CN111929036A - 双斐索腔动态短相干干涉测量装置及方法 - Google Patents

双斐索腔动态短相干干涉测量装置及方法 Download PDF

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CN111929036A CN202010735522.1A CN202010735522A CN111929036A CN 111929036 A CN111929036 A CN 111929036A CN 202010735522 A CN202010735522 A CN 202010735522A CN 111929036 A CN111929036 A CN 111929036A
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Abstract

本发明公开了一种双斐索腔的动态短相干干涉测量装置及方法，该装置包括：用于产生两对正交偏振光的双斐索腔短相干照明系统，用于对正交偏振光扩束准直的扩束系统，用于构成s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的双斐索干涉腔，用于对反射光束准直缩束的准直系统，用于调节双斐索干涉腔反射光束中s波的传播方向的s波通道，用于调双斐索干涉腔反射光束中p波的传播方向的p波通道，用于分离s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的反射光束的分光系统，用于获取双斐索腔的干涉信息，并对待测面成像的成像系统。本发明能有效降低环境振动对波前测量的影响，且具有测量精度高、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

双斐索腔动态短相干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，特别涉及一种双斐索腔动态短相干干涉测量装置及方法。
背景技术
斐索干涉术因其共光路的结构特点，可以有效地抑制光学系统像差和回程误差对测量精度的影响，因此高精度面型测量和大口径干涉仪均以斐索型结构为主。常规斐索干涉仪大多采用相移干涉术(PSI)，但振动对PSI的测量精度影响较大，因此迫切需要在光学制造中实现动态斐索干涉测量，尤其是对大口径光学元件的检测。
常用的动态干涉仪主要基于偏振干涉法，4D公司利用像素化掩膜相移技术结合短相干偏振光干涉提出了一种动态斐索干涉方案并应用于FizCam系列产品中，该方案从光线追迹角度来看可认为是同轴的，但是由于参考光与测试光为正交的线偏振光，光学材料非均匀性以及双折射效应会令两支光束实际光程差存在差异，产生系统偏振像差，降低了相位测量精度。此外，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
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种能减小环境振动对斐索型光路中面形测量的影响，且具有测量精度高、成本较低等优点的双斐索腔动态短相干干涉测量装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：双斐索腔动态短相干干涉测量装置，所述装置包括：
双斐索腔短相干照明系统，用于产生两对正交偏振光，所述两对正交偏振光包括一对s波和一对p波，其中s波和p波的偏振方向正交；
扩束系统，用于对所述两对正交偏振光扩束准直；
双斐索干涉腔，用于构成s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔；
准直系统，用于对s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的反射光束准直缩束；
s波通道，用于调节双斐索干涉腔反射光束中s波的传播方向；
p波通道，用于调节双斐索干涉腔反射光束中p波的传播方向；
分光系统，用于分离s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的反射光束；
成像系统，用于获取双斐索干涉腔的干涉信息，并对待测面成像。
双斐索腔动态短相干干涉测量方法，包括以下步骤：
步骤1，短相干激光器出射线偏振光，依次经1/2波片、第一偏振分束镜后获得一对正交的偏振光：s波和p波；
步骤2，p波经第一分束镜分为两束光后分别经第一反射镜、第二反射镜反射回第一分束镜，之后经第一分束镜入射至第二偏振分束镜；s波经第二分束镜分为两束光后分别经第三反射镜、第四反射镜反射回第二分束镜，之后经第二分束镜入射至第二偏振分束镜与p波汇合，形成照明光束；
步骤3，照明光束经扩束系统扩束准直之后，经标准镜非参考面、标准镜参考面反射形成参考光；照明光束透过标准镜后经待测镜反射形成测试光；
步骤4，参考光和测试光经准直系统准直缩束后，被第三偏振分束镜分为p波光束群和s波光束群，其中p波光束群进入p波通道，s波光束群进入s波通道；
步骤5，轴向调节第一反射镜使得第一反射镜和第二反射镜的光程差与标准镜参考面和待测镜的光程差匹配；轴向调节第四反射镜使得第三反射镜和第四反射镜的光程差与标准镜非参考面和待测镜的光程差匹配；
步骤6，第四偏振分束镜出射的p波光束群和s波光束群进入成像系统分别产生干涉，且p波光束群、s波光束群分别产生一组干涉条纹；
步骤7，根据步骤6获得的干涉图，解算待测镜的相位分布。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)以斐索型干涉测试光路为基础，利用标准的非参考面和参考面同时与待测镜发生干涉，构造出并行的双斐索腔，同时实现在环境振动中两光路相位同步变化，能有效的消去振动对被测镜面形测量的影响；2)利用局部上采样峰值提取算法精准的定位出载频干涉图的峰值信息，可得到准确的倾斜相位，实现了光学元件面形动态干涉测量；3)本装置系统测量精度高，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为一个实施例中双斐索腔动态短相干干涉测量装置光路结构示意图。
图2为一个实施例中探测器接收到的干涉条纹图。
图3为一个实施例中无振动时利用四步移相提取的待测镜相位分布图。
图4为一个实施例中振动环境中利用本发明方案解算的待测镜相位分布图。
图5为一个实施例中本发明方案与四步移相法的残余误差图。
图6为一个实施例中振动环境下利用四步移相法提取的待测镜相位分布图。
图7为一个实施例中面阵探测采集到干涉条纹图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种双斐索腔动态短相干干涉测量装置，所述装置包括：
双斐索腔短相干照明系统27，用于产生两对正交偏振光，所述两对正交偏振光包括一对s波和一对p波，其中s波和p波的偏振方向正交；
扩束系统28，用于对所述两对正交偏振光扩束准直；
双斐索干涉腔29，用于构成s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔；
准直系统30，用于对s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的反射光束准直缩束；
s波通道31，用于调节双斐索干涉腔反射光束中s波的传播方向；
p波通道32，用于调节双斐索干涉腔反射光束中p波的传播方向；
分光系统33，用于分离s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的反射光束；
成像系统34，用于获取双斐索干涉腔的干涉信息，并对待测面成像。
进一步地，在其中一个实施例中，所述双斐索腔短相干照明系统27包括沿光路依次同轴设置的短相干激光器1、1/2波片2、第一偏振分束镜3、第一分束镜4和第二反射镜6，沿第一偏振分束镜3反射光方向依次同轴设置的第二分束镜7、第四反射镜9，所述第一分束镜4位于第一偏振分束镜3的透射光方向；还包括沿第一分束镜4反射光方向设置的第一反射镜5，与第一反射镜5、第一分束镜4同轴且相对该第一反射镜5位于第一分束镜4另一侧的第二偏振分束镜10，沿第二分束镜7反射光方向设置的第三反射镜8，所述第二偏振分束镜10与第三反射镜8、第二分束镜7同轴且相对第三反射镜8位于第二分束镜7的另一侧；
所述扩束系统28包括沿第二偏振分束镜10反射光方向依次设置的第一扩束镜11、扩束光阑12、第三分束镜13和第二扩束镜14；所述第二扩束镜14沿第三分束镜13的透射光方向设置；
所述双斐索干涉腔29包括沿第二扩束镜14出射光方向依次设置的标准镜15和待测镜18，其中标准镜靠近第二扩束镜14的一面作为标准镜非参考面16，另一面作为标准镜参考面17；
所述准直系统30包括所述第三分束镜13和第二扩束镜14，以及沿第三分束镜13反射光方向设置的准直镜19；
所述p波通道31包括沿准直镜19出射光方向设置的第三偏振分束镜20，沿第三偏振分束镜20透射光方向设置的第五反射镜21，沿第五反射镜21反射光方向设置的第四偏振分束镜23；
所述s波通道32包括所述第三偏振分束镜20，以及沿第三偏振分束镜20反射光方向设置的第六反射镜22，沿第六反射镜22反射光方向设置的所述第四偏振分束镜23；
所述分光系统33包括所述第三偏振分束镜20和第四偏振分束镜23；
所述成像系统33包括沿第四偏振分束镜23反射光方向依次同轴设置的第一成像物镜24、第二成像物镜25和面阵探测器26。这里，面阵探测器26位于经第二扩束镜14、准直镜19、第一成像物镜24、第二成像物镜25后的成像面上。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一反射镜5和第四反射镜9的位置可调，均可沿轴向移动。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一扩束镜11和第二扩束镜14的焦点重合，所述扩束光阑12位于该焦点位置。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述标准镜非参考面16与标准镜参考面17之间存在夹角，该夹角为锐角，且该夹角能保证标准镜非参考面16的反射光能够进入准直系统30中，并令s波斐索干涉腔中的干涉图附加空间线性载频。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述准直镜19和第二扩束镜14的焦点重合。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一成像物镜24和第二成像物镜25的焦点重合。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一成像物镜24的焦距为第二成像物镜25焦距的两倍。
在一个实施例中，提供了一种双斐索腔动态短相干干涉测量方法，包括以下步骤：
步骤1，短相干激光器1出射线偏振光，依次经1/2波片2、第一偏振分束镜3后获得一对正交的偏振光：s波和p波；
步骤2，p波经第一分束镜4分为两束光后分别经第一反射镜5、第二反射镜6反射回第一分束镜4，之后经第一分束镜4入射至第二偏振分束镜10；s波经第二分束镜7分为两束光后分别经第三反射镜8、第四反射镜9反射回第二分束镜7，之后经第二分束镜7入射至第二偏振分束镜10与p波汇合，形成照明光束；
步骤3，照明光束经扩束系统扩束准直之后，经标准镜非参考面16、标准镜参考面17反射形成参考光；照明光束透过标准镜15后经待测镜18反射形成测试光；
步骤4，参考光和测试光经准直系统准直缩束后，被第三偏振分束镜20分为p波光束群和s波光束群，其中p波光束群进入p波通道，s波光束群进入s波通道；
步骤5，轴向调节第一反射镜5使得第一反射镜5和第二反射镜6的光程差与标准镜参考面17和待测镜18的光程差匹配；轴向调节第四反射镜9使得第三反射镜8和第四反射镜9的光程差与标准镜非参考面16和待测镜18的光程差匹配；
这里，由于标准镜非参考面16和标准镜参考面17之间存在夹角，因此标准镜非参考面16和待测镜18的反射光束之间存在波前倾斜；
步骤6，第四偏振分束镜23出射的p波光束群和s波光束群进入成像系统分别产生干涉，且p波光束群、s波光束群分别产生一组干涉条纹；
这里，由于第一反射镜5和第二反射镜6的光程差与标准镜参考面17和待测镜18的光程差匹配，p波光束群只会产生一组干涉条纹；第四反射镜9使得第三反射镜8和第四反射镜9的光程差与标准镜非参考面16和待测镜18的光程差匹配，s波光束群也只产生一组干涉条纹；
步骤7，根据步骤6获得的干涉图(如图2所示)，解算待测镜18的相位分布。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤7所述根据步骤6获得的干涉图，解算待测镜18的相位分布，具体为：
双斐索干涉腔的第n幅干涉图可表示为：
Figure BDA0002604896060000051
式中，Ip n(x,y)、Is n(x,y)分别为p波斐索腔和s波斐索腔的第n幅干涉图，ap(x,y)、bp(x,y)和as(x,y)、bs(x,y)分别为p波斐索腔和s波斐索腔的背景光强和干涉调制度，φ(x,y)为待测相位；ε(x,y)为s波斐索腔中载频相位，δn(x,y)为相对倾斜相位，δn(x,y)＝αnx+βny+γn，其中αn为x方向倾斜系数，βn为y方向倾斜系数，γn为平移系数；
步骤6-1、对每幅s波斐索腔的载频干涉图进行峰值提取，获得x方向载频系数cxn、y方向载频系数cyn和辐角cn；
步骤6-2、求取s波斐索腔中每幅干涉图的倾斜系数：
αn＝cxn-cx1,βn＝cyn-cy1,γn＝cn-c1
式中，cx1、cy1和c1分别为s波斐索腔第一张载频干涉图的x方向载频系数、y方向载频系数和辐角；
根据所述倾斜系数获得相对倾斜相位δn(x,y)；
步骤6-3、结合相对倾斜相位δn(x,y)和Ip n(x,y)，利用最小二乘法求解待测相位φ(x,y)即待测镜18的波前相位。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明双斐索腔动态短相干干涉测量装置及方法进行进一步验证说明。
本实施例中，采用的短相干激光器的波长为633nm，相干长度约为1mm，待测镜为口径1in、反射率约为6％的平面镜。参考镜为口径1in的楔形平板。第一、第二扩束镜的焦距分别为75mm、200mm。准直镜、第一成像物镜、第二成像物镜焦距分别为100mm、100mm和50mm。面阵探测器(Grasshopper3，GSF-U3-23S6M)的采样像素为1920×1200，像素大小为6.5μm。
为了验证双斐索腔动态短相干干涉术的鲁棒性，进行了对比试验。对比试验是将光路中第一反射镜安装在移相器(PI,P-621.1CD)上，在无振动环境下使用移相器轴向移动第一反射镜，利用四步移相法解算出待测镜波前相位。
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0.177λ和0.032λ，利用本发明的双斐索腔动态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0.173λ和0.031λ，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，PV和RMS分别为0.047λ和0.006λ，可以发现结果与对比实验结果十分一致。图6为振动环境下利用四步移相法的测量结果，可以发现相位解算出现了明显的错误。上述实验可以证明本发明方案在振动环境下可以有效实现光学面形的高精度测量。此外，由于在求解倾斜相位时，是利用s波干涉腔的相对相位变化量，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。
本发明利用双斐索腔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p波干涉腔干涉图解算出待测件波前相位，能够有效解决环境振动对干涉测量的影响，具有测量精度高、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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种双斐索腔动态短相干干涉测量装置，其特征在于，所述装置包括：
双斐索腔短相干照明系统(27)，用于产生两对正交偏振光，所述两对正交偏振光包括一对s波和一对p波，其中s波和p波的偏振方向正交；
扩束系统(28)，用于对所述两对正交偏振光扩束准直；
双斐索干涉腔(29)，用于构成s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔；
准直系统(30)，用于对s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的反射光束准直缩束；
s波通道(31)，用于调节双斐索干涉腔反射光束中s波的传播方向；
p波通道(32)，用于调节双斐索干涉腔反射光束中p波的传播方向；
分光系统(33)，用于分离s波斐索干涉腔和p波斐索干涉腔的反射光束；
成像系统(34)，用于获取双斐索干涉腔的干涉信息，并对待测面成像。
2.根据权利要求1所述的双斐索腔动态短相干干涉测量装置，其特征在于，所述双斐索腔短相干照明系统(27)包括沿光路依次同轴设置的短相干激光器(1)、1/2波片(2)、第一偏振分束镜(3)、第一分束镜(4)和第二反射镜(6)，沿第一偏振分束镜(3)反射光方向依次同轴设置的第二分束镜(7)、第四反射镜(9)，所述第一分束镜(4)位于第一偏振分束镜(3)的透射光方向；还包括沿第一分束镜(4)反射光方向设置的第一反射镜(5)，与第一反射镜(5)、第一分束镜(4)同轴且相对该第一反射镜(5)位于第一分束镜(4)另一侧的第二偏振分束镜(10)，沿第二分束镜(7)反射光方向设置的第三反射镜(8)，所述第二偏振分束镜(10)与第三反射镜(8)、第二分束镜(7)同轴且相对第三反射镜(8)位于第二分束镜(7)的另一侧；
所述扩束系统(28)包括沿第二偏振分束镜(10)反射光方向依次设置的第一扩束镜(11)、扩束光阑(12)、第三分束镜(13)和第二扩束镜(14)；所述第二扩束镜(14)沿第三分束镜(13)的透射光方向设置；
所述双斐索干涉腔(29)包括沿第二扩束镜(14)出射光方向依次设置的标准镜(15)和待测镜(18)，其中标准镜靠近第二扩束镜(14)的一面作为标准镜非参考面(16)，另一面作为标准镜参考面(17)；
所述准直系统(30)包括所述第三分束镜(13)和第二扩束镜(14)，以及沿第三分束镜(13)反射光方向设置的准直镜(19)；
所述p波通道(31)包括沿准直镜(19)出射光方向设置的第三偏振分束镜(20)，沿第三偏振分束镜(20)透射光方向设置的第五反射镜(21)，沿第五反射镜(21)反射光方向设置的第四偏振分束镜(23)；
所述s波通道(32)包括所述第三偏振分束镜(20)，以及沿第三偏振分束镜(20)反射光方向设置的第六反射镜(22)，沿第六反射镜(22)反射光方向设置的所述第四偏振分束镜(23)；
所述分光系统(33)包括所述第三偏振分束镜(20)和第四偏振分束镜(23)；
所述成像系统(33)包括沿第四偏振分束镜(23)反射光方向依次同轴设置的第一成像物镜(24)、第二成像物镜(25)和面阵探测器(26)。
3.根据权利要求2所述的双斐索腔动态短相干干涉测量装置，其特征在于，所述第一反射镜(5)和第四反射镜(9)的位置可调，均可沿轴向移动。
4.根据权利要求2所述的双斐索腔动态干涉测量装置，其特征在于，所述第一扩束镜(11)和第二扩束镜(14)的焦点重合，所述扩束光阑(12)位于该焦点位置。
5.根据权利要求2所述的双斐索腔动态干涉测量装置，其特征在于，所述标准镜非参考面(16)与标准镜参考面(17)之间存在夹角，该夹角为锐角，且该夹角能保证标准镜非参考面(16)的反射光能够进入准直系统(30)中，并令s波斐索干涉腔中的干涉图附加空间线性载频。
6.根据权利要求2所述的双斐索腔动态干涉测量装置，其特征在于，所述准直镜(19)和第二扩束镜(14)的焦点重合。
7.根据权利要求2所述的双斐索腔动态干涉测量装置，其特征在于，所述第一成像物镜(24)和第二成像物镜(25)的焦点重合。
8.根据权利要求2所述的双斐索腔动态干涉测量装置，其特征在于，所述第一成像物镜(24)的焦距为第二成像物镜(25)焦距的两倍。
9.一种双斐索腔动态短相干干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，短相干激光器(1)出射线偏振光，依次经1/2波片(2)、第一偏振分束镜(3)后获得一对正交的偏振光：s波和p波；
步骤2，p波经第一分束镜(4)分为两束光后分别经第一反射镜(5)、第二反射镜(6)反射回第一分束镜(4)，之后经第一分束镜(4)入射至第二偏振分束镜(10)；s波经第二分束镜(7)分为两束光后分别经第三反射镜(8)、第四反射镜(9)反射回第二分束镜(7)，之后经第二分束镜(7)入射至第二偏振分束镜(10)与p波汇合，形成照明光束；
步骤3，照明光束经扩束系统扩束准直之后，经标准镜非参考面(16)、标准镜参考面(17)反射形成参考光；照明光束透过标准镜(15)后经待测镜(18)反射形成测试光；
步骤4，参考光和测试光经准直系统准直缩束后，被第三偏振分束镜(20)分为p波光束群和s波光束群，其中p波光束群进入p波通道，s波光束群进入s波通道；
步骤5，轴向调节第一反射镜(5)使得第一反射镜(5)和第二反射镜(6)的光程差与标准镜参考面(17)和待测镜(18)的光程差匹配；轴向调节第四反射镜(9)使得第三反射镜(8)和第四反射镜(9)的光程差与标准镜非参考面(16)和待测镜(18)的光程差匹配；
步骤6，第四偏振分束镜(23)出射的p波光束群和s波光束群进入成像系统分别产生干涉，且p波光束群、s波光束群分别产生一组干涉条纹；
步骤7，根据步骤6获得的干涉图，解算待测镜(18)的相位分布。
10.根据权利要求9所述的动态短相干测量方法，其特征在于，步骤7所述根据步骤6获得的干涉图，解算待测镜(18)的相位分布，具体为：
双斐索干涉腔的第n幅干涉图可表示为：
Figure FDA0002604896050000031
式中，Ip n(x,y)、Is n(x,y)分别为p波斐索腔和s波斐索腔的第n幅干涉图，ap(x,y)、bp(x,y)和as(x,y)、bs(x,y)分别为p波斐索腔和s波斐索腔的背景光强和干涉调制度，φ(x,y)为待测相位；ε(x,y)为s波斐索腔中载频相位，δn(x,y)为相对倾斜相位，δn(x,y)＝αnx+βny+γn，其中αn为x方向倾斜系数，βn为y方向倾斜系数，γn为平移系数；
步骤6-1、对每幅s波斐索腔的载频干涉图进行峰值提取，获得x方向载频系数cxn、y方向载频系数cyn和辐角cn；
步骤6-2、求取s波斐索腔中每幅干涉图的倾斜系数：
αn＝cxn-cx1,βn＝cyn-cy1,γn＝cn-c1
式中，cx1、cy1和c1分别为s波斐索腔第一张载频干涉图的x方向载频系数、y方向载频系数和辐角；
根据所述倾斜系数获得相对倾斜相位δn(x,y)；
步骤6-3、结合相对倾斜相位δn(x,y)和Ip n(x,y)，利用最小二乘法求解待测相位φ(x,y)即待测镜(18)的波前相位。
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