CN110017794A - 一种动态相位变形干涉测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态相位变形干涉测量装置及方法，该装置包括：用于产生一对正交偏振光的泰曼‑格林式干涉测量系统，用于产生参考光的参考光路，用于产生测试光的测试光路，用于对参考光和测试光分别进行分束，获得两对参考光和测试光的分光系统，用于对某一对参考光和测试光附加载频的载频环路系统，用于实现另一对参考光和测试光至成像系统的光程与所述某一对参考光和测试光经载频环路系统至成像系统的光程相同的测试环路系统，用于获取干涉信息，并对被测件成像的成像系统。本发明能有效降低环境振动和大气湍流对波前测量的影响，且具有系统复杂度低、测量速度快等优点，可有效用于复杂环境下对光学面形的高精度测量。

Description

一种动态相位变形干涉测量装置及方法

技术领域

本发明属于光干涉计量测试领域，特别是一种动态相位变形干涉测量装置及方法。

背景技术

现如今广泛利用光学干涉技术对光学面形进行测试，传统方法采用较多是移相干涉术，即采集一组移相干涉图来恢复被测相位。在标准相移干涉测量中，通过移相器在干涉图之间产生2π/N的恒定移相，其中N大于等于3，但是此方法在测试过程中受环境振动、大气湍流等时变环境因素影响较大，振动与湍流会对相移和倾斜产生未知的变化。因此测量的相位也会产生较大误差。而标准相移干涉和随机相移干涉均不能抑制由振动与大气湍流等引起的相移误差。

目前对光学面形测量过程中环境振动、大气湍流等影响处理鲁棒性较好的商用干涉仪为美国4D公司的干涉仪，该干涉仪的工作原理以泰曼-格林、斐索型干涉仪为基础，辅以偏振相机，利用偏振相机将干涉光路分为四支，实现空间同步移相，再结合四步移相方法对光学面形进行测量。但是该干涉仪进行测量的方法不足之处在于偏振相机的四支干涉光路的背景光强需要严格相等，否则就会出现因条纹对比度不同而产生的波纹误差，影响面形测量的精度，并且该干涉仪成本也比较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减小环境振动、大气湍流对面形测量的影响，且测量精度高、成本较低的动态相位变形干涉测量装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种动态相位变形干涉测量装置，包括：

泰曼-格林式干涉测量系统，用于产生一对正交偏振光，所述正交偏振光包括s波和p波；

参考光路，用于产生参考光；

测试光路，用于产生测试光；

分光系统，用于对参考光和测试光分别进行分束，获得两对参考光和测试光；

载频环路系统，用于对某一对参考光和测试光附加载频；

测试环路系统，用于实现另一对参考光和测试光至成像系统的光程与所述某一对参考光和测试光经载频环路系统至成像系统的光程相同；

成像系统，用于获取干涉信息，并对被测件成像。

一种动态相位变形干涉测量方法，包括以下步骤：

步骤1、激光器出射线偏振光，依次经1/2波片、第一扩束镜、扩束光阑、第二扩束镜后成为准直光束，之后经第一偏振分束镜获得一对正交的偏振光：s波和p波；

步骤2、s波经第一1/4波片、参考镜后原路返回至第一偏振分束镜并透射形成参考光；p波经第二1/4波片、发散器、被测件后原路返回至第一偏振分束镜并反射形成测试光；

步骤3、参考光和测试光经第一分束镜均被分为两束光，其中一对参考光和测试光经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜后入射至第二分束镜；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜形成测试环路；

另一对参考光和测试光入射至第二偏振分束镜，其中参考光透射过第二偏振分束镜并依次经第六反射镜、第五反射镜、第四反射镜后返回至第二偏振分束镜，之后透射过第二偏振分束镜至第二分束镜；测试光被第二偏振分束镜反射并依次经第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜后返回至第二偏振分束镜，之后被第二偏振分束镜反射至第二分束镜；第二偏振分束镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜形成载频环路；在此过程中，通过调节第五反射镜(18)对光束附加载频；

步骤4、第二分束镜出射的两对参考光和测试光进入成像系统分别产生干涉，获得两组干涉图序列；

步骤5、根据步骤4获得的干涉图，解算被测件的相位分布。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)以泰曼-格林式干涉测试光路为基础，在其中一路附加载频，实现在环境振动与大气湍流中两光路相位同步变化，能有效的消去振动与湍流对被测件面形测量的影响；2)利用傅里叶变换中零级谱的特点，降低条纹对比度变化对测量精度的影响，实现了光学元件面形动态相位变形干涉测量；3)本装置系统复杂度低，测量精度高，测量速度快，而且成本较低，实用性高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明动态相位变形干涉测量装置光路结构示意图。

图2为本发明探测器接收到的干涉条纹图。

图3为本发明实施例中偏振相机四步移相提取的待测件相位分布图。

图4为本发明实施例中偏振相机利用本发明方案解算的待测件相位分布图。

图5为本发明实施例中两种方案的残余误差图。

图6为本发明实施例中采用常规面阵探测采集到干涉条纹图。

图7为本发明采用常规面阵探测所测量的待测件相位分布图。

具体实施方式

结合图1，本发明一种动态相位变形干涉测量装置，包括：

泰曼-格林式干涉测量系统26，用于产生一对正交偏振光，所述正交偏振光包括s波和p波；

参考光路27，用于产生参考光；

测试光路28，用于产生测试光；

分光系统29，用于对参考光和测试光分别进行分束，获得两对参考光和测试光；

载频环路系统30，用于对某一对参考光和测试光附加载频；

测试环路系统31，用于实现另一对参考光和测试光至成像系统的光程与所述某一对参考光和测试光经载频环路系统30至成像系统的光程相同；

成像系统32，用于获取干涉信息，并对被测件成像。

进一步地，泰曼-格林式干涉测量系统26包括沿光轴依次设置的激光器1、1/2波片2、第一扩束镜3、扩束光阑4、第二扩束镜5、第一偏振分束镜6；

参考光路27包括沿第一偏振分束镜6反射光方向依次设置的第一1/4波片7、参考镜8；

测试光路28包括沿第一偏振分束镜6透射光方向依次设置的第二1/4波片9、发散器10、被测件11；

分光系统29包括位于与参考光路27关于第一偏振分束镜6相对一侧设置的第一分束镜12；

载频环路系统30包括沿第一分束镜12透射光方向设置的第二偏振分束镜16，以及以第二偏振分束镜16为参考点，顺时针依次设置的第四反射镜17、第五反射镜18、第六反射镜19，三个反射镜与第二偏振分束镜16形成环形光路；其中第四反射镜17、第六反射镜19固定，第五反射镜18可调；

分光系统29还包括位于沿第一分束镜12反射光方向且与第二偏振分束镜16同轴设置的第二分束镜20；

测试环路系统31包括沿第一分束镜12反射光方向设置的第一反射镜13，以及以第一反射镜13为参考点，顺时针依次设置的第二反射镜14、第三反射镜15，第一分束镜12反射光经该三个反射镜后入射至第二分束镜20；

成像系统32包括沿第二分束镜20反射光方向依次设置的偏振片21、第一成像物镜22、成像光阑23、第二成像物镜24、面阵探测器25。

进一步优选地，第四反射镜17、第六反射镜19均与第二偏振分束镜16的反射面平行。

进一步优选地，发散器10的焦点与被测件11的焦点重合，使得被测件11上反射的光束能够全部返回至发散器10中成为准直光束。

进一步优选地，偏振片21与光轴的夹角为45°，且通过调节偏振片21可实现调节面阵探测器25接收到的干涉条纹图的对比度。

进一步优选地，第一成像物镜22和第二成像物镜24的焦点重合，并且第一成像物镜22的焦距为第二成像物镜24焦距的两倍。由此使得由第二分束镜20出射的两对光束直径经过第一成像物镜22、第二成像物镜24后减半，从而使光束能够完全被面阵探测器25的靶面接收。

进一步优选地，面阵探测器25位于被测件11经发散器10、成像系统32所成像的位置，以此保证探测器接收的面形数据为准确的被测件的面形数据。

一种动态相位变形干涉测量方法，包括以下步骤：

步骤1、激光器1出射线偏振光，依次经1/2波片2、第一扩束镜3、扩束光阑4、第二扩束镜5后成为准直光束，之后经第一偏振分束镜6获得一对正交的偏振光：s波和p波；

步骤2、s波经第一1/4波片7、参考镜8后原路返回至第一偏振分束镜6并透射形成参考光，由于两次经过1/4波片，其偏振态改变，成为p波；p波经第二1/4波片9、发散器10、被测件11后原路返回至第一偏振分束镜6并反射形成测试光，由于两次经过1/4波片，其偏振态改变，成为s波；

步骤3、参考光和测试光经第一分束镜12均被分为两束光，其中一对参考光和测试光经第一反射镜13、第二反射镜14、第三反射镜15后入射至第二分束镜20；第一反射镜13、第二反射镜14、第三反射镜15形成测试环路；

另一对参考光和测试光入射至第二偏振分束镜16，其中参考光透射过第二偏振分束镜16并依次经第六反射镜19、第五反射镜18、第四反射镜17后返回至第二偏振分束镜16，之后透射过第二偏振分束镜16至第二分束镜20；测试光被第二偏振分束镜16反射并依次经第四反射镜17、第五反射镜18、第六反射镜19后返回至第二偏振分束镜16，之后被第二偏振分束镜16反射至第二分束镜20；第二偏振分束镜16、第四反射镜17、第五反射镜18、第六反射镜19形成载频环路；在此过程中，通过调节第五反射镜18对光束附加载频；

步骤4、第二分束镜20出射的两对参考光和测试光进入成像系统分别产生干涉，获得两组干涉图序列；

步骤5、根据步骤4获得的干涉图，解算被测件11的相位分布。

进一步地，结合图2，步骤5所述根据步骤4获得的干涉图，解算被测件11的相位分布，具体为：

测试环路产生的干涉图光强I_n(x,y)表达式为：

I_n(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y)+δ_n(x,y))

式中，I'(x,y)为背景光强，I”(x,y)和φ(x,y)分别为干涉调制幅度和待测件波前相位，δ_n(x,y)为变形相位；

步骤5-1、令K_n(x,y)＝φ(x,y)+δ_n(x,y)，并对载频环路光束产生的每一幅干涉图进行傅里叶变换，获得相应的相位分布K_n(x,y)；

步骤5-2、求取载频环路光束产生的每一幅干涉图的变形相位δ_n(x,y)：

δ_n(x,y)＝K_n(x,y)-K_n-1(x,y)

式中，K_n(x,y)为当前时刻相位，K_n-1(x,y)为前一时刻相位；

步骤5-3、结合I_n(x,y)和δ_n(x,y)，利用最小二乘解相位法求解待测件波前相位φ(x,y)。

下面结合实施例对发明作进一步详细的描述。

实施例

本实施例中，采用的激光器的波长为633nm，准直物镜的焦距为75mm，待测件为口径1in、F/5的球面镜，发散器是焦距为55的显微物镜。参考镜为口径1in的楔形平板。第一成像物镜焦距为150mm，第二成像物镜焦距为75mm，面阵探测器的采样像素为1920×1080，像素大小为6.5μm。

为了验证动态相位变形干涉术的鲁棒性，进行了对比试验。对比试验是将光路中常规面阵探测器换成偏振相机，偏振相机的采样像素为2048×2448，像素大小为3.45μm。通过某一时刻偏振相机采集到的图像，利用四步移相法解算出待测件波前相位。同时，提取出相机中某一偏振区域的干涉图序列，利用动态相位变形干涉术解算出其待测件波前相位，并将两者对比，求出其残余误差。

四步移相法计算出的波面分布如图3所示，该波面的PV与RMS分别为0.189λ和0.028λ，利用本发明的动态相位变形干涉术提取的波面分布如图4所示，该波面的PV与RMS分别为0.176λ和0.026λ，可以发现两者的波面分布高度相似。图5为两者的残余误差，可以发现残余误差中有较为明显的一倍波纹误差，这是空间同步移相的四幅干涉图条纹强度不严格相等造成的，而动态相位变形干涉术为分时测量，不存在干涉条纹强度的变化，因而最后残余误差中会有一倍波纹误差。之后将偏振相机换成常规面阵探测器，采集获得的干涉条纹图如图6所示，将测试环路条纹图和载频环路条纹图分割出来，对载频环路干涉条纹图序列进行傅里叶变换提取出一系列变形相位，利用提取出的变形相位结合测试环路条纹图解算出最终的待测件波前相位如图7所示，PV与RMS分别为0.182λ和0.027λ，可以发现结果与对比实验结果十分一致，因而可以证明本文方案鲁棒性较好。此外，由于在求解变形相位时，是利用载频通道的相对相位变化量，即前后时刻两幅干涉图的相位差，因而由于高载频而产生的较大的系统误差也同样被消去，可以较好的解决环境振动和大气湍流带来的测量误差，这是传统时间移相与空间载波法无法实现的。

本发明利用双环路相位同步变化的特点提取出每幅干涉图的相对相位变化量，结合测量环路干涉图解算出待测件波前相位，能够有效解决环境振动和气流扰动对干涉测量的影响，具有系统复杂度低、测量速度快等优点，可有效用于复杂环境下对光学面形的高精度测量。

Claims (9)

1.一种动态相位变形干涉测量装置，其特征在于，包括：

泰曼-格林式干涉测量系统(26)，用于产生一对正交偏振光，所述正交偏振光包括s波和p波；

参考光路(27)，用于产生参考光；

测试光路(28)，用于产生测试光；

分光系统(29)，用于对参考光和测试光分别进行分束，获得两对参考光和测试光；

载频环路系统(30)，用于对某一对参考光和测试光附加载频；

测试环路系统(31)，用于实现另一对参考光和测试光至成像系统的光程与所述某一对参考光和测试光经载频环路系统(30)至成像系统的光程相同；

成像系统(32)，用于获取干涉信息，并对被测件成像。

2.根据权利要求1所述的动态相位变形干涉测量装置，其特征在于，所述泰曼-格林式干涉测量系统(26)包括沿光轴依次设置的激光器(1)、1/2波片(2)、第一扩束镜(3)、扩束光阑(4)、第二扩束镜(5)、第一偏振分束镜(6)；

所述参考光路(27)包括沿第一偏振分束镜(6)反射光方向依次设置的第一1/4波片(7)、参考镜(8)；

所述测试光路(28)包括沿第一偏振分束镜(6)透射光方向依次设置的第二1/4波片(9)、发散器(10)、被测件(11)；

所述分光系统(29)包括位于与参考光路(27)关于第一偏振分束镜(6)相对一侧设置的第一分束镜(12)；

所述载频环路系统(30)包括沿第一分束镜(12)透射光方向设置的第二偏振分束镜(16)，以及以第二偏振分束镜(16)为参考点，顺时针依次设置的第四反射镜(17)、第五反射镜(18)、第六反射镜(19)，三个反射镜与第二偏振分束镜(16)形成环形光路；其中第四反射镜(17)、第六反射镜(19)固定，第五反射镜(18)可调；

所述分光系统(29)还包括位于沿第一分束镜(12)反射光方向且与第二偏振分束镜(16)同轴设置的第二分束镜(20)；

所述测试环路系统(31)包括沿第一分束镜(12)反射光方向设置的第一反射镜(13)，以及以第一反射镜(13)为参考点，顺时针依次设置的第二反射镜(14)、第三反射镜(15)，第一分束镜(12)反射光经该三个反射镜后入射至第二分束镜(20)；

所述成像系统(32)包括沿第二分束镜(20)反射光方向依次设置的偏振片(21)、第一成像物镜(22)、成像光阑(23)、第二成像物镜(24)、面阵探测器(25)。

3.根据权利要求2所述的动态相位变形干涉测量装置，其特征在于，所述第四反射镜(17)、第六反射镜(19)均与第二偏振分束镜(16)的反射面平行。

4.根据权利要求3所述的动态相位变形干涉测量装置，其特征在于，所述发散器(10)的焦点与被测件(11)的焦点重合。

5.根据权利要求4所述的动态相位变形干涉测量装置，其特征在于，所述偏振片(21)与光轴的夹角为45°。

6.根据权利要求5所述的动态相位变形干涉测量装置，其特征在于，所述第一成像物镜(22)和第二成像物镜(24)的焦点重合，并且第一成像物镜(22)的焦距为第二成像物镜(24)焦距的两倍。

7.根据权利要求6所述的动态相位变形干涉测量装置，其特征在于，所述面阵探测器(25)位于被测件(11)经发散器(10)、成像系统(32)所成像的位置。

8.一种动态相位变形干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、激光器(1)出射线偏振光，依次经1/2波片(2)、第一扩束镜(3)、扩束光阑(4)、第二扩束镜(5)后成为准直光束，之后经第一偏振分束镜(6)获得一对正交的偏振光：s波和p波；

步骤2、s波经第一1/4波片(7)、参考镜(8)后原路返回至第一偏振分束镜(6)并透射形成参考光；p波经第二1/4波片(9)、发散器(10)、被测件(11)后原路返回至第一偏振分束镜(6)并反射形成测试光；

步骤3、参考光和测试光经第一分束镜(12)均被分为两束光，其中一对参考光和测试光经第一反射镜(13)、第二反射镜(14)、第三反射镜(15)后入射至第二分束镜(20)；第一反射镜(13)、第二反射镜(14)、第三反射镜(15)形成测试环路；

另一对参考光和测试光入射至第二偏振分束镜(16)，其中参考光透射过第二偏振分束镜(16)并依次经第六反射镜(19)、第五反射镜(18)、第四反射镜(17)后返回至第二偏振分束镜(16)，之后透射过第二偏振分束镜(16)至第二分束镜(20)；测试光被第二偏振分束镜(16)反射并依次经第四反射镜(17)、第五反射镜(18)、第六反射镜(19)后返回至第二偏振分束镜(16)，之后被第二偏振分束镜(16)反射至第二分束镜(20)；第二偏振分束镜(16)、第四反射镜(17)、第五反射镜(18)、第六反射镜(19)形成载频环路；在此过程中，通过调节第五反射镜(18)对光束附加载频；

步骤4、第二分束镜(20)出射的两对参考光和测试光进入成像系统分别产生干涉，获得两组干涉图序列；

步骤5、根据步骤4获得的干涉图，解算被测件(11)的相位分布。

9.根据权利要求8所述的动态相位变形干涉测量方法，其特征在于，步骤5所述根据步骤4获得的干涉图，解算被测件(11)的相位分布，具体为：

测试环路产生的干涉图光强I_n(x,y)表达式为：

I_n(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y)+δ_n(x,y))

式中，I'(x,y)为背景光强，I”(x,y)和φ(x,y)分别为干涉调制幅度和待测件波前相位，δ_n(x,y)为变形相位；

步骤5-1、令K_n(x,y)＝φ(x,y)+δ_n(x,y)，并对载频环路光束产生的每一幅干涉图进行傅里叶变换，获得相应的相位分布K_n(x,y)；

步骤5-2、求取载频环路光束产生的每一幅干涉图的变形相位δ_n(x,y)：

δ_n(x,y)＝K_n(x,y)-K_n-1(x,y)

式中，K_n(x,y)为当前时刻相位，K_n-1(x,y)为前一时刻相位；

步骤5-3、结合I_n(x,y)和δ_n(x,y)，利用最小二乘法求解待测件波前相位φ(x,y)。