CN110806184B - 一种双测量模式干涉装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双测量模式干涉装置及其测量方法，包括：光源，能够产生至少两种指定波长的初始光；公共光路模块，接收初始光，并将初始光分为参考光和检测光；检测光路模块，接收检测光并透过显微物镜出射到待测元件；参考光路模块，接收参考光并在内部反射；接收光路模块，接收公共光路模块中的光的干涉条纹信息；计算单元，分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布；其中参考光路模块包括参考反射镜，在光源产生一种波长的初始光时参考光路模块直接返回参考光，光源产生另一种波长的初始光时参考光路模块内经参考反射镜后再返回。本发明光路精简，结构紧凑，测量快速。

Description

一种双测量模式干涉装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种双测量模式干涉装置及其测量方法。
背景技术
随着现代工业的发展，人们对于各种光学元件的面形精度要求越来越高，在对于光学元件的面形检测中，光学干涉仪由于具有高精度和非接触式全场测量的特点被广泛的使用，而在元件的加工阶段时往往需要测得元件在不同空间频率范围内的面形信息，通常可使用激光干涉仪和干渉显微镜两种测量模式来分别进行低频宏观面形检测以及中高频微观轮廓测量，但由于现有商业干涉仪自身因素，只能将光学元件分别置于两种不同功能干涉仪器下进行离线检测，这对加工阶段的元件的装卸精度提出了很高的要求，且整个测量过程耗时，效率低，测量误差也较大。为满足元件加工阶段的实时在线检测需求，学者们提出了多种方法和装置，但都只能满足一种测量模式，无法同时实现两种测量模式。
如公开(公告)号：CN104567719A的发明公开了一种高空间分辨长程面形检测装置及检测方法。包括一扫描光学头，所述扫描光学头包括小孔阵列板、分束镜、透镜阵列、阵列探测器；其中，所述小孔阵列板将输入的平行光束分为若干平行的细光束后入射到所述分束镜；所述分束镜将每一束所述细光束透射输入到所述透镜阵列，所述透镜阵列中的透镜单元分别将对应的所述细光束聚焦到待测物体表面，经所述待测物体表面反射的光束依次经所述透镜阵列、所述分束镜入射到所述阵列探测器。
美国亚利桑那大学现已开发了一种双测量模式干涉系统，但在该系统中由于只是将两种测量模式的简单集成，所以光路复杂，且对两种测量模式的转换时需要对系统中的元件进行更换和装卸，使得测量过程较为耗时，系统抗干扰能力不强，难以满足实时快速测量。
发明内容
针对现有技术对两种测量模式的转换费时费力的问题，本发明公开了一种双测量模式干涉装置及其测量方法，光路精简，结构紧凑，抗干扰能力强，测量过程实时简便，较好的满足了实时快速测量。
以下是本发明的技术方案。
一种双测量模式干涉装置，包括：光源，能够产生至少两种指定波长的初始光；公共光路模块，接收初始光，并将初始光分为参考光s和检测光p；检测光路模块，接收检测光p并透过显微物镜出射到待测元件，返回检测光p’至公共光路模块；参考光路模块，接收参考光s并在内部反射，返回参考光s或参考光s’至公共光路模块；接收光路模块，接收公共光路模块中的检测光p’以及参考光路模块返回的光的干涉条纹信息；计算单元，分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布；其中参考光路模块包括参考反射镜，在光源产生一种波长的初始光时参考光路模块直接返回参考光s，光源产生另一种波长的初始光时参考光路模块内经参考反射镜后返回参考光s’。
同一光路中使用不同波长的初始光，使得参考光路模块返回的光不同，最终使入射至接收光路模块的光不同，以实现单波长激光干涉测量或干涉显微测量的双测量模式。即在不改变光路物理结构的情况下，通过选择不同波长的光改变实际光路，就可以实现测量模式的改变。
作为优选，所述公共光路模块包括单模光纤、光纤准直器、偏振片、折光反射镜、分光棱镜及偏振分光棱镜，所述单模光纤连接光源，单模光纤将初始光射入至光纤准直器的入射端，偏振片设置在光纤准直器的出射方向，折光反射镜设置在偏振片的出射方向，分光棱镜设置在折光反射镜的出射方向，偏振分光棱镜设置在分光棱镜的第一出射方向，接收光路模块设置在分光棱镜的第二出射方向，检测光路模块设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，参考光路模块设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，其中出射方向为光的传播方向，出射方向同样可以作为入射方向。
光本身的传播方向决定了光学器件的出射方向和入射方向，因此上述表述仅用于代表各光学器件的位置关系，最终的出射或入射取决于光的传播情况。公共光路模块中通过分光棱镜及偏振分光棱镜将初始光分成多束光，用于射入不同的光路模块，完成对应的测量、参考或接收。
作为优选，所述检测光路模块包括滤光片F1以及显微物镜Ⅰ，滤光片F1设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，显微物镜Ⅰ设置在滤光片F1和待测元件之间。
作为优选，所述参考光路模块还包括滤光片F2以及显微物镜Ⅱ，滤光片F2设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，显微物镜Ⅱ设置在滤光片F2和参考反射镜之间，其中滤光片F2的反射波段包含一种初始光的波长，滤光片F2的透射波段包含另一种初始光的波长。
作为优选，所述接收光路模块包括四分之一波片、成像透镜以及偏振相机，所述四分之一波片设置在分光棱镜的第二出射方向，成像透镜设置在四分之一波片与偏振相机之间。四分之一波片，其快轴方向与X轴呈45°夹角，检测光p偏振光与参考光s偏振光经过四分之一波片变为两个旋向相反的圆偏振光，从而能满足偏振相机中的偏振移相干涉要求。
作为优选，所述初始光至少包括两种，其中一种初始光的波长λ1＝632.8nm；另一种初始光的波长λ2＝470nm。例如光源可分别发出波长为632.8nm的激光光束和中心波长为470nm的LED光束。
作为优选，所述的滤光片F1，其截止波长为350nm，反射波段：200-340nm，透射波段：358-1600nm；所述的滤光片F2，其截止波长为500nm，反射波段：512-715nm，透射波段：300-490nm。滤光片F1对于光源发出的两种波长的光束均为透射；所述滤光片F2对于波长为632.8nm的激光光束为反射，对于波长为470nm的光束为透射，即在同一光路下使用波长为632.8nm的激光光束实现单波长激光干涉测量，使用波长为470nm的光束实现LED干涉显微测量的双测量模式。利用滤光片对不同波长光束的不同透射或反射效果在单一光路中实现双测量模式。
本装置的偏振相机可在单次采图中得到四通道相位差为π/2的移相条纹信息，使系统省去常规移相装置；且经过分光棱镜和偏振分光棱镜后得到的透射偏振光和反射偏振光直接作为检测光和参考光，检测光照射被测元件，参考光照射参考反射镜或被滤光片F2反射，随后两者沿原路返回，光路精简，抗干扰能力强，结构也更为紧凑。
本技术方案还包括一种双测量模式干涉装置的测量方法，用于上述的双测量模式干涉装置，包括以下步骤：选择光源的一种初始光入射至公共光路模块，并传播至检测光路模块及参考光路模块，检测光路模块及参考光路模块返回对应的光信号至公共光路模块，接收光路模块接收来自公共光路模块的光信号，计算单元分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布。
作为优选，光在各个光路模块中传播的过程为：光源发出的初始光耦合进入单模光纤，且由光纤准直器准直，经过偏振片得到某一方向的线偏振光，使用折光反射镜对光路进行90°转折，再通过分光棱镜进入偏振分光棱镜，将光束分为透射光和反射光，透射光和反射光分别作为检测光p和参考光s，检测光p经过所述的滤光片F1和显微物镜Ⅰ后入射待测元件反射回来为检测光p’，并原路返回至分光棱镜，参考光s射向滤光片F2，透射向参考反射镜再反射为参考光s’或被滤光片F2直接反射回偏振分光棱镜，参考光s’或参考光s其中之一与反射光p’分别再次经过偏振分光棱镜的反射和透射会合，原路返回至分光棱镜，经反射后射入快轴方向与X轴成45°夹角的四分之一波片，变成两个旋向相反的圆偏振光，经过成像透镜最后在偏振相机上获得干涉条纹。
作为优选，计算单元的计算过程包括：利用偏振相机单次采集得到四通道相位差为π/2的移相干涉图，设四幅相位差为π/2的干涉图强度分布分别为Ij(j＝1,…,4)，可得对应的待测波前光程差为：
Figure BDA0002204881260000041
其中λ为光波长，即采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布实现瞬态检测。
与现有技术相比，本发发明的有益效果是：采用滤光片对不同波长光束具有不同的反射或透射功能，配合光源发出不同的光束实现可在单一系统光路基础上实现宏观面形检测和干涉显微测量双测量模式，采用偏振相机中0°、45°、90°、和135°的四个相邻的微偏振片阵列对各个通道的干涉图实现步长为π/2的四步移相，省去常规移相装置，且单次采图即可得到四个通道分别对应的四副移相干涉图，实现瞬态测量，系统元件、光路简洁，测量过程方便快速，装置结构紧凑，抗干扰能力强。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为宏观面形测量时偏振相机采集到的干涉图；
图3为面形粗糙度测量时偏振相机采集到的干涉图；
图中：1-光源、2-单模光纤、3-光纤准直器、4-偏振片、5-折光反射镜、6-分光棱镜、7-四分之一波片、8-成像透镜、9-偏振相机、10-偏振分光棱镜、11-滤光片F2、12-显微物镜Ⅱ、13-参考反射镜、14-滤光片F1、15-显微物镜Ⅰ、16-待测元件。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例：
如图1所示是一种双测量模式干涉装置，它包括光源1、单模光纤2、光纤准直器3、偏振片4、折光反射镜5、分光棱镜6、四分之一波片7、成像透镜8、偏振相机9、偏振分光棱镜10、滤光片F2 11、显微物镜Ⅱ12、参考反射镜13、滤光片F1 14、显微物镜Ⅰ15及待测元件16，光源模块1与单模光纤2直接相连，单模光纤2接入光纤准直器3，设置在光纤准直器3下方的有偏振片4、折光反射镜5，依次设置在折光反射镜5左边的有分光棱镜6、偏振分光棱镜10、滤光片F1 14、显微物镜Ⅰ15及待测元件16，设置在分光棱镜6上方的有四分之一波片7、成像透镜8、偏振相机9以及设置在偏正分光棱镜上方的滤光片F2 11、显微物镜Ⅱ12及参考反射镜13。
上述装置的测量方法为：所述的光源模块可自由切换开启两种波长的光束，其中：λ1＝632.8nm；λ2＝470nm。耦合进入单模光纤，且由光纤准直器准直，经过偏振片得到某一方向的线偏振光，使用折光反射镜对光路进行90°转折，再通过分光棱镜进入偏振分光棱镜，将光束分为透射光和反射光，透射光和反射光分别作为检测光p和参考光s，检测光p经过所述的滤光片F1，滤光片F1对于激光器发出的三种波长光束均为透射，随后检测光p继续通过显微物镜Ⅰ后入射待测元件反射回来为检测光p’，并沿原路返回，参考光s射向滤光片F2，滤光片F2反射波长为λ1的光束，将其反射回原路，透射波长为λ2的光束，透射后的光束射向参考反射镜再反射回原路，为参考光s’，参考光s’和检测光p’分别再次经过偏振分光棱镜的反射和透射会合，原路返回，被分光棱镜反射后射入快轴方向与X轴成45°夹角的四分之一波片，变成两个旋向相反的圆偏振光，经过所述的成像透镜，最后在所述的偏振相机上获得干涉条纹；利用偏振相机单次采集得到四通道相位差为π/2的移相干涉图，激光干涉仪和干渉显微镜两种模式下采集的干涉图结果分别如图2和图3所示，设四幅相位差为π/2的干涉图强度分布分别为Ij(j＝1,…,4)，可得对应的待测波前光程差为：
Figure BDA0002204881260000051
其中λ为光波长，即最后通过四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布实现瞬态检测。
通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种双测量模式干涉装置，其特征在于，包括：
光源，能够产生至少两种指定波长的初始光；
公共光路模块，接收初始光，并将初始光分为参考光s和检测光p；
检测光路模块，接收检测光p并透过显微物镜出射到待测元件，返回检测光p’至公共光路模块；
参考光路模块，接收参考光s并在内部反射，返回参考光s或参考光s’至公共光路模块；
接收光路模块，接收公共光路模块中的检测光p’以及参考光路模块返回的光的干涉条纹信息；
计算单元，分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布；
其中参考光路模块包括参考反射镜，在光源产生一种波长的初始光时参考光路模块直接返回参考光s，光源产生另一种波长的初始光时参考光路模块内经参考反射镜后返回参考光s’；所述公共光路模块包括单模光纤、光纤准直器、偏振片、折光反射镜、分光棱镜及偏振分光棱镜，所述单模光纤连接光源，单模光纤将初始光射入至光纤准直器的入射端，偏振片设置在光纤准直器的出射方向，折光反射镜设置在偏振片的出射方向，分光棱镜设置在折光反射镜的出射方向，偏振分光棱镜设置在分光棱镜的第一出射方向，接收光路模块设置在分光棱镜的第二出射方向，检测光路模块设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，参考光路模块设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，其中出射方向为光的传播方向，出射方向同样可以作为入射方向；
所述检测光路模块包括滤光片F1以及显微物镜Ⅰ，滤光片F1设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，显微物镜Ⅰ设置在滤光片F1和待测元件之间。
2.根据权利要求1所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述参考光路模块还包括滤光片F2以及显微物镜Ⅱ，滤光片F2设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，显微物镜Ⅱ设置在滤光片F2和参考反射镜之间，其中滤光片F2的反射波段包含一种初始光的波长，滤光片F2的透射波段包含另一种初始光的波长。
3.根据权利要求1或2所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述接收光路模块包括四分之一波片、成像透镜以及偏振相机，所述四分之一波片设置在分光棱镜的第二出射方向，成像透镜设置在四分之一波片与偏振相机之间，其中四分之一波片的快轴方向与X轴呈45°夹角。
4.根据权利要求2所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述初始光至少包括两种，其中一种初始光的波长λ1＝632.8nm；另一种初始光的波长λ2＝470nm。
5.根据权利要求4所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述的滤光片F1，其截止波长为350nm，反射波段：200-340nm，透射波段：358-1600nm；所述的滤光片F2，其截止波长为500nm，反射波段：512-715nm，透射波段：300-490nm。
6.一种双测量模式干涉装置的测量方法，用于权利要求1-5中任意一项所述的双测量模式干涉装置，其特征在于，包括以下步骤：选择光源的一种初始光入射至公共光路模块，并传播至检测光路模块及参考光路模块，检测光路模块及参考光路模块返回对应的光信号至公共光路模块，接收光路模块接收来自公共光路模块的光信号，计算单元分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布。
7.根据权利要求6所述的一种双测量模式干涉装置的测量方法，其特征在于，光在各个光路模块中传播的过程为：光源发出的初始光耦合进入单模光纤，且由光纤准直器准直，经过偏振片得到某一方向的线偏振光，使用折光反射镜对光路进行90°转折，再通过分光棱镜进入偏振分光棱镜，将光束分为透射光和反射光，透射光和反射光分别作为检测光p和参考光s，检测光p经过所述的滤光片F1和显微物镜Ⅰ后入射待测元件反射回来为检测光p’，并原路返回至分光棱镜，参考光s射向滤光片F2，透射向参考反射镜再反射为参考光s’或被滤光片F2直接反射回偏振分光棱镜，参考光s’或参考光s其中之一与反射光p’分别再次经过偏振分光棱镜的反射和透射会合，原路返回至分光棱镜，经反射后射入快轴方向与X轴成45°夹角的四分之一波片，变成两个旋向相反的圆偏振光，经过成像透镜最后在偏振相机上获得干涉条纹。
8.根据权利要求6或7所述的一种双测量模式干涉装置的测量方法，其特征在于，计算单元的计算过程包括：利用偏振相机单次采集得到四通道相位差为π/2的移相干涉图，设四幅相位差为π/2的干涉图强度分布分别为Ij(j＝1,…,4)，可得对应的待测波前光程差为：
Figure FDA0002898086590000021
其中λ为光波长，即采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布实现瞬态检测。
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