CN112902833B - 抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪 - Google Patents

Abstract

抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，涉及光学检测空间物体表面三维信息的技术领域。本发明解决了时域移相式斐索干涉仪受环境振动等随机误差源影响严重的问题。本发明包括短相干激光器、第一λ/2波片、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、移相器、第二角锥棱镜、延迟平台、显微物镜、微小针孔、分光平片、第一准直镜、标准参考镜、第二准直镜、第一分光棱镜、4f系统、第三角锥棱镜、第四角锥棱镜、第二λ/2波片、分光棱镜组、波片组、检偏器和面阵相机；采用短相干光路结构结合时空混合移相方式，充分发挥时域移相和空域移相的优势，大幅度提高其在振动环境下的检测性能。本发明的主要用于采集被测样品的干涉图样。

Description

抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪

技术领域

本发明涉及光学检测空间物体表面三维信息的技术领域。

背景技术

斐索干涉仪是工业生产和计量领域应用广泛的一类高精度光学检测仪器，具有精度高、稳定性好、检测口径大等特点。由于斐索干涉仪采用部分共路结构，测量路和参考路之间只有参考镜到被测样品之间一小段光路为非共路，因此，对于温度、压强变化等因素引入的测量误差具有更好的抑制能力。目前，商品化斐索干涉仪普遍采用时域移相方式提取相位信息，通过大负载压电陶瓷运动机构带动参考镜移动实现移相。当存在振动，被测样品沿光轴方向无规则运动时，将引入加大的随机移相误差。针对该问题，同时考虑到设备成本，目前多采用气浮平台隔振结合快速移相技术抑制振动误差，即通过气浮平台阻隔高频振动，通过移相器快速移相、干涉图快速采集抑制低频振动的影响。该方法不但对器件的性能提出了更高的要求，而且动态响应能力和适应性方面存在明显不足。

发明内容

本发明目的是为了解决时域移相式斐索干涉仪受环境振动等随机误差源影响严重的问题，本发明提供了一种抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪。本发明采用短相干光路结构结合时空混合移相方式，充分发挥时域移相和空域移相的优势，提高斐索干涉仪的振动误差抑制能力，进而提供一种具有良好抗振能力的大口径、高精度光学测量仪器。

抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，它包括短相干激光器1、第一λ/2波片2、偏振分光棱镜3、第一角锥棱镜4、移相器5、第二角锥棱镜6、延迟平台7、显微物镜8、微小针孔9、分光平片10、第一准直镜11、标准参考镜12、第二准直镜14、第一分光棱镜15、4f系统16、第三角锥棱镜17、第四角锥棱镜18、第二λ/2波片19、分光棱镜组20、波片组21、检偏器22和面阵相机23；

第一λ/2波片2、偏振分光棱镜3、显微物镜8、微小针孔9、分光平片10、第一准直镜11、标准参考镜12和被测样品13依次设置在短相干激光器1输出的激光的光轴上；

第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6分别位于偏振分光棱镜3的上方和下方；第一角锥棱镜4设置在移相器5上，移相器5用于对经过第一角锥棱镜4的光进行移相；第二角锥棱镜6设置在延迟平台7，延迟平台7用于调节第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6之间的光程距离；

短相干激光器1输出的激光透射过第一λ/2波片2后，入射至偏振分光棱镜3，并由偏振分光棱镜3分成两束光，其中，经偏振分光棱镜3透射的光作为测量光，经偏振分光棱镜3反射的光作为参考光，测量光和参考光的偏振方向互相垂直；

测量光通过显微物镜8会聚到微小针孔9的针孔上生成测量光的衍射光，测量光的衍射光透射过分光平片10后，经第一准直镜11准直，入射至标准参考镜12后，分成两部分；其中，第一部分测量光的衍射光经标准参考镜12反射后，按原路返回至分光平片10；第二部分测量光的衍射光经标准参考镜12透射后，入射至被测样品13，经被测样品13反射后的测量光的衍射光按原路返回至分光平片10；

参考光入射至第二角锥棱镜6，且第二角锥棱镜6对入射的参考光进行180°转向后，入射至第一角锥棱镜4再次进行180°转向，经第一角锥棱镜4180°转向后的参考光回到偏振分光棱镜3发生反射后，通过显微物镜8会聚到微小针孔9的针孔上生成参考光的衍射光，参考光的衍射光透射过分光平片10后，经第一准直镜11准直，入射至标准参考镜12后，分成两部分；其中，第一部分参考光的衍射光经标准参考镜12反射后，按原路返回至分光平片10；第二部分参考光的衍射光将标准参考镜12透射后，入射至被测样品13，经被测样品13反射后的参考光的衍射光按原路返回至分光平片10；

从标准参考镜12返回至分光平片10的第一部分测量光的衍射光与从被测样品13返回至分光平片10的第二部分参考光的衍射光不满足相干性条件作为背景光；

从被测样品13返回至分光平片10的第二部分测量光的衍射光与从标准参考镜12返回至分光平片10的第一部分参考光的衍射光满足相干性条件，二者共光路，且同时入射至分光平片10，

经分光平片10反射后光经第二准直镜14准直后，由第一分光棱镜15分为两束，其中，

经第一分光棱镜15透射的光经过检偏器22后，入射至面阵相机23的中心区域，并形成主干涉图；

经第一分光棱镜15反射的光经过4f系统16压缩后，又经过第三角锥棱镜17进行一次180°转向后，经过第四角锥棱镜18进行再次180°转向后，通过第二λ/2波片19调整偏振方向后，由分光棱镜组20等分为光强完全相同的4束平行光；所述光强完全相同的4束平行光同时入射至波片组21的4个区域，波片组21对入射的四束光束分别加入0、π/2、π、3π/2的移相量，经波片组21移相后的四束光束，再依次经第一分光棱镜15的反射和检偏器22透射后，分别入射至面阵相机23的四角区域，并形成4幅辅助干涉图。

优选的是，短相干激光器1出射激光光轴与偏振分光棱镜3的分光面夹角为45°；

移相器5的运动方向与偏振分光棱镜3的分光面夹角为45°，移相器5的运动方向为竖直方向；

延迟平台7的运动方向与偏振分光棱镜3的分光面夹角为45°。

优选的是，第一准直镜11焦点与微小针孔9上的针孔重合。

优选的是，第一分光棱镜15的分光面与分光平片10的分光面平行。

优选的是，短相干激光器1出射的激光为线偏振光，其激光波长523nm，相干长度2mm，输出功率为大于0且小于300mw，连续可调。

优选的是，显微物镜8为20倍放大物镜，该物镜数值孔径0.45。

优选的是，面阵相机23的分辨率为4096×4098，像元尺寸为4.5μm。

优选的是，微小针孔9的针孔直径为1μm。

优选的是，第一分光棱镜15的分光比50:50。

优选的是，分光棱镜组20内的分光棱镜的分光比均为50:50。

优选的是，第二准直镜14的焦点与微小针孔9上的针孔相对于分光平片10的反射面为光学共轭关系。

本发明带来的有益效果是，采用短相干激光器1为光源，通过光源的短相干特性及延迟平台7产生的光程补偿作用实现参考光和测量光的可控选择，将标准参考镜12返回的参考光的衍射光和被测样品13返回的测量光的衍射光偏振态控制为正交状态，并通过第一分光棱镜15将参考光与测量光分为两部分；其中，一部分作为主干涉图，由面阵相机23中心区域接收，通过移相器5进行时域移相，每次移相后采集一幅1幅主干涉图，进而由多幅主干涉图条纹变化解算被测样品13的相位信息，获得空间物体表面三维信息；另一部分经4f系统16压缩，经由分光棱镜组20等分为平行的4束光，再通过波片组21引入不同的相位调制量，构成空间移相，由面阵相机23四角的空闲区域接收，作为辅助干涉图；

因此，面阵相机23采集到的每帧干涉图样均由中心区域的1副主干涉图和四角上的4副辅助干涉图组成。通过主干涉图能获得各测量点测量光相对于参考光的初始相位差信息，通过每帧干涉图里的辅助干涉图可以实时监测移相器5运动后，由振动引入的随机移相量，进而实现良好的振动抑制，解决传统斐索干涉仪振动抑制能力差的问题。具体应用时，可根据4幅辅助干涉图中干涉条纹的形态变化，获得由振动引入的随机移相量信息。

本发明采用短相干光路结构结合时空混合移相方式，充分发挥时域移相和空域移相的优势，可大幅度提高其在振动环境下的检测性能，提高斐索干涉仪的振动误差抑制能力，进而提供一种具有良好抗振能力的大口径、高精度光学测量仪器。

本发明的主要用于采集被测样品的每帧干涉图样，具体应用时，可根据采集的干涉图样中的4幅辅助干涉图中干涉条纹的形态变化，获得由振动引入的随机移相量信息，实现对从而抑制由振动引用的随机移相量，实现对空间物体表面三维信息的精确测量。

附图说明

图1是本发明所述抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪的结构示意图；

图2是波片组21的构成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的1、抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，包括短相干激光器1、第一λ/2波片2、偏振分光棱镜3、第一角锥棱镜4、移相器5、第二角锥棱镜6、延迟平台7、显微物镜8、微小针孔9、分光平片10、第一准直镜11、标准参考镜12、第二准直镜14、第一分光棱镜15、4f系统16、第三角锥棱镜17、第四角锥棱镜18、第二λ/2波片19、分光棱镜组20、波片组21、检偏器22和面阵相机23；

第一λ/2波片2、偏振分光棱镜3、显微物镜8、微小针孔9、分光平片10、第一准直镜11、标准参考镜12和被测样品13依次设置在短相干激光器1输出的激光的光轴上；

第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6分别位于偏振分光棱镜3的上方和下方；第一角锥棱镜4设置在移相器5上，移相器5用于对经过第一角锥棱镜4的光进行移相；第二角锥棱镜6设置在延迟平台7，延迟平台7用于调节第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6之间的光程距离；

短相干激光器1输出的激光透射过第一λ/2波片2后，入射至偏振分光棱镜3，并由偏振分光棱镜3分成两束光，其中，经偏振分光棱镜3透射的光作为测量光，经偏振分光棱镜3反射的光作为参考光，测量光和参考光的偏振方向互相垂直；

测量光通过显微物镜8会聚到微小针孔9的针孔上生成测量光的衍射光，测量光的衍射光透射过分光平片10后，经第一准直镜11准直，入射至标准参考镜12后，分成两部分；其中，第一部分测量光的衍射光经标准参考镜12反射后，按原路返回至分光平片10；第二部分测量光的衍射光经标准参考镜12透射后，入射至被测样品13，经被测样品13反射后的测量光的衍射光按原路返回至分光平片10；

参考光入射至第二角锥棱镜6，且第二角锥棱镜6对入射的参考光进行180°转向后，入射至第一角锥棱镜4再次进行180°转向，经第一角锥棱镜4180°转向后的参考光回到偏振分光棱镜3发生反射后，通过显微物镜8会聚到微小针孔9的针孔上生成参考光的衍射光，参考光的衍射光透射过分光平片10后，经第一准直镜11准直，入射至标准参考镜12后，分成两部分；其中，第一部分参考光的衍射光经标准参考镜12反射后，按原路返回至分光平片10；第二部分参考光的衍射光将标准参考镜12透射后，入射至被测样品13，经被测样品13反射后的参考光的衍射光按原路返回至分光平片10；

从标准参考镜12返回至分光平片10的第一部分测量光的衍射光与从被测样品13返回至分光平片10的第二部分参考光的衍射光不满足相干性条件作为背景光；

从被测样品13返回至分光平片10的第二部分测量光的衍射光与从标准参考镜12返回至分光平片10的第一部分参考光的衍射光满足相干性条件，二者共光路，且同时入射至分光平片10，

经分光平片10反射后光经第二准直镜14准直后，由第一分光棱镜15分为两束，其中，

经第一分光棱镜15透射的光经过检偏器22后，入射至面阵相机23的中心区域，并形成主干涉图；

经第一分光棱镜15反射的光经过4f系统16压缩后，又经过第三角锥棱镜17进行一次180°转向后，经过第四角锥棱镜18进行再次180°转向后，通过第二λ/2波片19调整偏振方向后，由分光棱镜组20等分为光强完全相同的4束平行光；所述光强完全相同的4束平行光同时入射至波片组21的4个区域，波片组21对入射的四束光束分别加入0、π/2、π、3π/2的移相量，经波片组21移相后的四束光束，再依次经第一分光棱镜15的反射和检偏器22透射后，分别入射至面阵相机23的四角区域，并形成4幅辅助干涉图。

本实施方式中，由分光平片10反射转向的光束包含4种光成分：从标准参考镜12参考面返回的测量光的衍射光、从被测样品13返回的测量光的衍射光、从标准参考镜12参考面返回的参考光的衍射光、从被测样品13返回的参考光的衍射光。通过延迟平台7的光程补偿作用，使得只有从标准参考镜12参考面返回的参考光的衍射光与从被测样品13被测表面返回的测量光的衍射光之间的光程差近似为零，满足相干性条件，也即：从标准参考镜12返回至分光平片10的第二部分测量光的衍射光与从标准参考镜12返回至分光平片10的第一部分参考光的衍射光满足相干性条件。而其他光成分之间的光程差超出光源的相干长度，无法形成干涉，成为了背景光。

采用短相干激光器1为光源，通过光源的短相干特性及延迟平台7产生的光程补偿作用实现参考光和测量光的可控选择，将标准参考镜12返回的参考光的衍射光和被测样品13返回的测量光的衍射光偏振态控制为正交状态，并通过第一分光棱镜15将参考光与测量光分为两部分；其中，一部分作为主干涉图，由面阵相机23中心区域接收，形成主干涉图的过程中先通过移相器5进行时域移相，进而解算相位信息；另一部分经4f系统16压缩，经由分光棱镜组20等分为平行的4束光，再通过波片组21引入不同的相位调制量，构成空间移相，由面阵相机23四角的空闲区域接收，作为辅助干涉图；

因此，面阵相机23采集到的每帧干涉图样均由中心区域的主干涉图和四角的辅助干涉图组成；通过主干涉图能获得各测量点测量光相对于参考光的初始相位差信息；通过每帧干涉图里的辅助干涉图可以实时监测移相器5运动后，由振动引入的随机移相量，进而实现良好的振动抑制，解决传统斐索干涉仪振动抑制能力差的问题。

具体应用时，具体振动抑制过程可通过现有技术实现，具体为：步骤一、先通过计算机利用4步解相算法处理每帧干涉图样中空间移相产生的4幅辅助干涉图，计算得到每帧干涉图样相对于第一帧干涉图样由振动引入的随机移相量；步骤二、计算机根据移相器5的移相值和步骤一计算得到的随机移相量计算得到每帧干涉图样相对于第一帧干涉图样的实际移相量；进一步的通过计算机将一些列的主干涉图和步骤二计算得到的每帧干涉图样相对于第一帧干涉图样的实际移相量带入通用解相算法中进行解算，可获得空间物体表面三维信息，也即：被测表面形貌起伏信息；从而抑制由振动引用的随机移相量，实现对空间物体表面三维信息的精确测量。

进一步的，第二准直镜14的焦点与微小针孔9上的针孔相对于分光平片10的反射面为光学共轭关系。

本实施方式中，微小针孔9上的针孔为微米量级，通常在1微米到20微米之间，最优选择为1微米；且光在微小针孔9的针孔处发生衍射，生成近似理想球面波。

进一步的，具体参见图1，短相干激光器1出射激光光轴与偏振分光棱镜3的分光面夹角为45°；

移相器5的运动方向与偏振分光棱镜3的分光面夹角为45°，移相器5的运动方向为竖直方向；

延迟平台7的运动方向与偏振分光棱镜3的分光面夹角为45°。

本实施方式中，延迟平台7的运动方向为竖直方向。

更进一步的，具体参见图1，第一准直镜11焦点与微小针孔9上的孔重合。

更进一步的，具体参见图1，第一分光棱镜15的分光面与分光平片10的分光面平行。

更进一步的，具体参见图1，短相干激光器1出射的激光为线偏振光，其激光波长523nm，相干长度2mm，输出功率为大于0且小于300mw，连续可调。

本实施方式中，短相干激光器1十小时功率稳定性小于1％。

更进一步的，具体参见图1，显微物镜8为20倍放大物镜，该物镜数值孔径0.45。

本实施方式中，具体应用时，显微物镜8的工作距3mm。

更进一步的，具体参见图1，面阵相机23的分辨率为4096×4098，像元尺寸为4.5μm。

本实施方式中，面阵相机23最大支持位深10位，CoaXPress数据接口，全分辨率下帧频400fps。

更进一步的，具体参见图1，微小针孔9的针孔直径为1μm。

更进一步的，具体参见图1，第一分光棱镜15的分光比50:50。

更进一步的，具体参见图1，分光棱镜组20内的分光棱镜的分光比均为50:50。

本优选实施方式中，分光棱镜组20内包括两个分光棱镜，且两个分光棱镜的分光比均为50:50。

更进一步的，具体参见图2，波片组21由一个λ/2波片和一个λ/4波片叠加而成。

本实施方式中，第二λ/2波片19用于调整压缩后的细束参考光和测量光的偏振方向，使测量光的偏振方向与波片组21中λ/4波片的慢轴以及λ/2波片的慢轴方向一致。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (11)

1.抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，它包括短相干激光器(1)、第一λ/2波片(2)、偏振分光棱镜(3)、第一角锥棱镜(4)、移相器(5)、第二角锥棱镜(6)、延迟平台(7)、显微物镜(8)、微小针孔(9)、分光平片(10)、第一准直镜(11)、标准参考镜(12)、第二准直镜(14)、第一分光棱镜(15)、4f系统(16)、第三角锥棱镜(17)、第四角锥棱镜(18)、第二λ/2波片(19)、分光棱镜组(20)、波片组(21)、检偏器(22)和面阵相机(23)；

第一λ/2波片(2)、偏振分光棱镜(3)、显微物镜(8)、微小针孔(9)、分光平片(10)、第一准直镜(11)、标准参考镜(12)和被测样品(13)依次设置在短相干激光器(1)输出的激光的光轴上；

第一角锥棱镜(4)和第二角锥棱镜(6)分别位于偏振分光棱镜(3)的上方和下方；第一角锥棱镜(4)设置在移相器(5)上，移相器(5)用于对经过第一角锥棱镜(4)的光进行移相；第二角锥棱镜(6)设置在延迟平台(7)，延迟平台(7)用于调节第一角锥棱镜(4)和第二角锥棱镜(6)之间的光程距离；

短相干激光器(1)输出的激光透射过第一λ/2波片(2)后，入射至偏振分光棱镜(3)，并由偏振分光棱镜(3)分成两束光，其中，经偏振分光棱镜(3)透射的光作为测量光，经偏振分光棱镜(3)反射的光作为参考光，测量光和参考光的偏振方向互相垂直；

测量光通过显微物镜(8)会聚到微小针孔(9)的针孔上生成测量光的衍射光，测量光的衍射光透射过分光平片(10)后，经第一准直镜(11)准直，入射至标准参考镜(12)后，分成两部分；其中，第一部分测量光的衍射光经标准参考镜(12)反射后，按原路返回至分光平片(10)；第二部分测量光的衍射光经标准参考镜(12)透射后，入射至被测样品(13)，经被测样品(13)反射后的测量光的衍射光按原路返回至分光平片(10)；

参考光入射至第二角锥棱镜(6)，且第二角锥棱镜(6)对入射的参考光进行180°转向后，入射至第一角锥棱镜(4)再次进行180°转向，经第一角锥棱镜(4)180°转向后的参考光回到偏振分光棱镜(3)发生反射后，通过显微物镜(8)会聚到微小针孔(9)的针孔上生成参考光的衍射光，参考光的衍射光透射过分光平片(10)后，经第一准直镜(11)准直，入射至标准参考镜(12)后，分成两部分；其中，第一部分参考光的衍射光经标准参考镜(12)反射后，按原路返回至分光平片(10)；第二部分参考光的衍射光将标准参考镜(12)透射后，入射至被测样品(13)，经被测样品(13)反射后的参考光的衍射光按原路返回至分光平片(10)；

从标准参考镜(12)返回至分光平片(10)的第一部分测量光的衍射光与从被测样品(13)返回至分光平片(10)的第二部分参考光的衍射光不满足相干性条件作为背景光；

从被测样品(13)返回至分光平片(10)的第二部分测量光的衍射光与从标准参考镜(12)返回至分光平片(10)的第一部分参考光的衍射光满足相干性条件，二者共光路，且同时入射至分光平片(10)，

经分光平片(10)反射后光经第二准直镜(14)准直后，由第一分光棱镜(15)分为两束，其中，

经第一分光棱镜(15)透射的光经过检偏器(22)后，入射至面阵相机(23)的中心区域，并形成主干涉图；

经第一分光棱镜(15)反射的光经过4f系统(16)压缩后，又经过第三角锥棱镜(17)进行一次180°转向后，经过第四角锥棱镜(18)进行再次180°转向后，通过第二λ/2波片(19)调整偏振方向后，由分光棱镜组(20)等分为光强完全相同的4束平行光；所述光强完全相同的4束平行光同时入射至波片组(21)的4个区域，波片组(21)对入射的四束光束分别加入0、π/2、π、3π/2的移相量，经波片组(21)移相后的四束光束，再依次经第一分光棱镜(15)的反射和检偏器(22)透射后，分别入射至面阵相机(23)的四角区域，并形成4幅辅助干涉图。

2.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，短相干激光器(1)出射激光光轴与偏振分光棱镜(3)的分光面夹角为45°；

移相器(5)的运动方向与偏振分光棱镜(3)的分光面夹角为45°，移相器(5)的运动方向为竖直方向；

延迟平台(7)的运动方向与偏振分光棱镜(3)的分光面夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，第一准直镜(11)焦点与微小针孔(9)上的针孔重合。

4.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，第一分光棱镜(15)的分光面与分光平片(10)的分光面平行。

5.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，短相干激光器(1)出射的激光为线偏振光，其激光波长523nm，相干长度2mm，输出功率为大于0且小于300mw，连续可调。

6.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，显微物镜(8)为20倍放大物镜，该物镜数值孔径0.45。

7.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，面阵相机(23)的分辨率为4096×4098，像元尺寸为4.5μm。

8.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，微小针孔(9)的针孔直径为1μm。

9.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，第一分光棱镜(15)的分光比50:50。

10.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，分光棱镜组(20)内的分光棱镜的分光比均为50:50。

11.根据权利要求1所述的抗振式短相干时空混合移相斐索干涉仪，其特征在于，第二准直镜(14)的焦点与微小针孔(9)上的针孔相对于分光平片(10)的反射面为光学共轭关系。

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