CN110823088B - 一种激光动态干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光干涉仪技术领域，提供了一种激光动态干涉仪，包括：激光器、用于将所述激光器发射的激光光束进行准直的准直结构、平面反射镜和平面反射镜、1/4波片和1/4波片、偏振分束镜等结构。其采用交叉可自由变向微偏振器阵列，用于产生同一时间的相移，并且采用了液晶相位延时器与传统干涉仪相组合的形式，配合不同的偏振器阵列可以得到不同的干涉相，从而在原有的激光干涉仪测量基础上实现切换测量。同时本发明采用偏振光干涉原理，将传统相移干涉仪的时间域相移转换为空间域相移，使得一个CCD帧频内就可实现全分辨的测量。本发明实现了传统干涉仪所不具有的快速测量，对震动不敏感，减少气流的影响等优点。

Description

一种激光动态干涉仪

技术领域

本发明涉及干涉仪技术领域，尤其涉及一种激光动态干涉仪。

背景技术

随着高精度精密光学仪器的快速发展和应用，对光学检测准确性要求越来越高，激光干涉仪是根据光的干涉原理制成的计量仪器，它是以光波作为测量尺度，将被测物理量转化为光程差，最终以干涉条纹反映被测信息。作为计量仪器，干涉仪具有高精度、高灵敏度和非接触式测量等优点。广泛应用于精密光学元件的参数测量。

传统的激光干涉仪主要有牛顿干涉仪、迈克尔逊干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等。传统的激光干涉仪在测量过程中，受气流、震动等环境因素影响较大，往往为保证其测量精度，需要重复多次测量以及对环境要求较高。

故有必要提出一种新的技术方案，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种激光动态干涉仪，以解决现有激光干涉仪测量过程受环境因素影响较大，难以保证每次的测量精度的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种激光动态干涉仪，所述激光动态干涉仪包括：

激光器，用于将所述激光器发射的激光光束进行准直的准直结构；

平面反射镜和平面反射镜、1/4波片和1/4波片、偏振分束镜；所述平面反射镜用于将经准直后的激光光束反射至偏振分束镜；所述平面反射镜、偏振分束镜、1/4波片(33)及平面反射镜依次设置在一条直线上；

还包括设置在偏振分束镜上方的聚焦透镜组、依次设置在偏振分束镜下方的光学系统、液晶相位延时器和接受器；

所述1/4波片设置在所述偏振分束镜和聚焦透镜组之间，测量时待测镜片至于聚焦透镜组上方；

所述激光光束经所述偏振分束镜后被分成S偏振光和P偏振光，所述S偏振光经1/4波片和聚焦透镜组后照射到所述待测镜上，并被反射回所述偏振分束镜，所述P偏振光照射到所述平面反射镜后被反射回所述偏振分束镜；

两束反射光束依次经光学系统后被液晶相位延时器接受，经调制后照射在接收器，以使接收器对待测镜片进行分析。

可选地，所述偏振分束镜为4D分束镜，包含多个偏振阵列，偏振分光棱镜可以把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。

可选地，还包括设置在偏振分束镜下方且处于同一直线上的光阑，用于对经所述偏振分束镜的所述两束反射光束进行滤光。

可选地，所述准直结构包括准直透镜组和准直透镜组。

可选地，所述液晶相位延时器中的CCD像元与所述偏振分束镜的偏振阵列的结构单元一一对应。

可选地，所述准直透镜组和准直透镜组的有效焦距为30mm。

可选地，所述激光器发射的激光光束波长可变，波长范围为512nm-632nm。

可选地，所述的液晶相位延时器(8)包含交叉可自由变向微偏振器阵列，用于产生统一时间的相移。

可选地，所述接收器(9)为高分辨率相机。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果：本申请提供的一激光动态干涉仪，采用交叉可自由变向微偏振器阵列，用于产生同一时间的相移，并且采用了液晶相位延时器与传统干涉仪相组合的形式，配合不同的偏振器阵列可以得到不同的干涉相，从而在原有的激光干涉仪测量基础上实现切换测量。同时本发明采用偏振光干涉原理，将传统相移干涉仪的时间域相移转换为空间域相移，使得一个CCD帧频内就可实现全分辨的测量。本发明实现了传统干涉仪所不具有的快速测量，对震动不敏感，减少气流的影响等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方法，下面将实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单介绍，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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光动态干涉仪的结构示意图；

图2为传统的定向微偏振阵列结构示意图；

图3为本发明提供的液晶可变偏振阵列器相位示意图；

图4为本发明提供的液晶可变偏振阵列器相位变换示意图；

图5为本发明提供的液晶可变偏振阵列器结构示意图；

图6为本发明提供的液晶可变偏振阵列器元件微结构剖面示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明提供的实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本发明。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法。

请参阅图1-图6，图1示出了本申请提供的激光动态干涉仪的结构示意图，包括激光器1，用于将所述激光器1发射的激光光束进行准直的准直结构2。

平面反射镜31和平面反射镜32、1/4波片33和1/4波片34、偏振分束镜4；所述平面反射镜31用于将经准直后的激光光束反射至偏振分束镜4；所述平面反射镜31、偏振分束镜4、1/4波片33及平面反射镜32依次设置在一条直线上。

还包括设置在偏振分束镜4上方的聚焦透镜组5、依次设置在偏振分束镜4下方的光学系统7、液晶相位延时器8和接受器9。

所述1/4波片34设置在所述偏振分束镜4和聚焦透镜组5之间，测量时待测镜片至于聚焦透镜组5上方。

所述激光光束经所述偏振分束镜4后被分成S偏振光和P偏振光，所述S偏振光经1/4波片34和聚焦透镜组5后照射到所述待测镜上，并被反射回所述偏振分束镜4，所述P偏振光照射到所述平面反射镜32后被反射回所述偏振分束镜4。

两束反射光束依次经光学系统7后被液晶相位延时器8接受，经调制后照射在接收器9，以使接收器9对待测镜片进行分析。

上述激光动态干涉仪中所述的液晶延时器8在接收器9的前方，上述接收器9可以是高分辨率相机。

还包括干涉仪组件，干涉组件中包括一个偏振分束镜4，两个四分之一波片33和四分之一波片34，两个平面反射镜31和32。两个平面反射镜分别位于偏振分束镜4的上方和下方，偏振分束镜4位于两个平面反射镜之间，三者在同一条直线上。

所述液晶相位延时器8位于干涉仪组件的后方，它的作用是利用可变的偏振阵列的单元结构与CCD像元一一对应相关，实现全分辨率的测量。聚焦透镜组5在准直结构与反射镜中间，三者在同一条直线上，用于将光束聚焦在探测面上。

从激光器发出的光经过准直透镜21和22聚焦准直以后。再经平面反射镜31反射传输到位于系统中央的偏振分束镜4进行分束，经过四分之一波片对光的偏振状态调节后进入所述干涉仪组件。在干涉仪组件中平行光先经过偏振分束镜分束成两束互相垂直的光，分别入射到被测镜面与平面反射镜上，再经平面反射镜反射与被测镜面反射后返回分束镜，合束成空间外差干涉光，空间外差光束出干涉仪组件后经过四分之一波片进行调制，而后又经过液晶可变相位器调节后进入高分辨率相机。

如图3-6所示，上述两束光发生干涉时的干涉场计算方式如下：

I(x，y)＝I₀+I′cos[φ(x，y)+φ(c)]

其中，φ(c)]可以通过人为改变干涉图的相位来获得，将参考表面由φ(x，y)连续移动π/2可得到如下公式：

I₁(x，y)＝I₀+I′cos[φ(x，y)]φ(c1)＝0(0°)

I₂(x，y)＝I₀-I′sin[φ(x，y)]φ(c2)＝π/2(90°)

I₃(x，y)＝I₀-I′cos[φ(x，y)]φ(c3)＝π(180°)

I₄(x，y)＝I₀+I′sin[φ(x，y)]φ(c4)＝3π/2(270°)

其中相位信息可以通过计算得到：

从而得出被测表面相对于参考表面的表面高度：

传统相移干涉仪使用PZT(压电陶瓷)在时间顺序上改变φ(c)]，这种时间域的相移干涉仪存在一个不可忽视的问题：完成计算所需的每一幅光强图在不同时间获得。通常CCD帧频为30帧/s，而为计算φ(c)]一般需要5到13帧干涉图，则总测量时间约为200至400ms。这就引入了一系列的误差。如在相移测量过程中由环境引起的光路中的任何变化(振动，空气扰动等)都会引起测量误差。

为解决这一问题需要在同一时间获得完成计算所需的所有相位图，这正是4D动态干涉仪所采用的技术方案(4D通过CCD的单次曝光而获得计算所需的所有相位图)。

本申请提供的激光动态干涉仪适合于恶劣环境下的测量：快速测量、对震动不敏感、减少气流影响。适合于大尺寸光学元件与系统、长光程测量不需要防震台、对光强要求较低、真空与环境仓内的测试。且可适合于高难度的测试：如，运动和共振检测、生产环境下检测、超快过程检测等。

实施例二：

下面通过另一实例对上述过程进行说明，本发明按图1所示的结构实施，其中，准直透镜4的有效焦距为30mm，Edmund Optics公司生产，型号为49662；分束镜501为Newport公司的20BC17MB.1型号产品。激光器的激发波长为可变波长，范围在512nm-632nm之间。液晶可变相位器的单元结构与CCD的像元一一对应相关，上述合在一起的不同偏振态的光经过液晶可变相位器的每个单元后会发生干涉，在不同像元的位置发生的干涉相位是不同的。任意临近一组相邻的4个像元都发生了具有固定相位差的干涉，对每一组像元进行相移干涉计算，从而实现了整个样品表面的形貌数据。由于像元的位相是周期变化的，则在计算时可以重复利用相邻像元，根据不同测试要求可以自由组合像元，从而实现了全分辨率的测量。

以上实施例仅用于对本发明进行说明，而非限定；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应该理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种激光动态干涉仪，其特征在于，所述激光动态干涉仪包括：

激光器(1)，用于将所述激光器(1)发射的激光光束进行准直的准直结构(2)；

平面反射镜(31)和平面反射镜(32)、1/4波片(33)和1/4波片(34)、偏振分束镜(4)；所述平面反射镜(31)用于将经准直后的激光光束反射至偏振分束镜(4)；所述平面反射镜(31)、偏振分束镜(4)、1/4波片(33)及平面反射镜(32)依次设置在一条直线上；

还包括设置在偏振分束镜(4)上方的聚焦透镜组(5)、依次设置在偏振分束镜(4)下方的光学系统(7)、液晶相位延时器(8)和接受器(9)；

所述1/4波片(34)设置在所述偏振分束镜(4)和聚焦透镜组(5)之间，测量时待测镜片至于聚焦透镜组(5)上方；

所述激光光束经所述偏振分束镜(4)后被分成S偏振光和P偏振光，所述S偏振光经1/4波片(34)和聚焦透镜组(5)后照射到所述待测镜上，并被反射回所述偏振分束镜(4)，所述P偏振光照射到所述平面反射镜(32)后被反射回所述偏振分束镜(4)；

两束反射光束依次经光学系统(7)后被液晶相位延时器(8)接受，经调制后照射在接收器(9)，以使接收器(9)对待测镜片进行分析；

所述偏振分束镜(4)为4D分束镜，包含多个偏振阵列；

所述液晶相位延时器(8)中的CCD像元与所述偏振分束镜(4)的偏振阵列的结构单元一一对应。

2.根据权利要求1所述的激光动态干涉仪，其特征在于，还包括设置在偏振分束镜(4)下方且处于同一直线上的光阑(61)和光阑(62)，用于对经所述偏振分束镜(4)的所述两束反射光束进行滤光。

3.根据权利要求1所述的激光动态干涉仪，其特征在于，所述准直结构(2)包括准直透镜组(21)和准直透镜组(22)。

4.根据权利要求3所述的激光动态干涉仪，其特征在于，所述准直透镜组(21)和准直透镜组(22)的有效焦距为30mm。

5.根据权利要求1所述的激光动态干涉仪，其特征在于，所述激光器(1)发射的激光光束波长可变，波长范围为512nm-632nm。

6.根据权利要求1所述的激光动态干涉仪，其特征在于，所述液晶相位延时器(8)包含交叉可自由变向微偏振器阵列，用于产生统一时间的相移。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的激光动态干涉仪，其特征在于，所述接收器(9)为高分辨率相机。

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