理时进行消除；

⑥测量系统对干涉信号采用相位测量方法，避免了测量光强幅值易受光束漂移和环境干扰的影响，且相位可进行很高的电子细分，光学系统可实现很高的测量分辨率；

⑦光束经过两次扩束，光束到达待测平面时已经经过两次扩束，直径较大，能检测较大面积的平面，而从平面反射回来时，光束直径缩小回第一次扩束后的光束直径，因此使得光的干涉较为容易。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方案所述双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置的结构示意图。

101、双频激光器；102、第一光学透镜；103；针孔滤波器；104、第二光学透镜；105、偏振分光棱镜；106、第一四分之一波片；107、聚焦透镜；108、参考反射镜；109、第二四分之一波片；110、第三光学透镜；111、第四光学透镜；112、待测光学平面；113、偏振片；114、分光镜；115、第一光电探测器；116、第五光学透镜；117、第六光学透镜；118、第二光电探测器；119、二维移动平台；120、第一扩束系统；121、第二扩束系统；122、第三扩束系统

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要进一步说明的是，本发明中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如相应附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

参照图1，本发明优选实施例1提供一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其包括以下部件：

双频激光器101：选用频差为3MHz的横向塞曼稳频双频He-Ne激光器，可发出一对偏振相互正交的波长为633nm的线偏振光，即光束中同时含有P、S偏振分量，光束直径约Ф6mm；

第一光学透镜102、第二光学透镜104和针孔滤波器103构成的第一扩束系统120：其中，针孔滤波器103材质为发黑处理的铝片，厚度1mm，在其上加工一个直径为Ф200μm的小孔；第一光学透镜102和第二光学透镜104材质均为凸透镜，材质均为k9玻璃；双频激光器101发出的光束直径为Ф6mm的光束经过第一扩束系统120后输出的光束直径为Ф20mm；

偏振分光棱镜105，第一四分之一波片106，参考反射镜108，第二四分之一波片109，偏振片113，分光镜114：均采用市场通用的高精度光学元器件，孔径均为Ф25.4mm；

聚焦透镜107：为凸透镜，材质采用k9玻璃，焦距为50mm；

第三光学透镜110、第四光学透镜111构成的第二扩束系统121，第五光学透镜116、第六光学透镜117构成的第三扩束系统122：其中第三光学透镜110、第四光学透镜111、第五光学透镜116和第六光学透镜117均为凸透镜，透镜材质为k9玻璃，第二扩束系统121和第三扩束系统122的结构和参数相同，扩束倍数均为10倍，本装置中从第二扩束系统121和第三扩束系统122输出的光束直径均为Ф200mm；

第一光电探测器115，第二光电探测器118：选用通用光电探测器，中心探测波长为633nm，有效光敏面大小为50×50μm；

待测光学平面112：选用实验用光学平晶，材质为k9玻璃，平面尺寸为160×120mm；

二维移动平台119：选用商用精密二维移动台，重复定位精度为5μm；

上述部件的结构关联如下：

双频激光器101的输出光路上设置有第一扩束系统120；第一扩束系统120包括第一光学透镜102、第二光学透镜104和针孔滤波器103，第一光学透镜102、针孔滤波器103和第二光学透镜104依次设置在双频激光器101的输出光路上，第一光学透镜102的像方焦点和第二光学透镜104的物方焦点重合，第二光学透镜104的焦距大于第一光学透镜102的焦距，针孔滤波器103设置在第一光学透镜102和第二光学透镜104中间，针孔滤波器103中心处设置的小孔的圆心与第一光学透镜102的像方焦点重合；第一扩束系统120的输出光路上设置有偏振分光棱镜105；偏振分光棱镜105的左侧反射光方向依次设置有第一四分之一波片106，聚焦透镜107，参考反射镜108；偏振分光棱镜105的下方透射光方向依次设置有第二四分之一波片109，由第三光学透镜110、第四光学透镜111构成的第二扩束系统121和待测光学平面112，第三光学透镜110的像方焦点和第四光学透镜111的物方焦点重合，第四光学透镜111的焦距大于第三光学透镜110的焦距；偏振分光棱镜105的左侧反射光方向的相反方向(偏振分光棱镜105的右侧)设置有偏振片113，偏振片(113)的光轴方向和P、S偏振方向成一定度角，其作用是使P、S偏振光在光轴方向上发生干涉，形成干涉光强信号；偏振片113的输出光路上设置有分光镜114，分光镜114的右侧透射光方向设置有第一光电探测器115，分光镜114的下方反射光方向设置有依次设置有第五光学透镜116和第六光学透镜117组成的第三扩束系统122、第二光电探测器118和二维移动平台119，第五光学透镜116的像方焦点和第六光学透镜117的物方焦点重合，第六光学透镜117的焦距大于第五光学透镜116的焦距；第二光电探测器118固定设置在二维移动平台119上。

实施例2

参照图1，本发明优选实施例2提供一种基于实施例1所述装置的双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法，其包括下述步骤：

步骤一：打开双频激光器，使双频激光器发出一对具有互相正交的线偏振光，即一束光含有P、S两个偏振分量；

步骤二：使用第一光电探测器接收形成稳定不变的参考信号；

步骤三：移动二维平移台带动第二光电探测器进行扫描，采集待测光学平面上各点对应的测量信号；

步骤四：将步骤三中测得的测量信号与步骤二测得的固定不变的参考信号对比进行相位测量并经数据处理和面形重构，以得到待测光学平面的平面度误差。

具体的，本实施例所述的双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法如下：由双频激光器101发出的相互正交的线偏振态光频差为3MHz，波长为633nm，直径约Ф6mm；该光束经过由第一光学透镜102、针孔滤波器103和第二光学透镜104构成的第一扩束系统120后形成具有直径为Ф20mm的平行光束，入射到偏振分光棱镜105后被分成第一S偏振光和第一P偏振光两部分；

其中第一S偏振光是被偏振分光棱镜105反射的光，其经过第一四分之一波片106变为圆偏振光，并被聚焦透镜107聚焦入射到位于透镜焦平面上的参考反射镜108上，然后沿原路返回经过第一四分之一波片106变为第二P偏振光，之后经过偏振分光棱镜105并透射；

第一P偏振光是被偏振分光棱镜105透射的光，其经第二四分之一波片109变为圆偏振光，经由第三光学透镜110、第四光学透镜111构成的第二扩束系统121后，扩束为直径Ф200mm的平行光束，再入射到待测光学平面112上，然后沿原路再次通过第二扩束系统121，直径变回为Ф20mm，再次经过第二四分之一波片109变为第二S偏振光，然后返回至偏振分光棱镜105并被其反射；

从参考反射镜和待测光学平面返回的第二S偏振光和第二P偏振光合并成一束光后通过偏振片113发生干涉，接着入射到分光镜114，再次被分成两部分；其中透射光被固定位置的第一光电探测器115接收形成稳定不变的参考信号；反射光经过由第五光学透镜116、第六光学透镜117构成的第三扩束系统122后，扩束为直径Ф200mm的平行光束，被安置在二维平移台119上的第二光电探测器118接收形成测量信号；

移动二维平移台119带动第二光电探测器118进行扫描，扫描时间约6分钟，采集到待测光学平面112上各点对应的测量信号，将其与固定不变的参考信号对比进行相位测量并经数据处理和面形重构，最终得到待测光学平面的平面度误差；相位测量采用测相精度为0.1°的相位计，平面度测量分辨率达到0.2nm，经过系统误差修正和不确定度分析，测量精度达到10nm。

Claims (8)

1.一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的光路，其特征在于，包括双频激光器，双频激光器的输出光路上从上到下依次设置有第一扩束系统、偏振分光棱镜和待测信号获取系统；偏振分光棱镜的左侧设置有参考信号获取系统，偏振分光棱镜的右侧依次设置有偏振片、分光镜和第一光电探测器，分光镜的下方设置有待测信号测量系统。

2.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：所述第一扩束系统由依次设置在双频激光器的输出光路上的第一光学透镜、针孔滤波器和第二光学透镜组成。

3.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：所述参考信号获取系统由依次设置在偏振分光棱镜的左侧反射光路上的第一四分之一波片，聚焦透镜，参考反射镜组成。

4.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：所述待测信号获取系统包括第二四分之一波片、待测光学平面以及由第三光学透镜、第四光学透镜构成的第二扩束系统；所述第二四分之一波片、第三光学透镜、第四光学透镜、待测光学平面依次设置在偏振分光棱镜的下方透射光路上。

5.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：待测信号测量系统包括由第五光学透镜、第六光学透镜构成的第三扩束系统，第二光电探测器和二维移动平台；所述第五光学透镜、第六光学透镜、第二光电探测器和二维移动平台依次设置在分光镜的下方反射光路上；第二光电探测器固定设置在二维移动平台上。

6.如权利要求4或5所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：所述第二扩束系统和第三扩束系统结构和参数相同。

7.一种基于权利要求1所述装置的双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法，其包括下述步骤：

步骤一：打开双频激光器，使双频激光器发出一对具有互相正交的线偏振光，即一束光含有P、S两个偏振分量；

步骤二：使用第一光电探测器接收形成稳定不变的参考信号；

步骤三：使用第二光电探测器接收形成测量信号；

步骤四：移动二维平移台带动第二光电探测器进行扫描，采集到待测光学平面上各点对应的测量信号；

步骤五：将步骤四中测得的测量信号与步骤三测得的固定不变的参考信号对比进行相位测量并经数据处理和面形重构，最终得到待测光学平面的平面度误差。

8.如权利要求7所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法，其特征在于：所述方法包括的双频激光器所发出的P、S偏振光具有一定频率差。