CN1147703C - 测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪，包括产生干涉光束的物光和参考光。物光是由激光光源发射的激光束经第三透镜和第二透镜的平行光束射到待测透明平板上后反射回的光束经第二透镜，经过第一分束器的反射后，透过第四透镜、第二分束器、第三分束器、第五透镜至光折变晶体，由光折变晶体返回再经第五透镜至第三分束器。参考光是由待测透明平板反射回来的激光束经过第二透镜，经过第一分束器的反射后，再透过第四透镜射到第二分束器上，由第二分束器反射的光束经第一反射镜、第七透镜、第六透镜和第二反射镜至第三分束器与物光相遇产生干涉。与在先技术相比，本发明在物光的光路上置有光折变晶体产生共轭光，使测量灵敏度提高了一倍。

Description

测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪

技术领域：

本发明是一种测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪，特别是涉及到测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉的结构。

背景技术：

在测量透明平板的表面形貌时，除了被测前外表面的反射光外，还存在透明平板后内表面的反射光。因此，干涉信号中除了被测前外表面反射光与参考光Gc所产生的干涉信号外，还包括了被测前外表面反射光与透明平板后内表面反射光所产生的干涉信号，以及后内表面反射光与参考光Gc所产生的干涉信号，这些噪音使得难以正确得到透明平板被测前外表面的表面形貌。为解决这个问题，美国的Peter de Groot提出使用波长可调半导体激光移相干涉仪实现了透明平板外表面形貌的测量(参见在先技术[1]Peter de Groot，“Measurement of transparent plates with wavelength-tuned phase-shiftinginterferometry，”Appl.Opt.2001，39(16)，2658-2663)。其干涉仪如图1所示。激光光源7为半导体激光器，它的波长由驱动电源8改变激光光源7的注入电流来调制。激光光源7发出的光束由第一分束器3反射，反射光经过第二透镜4后准直为平行光束；平行光束透过参考平板5照在透明平板6被测前外表面601和后内表面602上。它们的反射光透过同光轴依次放置的参考平板5、第二透镜4、第一分束器3、第一透镜2后成像到二维光电探测器1上，二维光电探测器1将光信号转换为电信号，并通过模数转换器10输送到计算机9上，计算机根据移相算法求出透明平板6被测前外表面601的表面形貌。

由于透明平板6后内表面602反射光的存在，图1中二维光电探测器1探测到的干涉信号可以表示为：

$I=2R[\frac{3}{2}-\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})]+O\left(R^2\right),---\left(1\right)$

         θ＝2k(h₁-h₀)+2kL，      (2)

         φ＝2kn(h₂-h₁)+2knT，    (3)

其中，θ和φ为参考变量；I为干涉信号强度；k为波矢；h₁，h₂和h₃分别是参考平板5后外表面，透明平板6被测前外表面601和后内表面602的表面形貌；L为参考平板5后外表面与透明平板6前外表面601之间的距离；T为透明平板6的厚度；n为透明平板6的折射率；R为光在参考平板5的前外表面，透明平板6前外表面601和后内表面602的反射率。O(R²)表示省略包含R的高次因子的项。

在没有透明平板6后内表面602反射光存在的情况下，干涉信号I只包含直流分量和一次谐波。否则，将存在高次谐波分量，这会对测量结果造成误差。在先技术[1]中定义变量Γ＝nT/L，随着Γ的不同，高次谐波的分布也将不同。在先技术[1]认为Γ取值在2到5范围内比较合适。在先技术[1]使用以下的移相算法求出被测表面的相位分布：

s＝(-3 -4  0   12   21  16  0  -16 -21  -12  0   4   3)，    (5)

c＝(0  -4  -12  -12  0  16  24  16  0   -12  -12 -4  0)，    (6)

式中，为透明平板6被测前外表面601的相位分布；I_j表示移项进行到第j步时二维光电探测器1探测到的干涉信号强度；公式(4)中的s(j)和c(j)相应的值从公式(5)和(6)中第j项得到。

透明平板6被测前外表面601的表面形貌h₂可由下式求得：

式中λ为激光光源7的输出波长。

在先技术[1]的缺点在于外界环境的振动会对测量结果造成误差。

发明内容：

本发明为克服在先技术[1]中所存在的缺点，提供一种使用波长可调半导体激光器作光源测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪，包括带有驱动电源8的激光光源7，激光光源7发射的激光束经第三透镜11和第二透镜4准直为平行激光束射到待测透明平板6上，在第三透镜11和第二透镜4之间的光路上置有第一分束器3；由物光Gw和参考光Gc产生的干涉光束经第一透镜2会聚在光电探测器1的接收面上，光电探测器1的输出经过模数转换器10输进计算机9里；

所说的物光Gw是由待测透明平板6反射回来的激光束经过第二透镜4，经过第一分束器3的反射后，再透过第四透镜12、第二分束器13、第三分束器14和第五透镜15聚焦于光折变晶体16内，由光折变晶体16返回的光束再透过第五透镜15至第三分束器14上；

所说的参考光Gc是由待测透明平板6反射回来的激光束经过第二透镜4，经过第一分束器3的反射后，再透过第四透镜12射到第二分束器13上，由第二分束器13反射的光束经过置于平移台21上光程差调节器22内的第一反射镜20的反射，再透过光程差调节器22内的第七透镜19和第六透镜18后经第二反射镜17的反射至第三分束器14上，与上述物光Gw相遇产生干涉光束射向第一透镜2。

如上所述的结构如图2所示，包括：带有驱动电源8的激光光源7发出的光束由第三透镜11和第二透镜4准直为平行光束，并照在待测透明平板6被测前外表面601和后内表面602上。待测透明平板6被测前外表面601由第二透镜4和第四透镜12成像于第四透镜12和第二分束器13之间的像面A上。待测透明平板6的反射光束被第一分束器3反射。该反射光透过第四透镜12后变为平行光束，再由第二分束器13分束。从第二分束器13透射的光束(物光Gw)经过第三分束器14和第五透镜15会聚后照在光折变晶体16上。从第二分束器13反射的光束(参考光Gc)经第一反射镜20、第七透镜19、第六透镜18和第二反射镜17后透过第三分束器14。待测透明平板6被测前外表面601由第二透镜4，第四透镜12，第五透镜15，光折变晶体16和第一透镜2成像于二维光电探测器1上。待测透明平板6被测前外表面601由第二透镜4，第四透镜12，第七透镜19，第六透镜18和第一透镜2也成像于二维光电探测器1上。通过调节光程差调节器22改变物光Gw与参考光Gc之间的光程差L，使得待测透明平板6厚度T与其折射率n的乘积约为此光程差L的不小于2的整数倍。光程差调节器22由微平移台21以及固定在它上面的第一反射镜20，第二反射镜17，第七透镜19，和第六透镜18组成。二维光电探测器1将干涉光信号转换为电信号，电信号由模数转换器10被计算机9收集并处理。

上面所说的激光光源7为波长可调的半导体激光器，或者是波长可调的固体激光器，或者是波长可调的气体激光器。

所说的驱动电源8提供直流信号给激光光源7。

所说的分束器3，13和14是指能够将入射光按分光比(透射率与反射率之比)分成两束光的分光元件。如分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板等。第一分束器3，第二分束器13，第三分束器14的分光比分别为1∶1，7∶3和3∶7。

所说的光折变晶体16是能产生相位共轭光的晶体，产生的相位共轭光与入射光功率之比约为60％。相位共轭光是与入射光波在相位(即波阵面)及偏振态上互为时间反演的光波。光折变晶体可以是铌酸锂(LiNbO₃)晶体，或者是钛酸钡(BaTiO₃)晶体，或者是铌酸锶钡(KNSBN)晶体等。

所说的光电探测器1是能将光信号转换为电信号的二维探测器，如二维电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器。

所说的平移台21为能手动或自动实现微米量级移动的平台。

具体的描述是：

设待测透明平板6被测前外表面601某点相位为，由于外界振动将导致该点相位为+Δ，其中Δ为外界振动引起的误差。由于第二透镜4，第四透镜12，第七透镜19，第六透镜18和第一透镜2的成像作用，参考光Gc成像到二维光电探测器1上，其相位为+Δ。物光+Δ照射入光折变晶体16中，由于光折变晶体16的特性，其产生的相位共轭光的相位为-+Δ。因此，对应于上面所说的待测透明平板6被测前外表面601上相位为的点的物光Gw和参考光Gc的干涉信号的相位为(+Δ)-(-+Δ)＝2。显然，外界振动引起的误差Δ被消除了。

计算机9采集到干涉信号I后，按下面17步移相算法计算出：

s＝(0 sinπ/8 sinπ/4 sin3π/8  1 sin5π/8 sin3π/4 sin7π/8 0

   sin9π/8 sin5π/4 sin11π/8 -1 sin13π/8 sin7π/4 sin15π/8 0)，    (9)

c＝(-1/2-cosπ/8-cosπ/4-cos3π/8 0 -cos5π/8-cos3π/4 -cos7π/8 1

    -cos9π/8 -cos5π/4 -cos11π/8 0 -cos13π/8 -cos7π/4

   -cos15π/8 -1/2)，                                           (10)

其中I_j表示移项进行到第j步时，二维光电探测器1探测到的干涉信号强度；公式(8)中的s(j)和c(j)相应的值从公式(9)和(10)中第j项可得。

待测透明平板6被测前外表面601上相位为的点对应表面高度h₂可由下式求得：

本发明与在先技术[1]相比采用了相位共轭技术，在物光Gw的光路上置有光折变晶体16，使得干涉仪对外界振动不敏感，降低了由于外界振动引起的测量误差。相位的测量精度达到0.01rad是较容易实现的。若采用常用的波长λ为785nm的半导体激光器，那么表面高度h₂的测量精度为0.3nm。若相位的测量精度提高到0.001rad，那么表面高度h₂的测量精度可以提高到0.03nm。而且，由公式(7)和(11)的对比可知，本发明与在先技术[1]相比，测量灵敏度提高了一倍。

附图说明：

图1为在先技术[1]的装置示意图；

图2为本发明的测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪的结构示意图

图3为具体实施方式中二维CCD的光电探测器探测的干涉信号强度分布图。

图4为具体实施方式中计算机9计算出的待测透明平板6的被测前外表面601的表面形貌图。

具体实施方式：

如图2所示的结构，其中，激光光源7采用波长为785nm的半导体激光器。通过驱动电源8改变半导体激光器的注入电流。激光光源7发出的光束经第三透镜11，第一分束器3和第二透镜4后准直为平行光束照射在待测透明平板6被测前外表面601和后内表面602上。待测透明平板6的厚度T≈6厘米，折射率n≈1.5的玻璃平板。待测透明平板6的被测前外表面601由第二透镜4和第四透镜12成像于第四透镜12和第二分束器13之间的像面A上。第一分束器3的分束比为1∶1。待测透明平板6的被测前外表面601的反射光由第一分束器3反射后照在第二分束器13上，有70％的光束透过，30％的光束反射，即第二分束器13的分束比为7∶3。透射光同光轴地依次通过第三分束器14和第五透镜15，第三分束器14的分束比为3∶7；第五透镜15将光束聚焦于掺铈钛酸钡晶体(Ce:BaT_iO₃)的光折变晶体16中，Ce:BaT_iO₃晶体产生相位共轭光的反射率约为60％。相位共轭光沿光折变晶体16内的入射光原路返回。待测透明平板6的被测前外表面601由第二透镜4，第四透镜12，第五透镜15，光折变晶体16和第一透镜2成像于二维CCD的光电探测器1上。该被测前外表面601同时由第二透镜4，第四透镜12，第七透镜19，第六透镜18，和第一透镜2成像于二维CCD的光电探测器1上。第一反射镜20，第七透镜19、第六透镜18和第二反射镜17固定于平移台21上。平移台21移动量的分辨率为微米量级。第一反射镜20，第七透镜19、第六透镜18、第二反射镜17和平移台21构成光程差调节器22。调节光程差调节器22使物光Gw与参考光Gc之间的光程差L＝4.5厘米，此时变量Γ为2。干涉信号(如图3所示)由二维CCD的光电探测器1转换为电信号，经模数转换器10后由计算机9采集。计算机9按公式(8)，(9)，(10)和(11)计算出待测透明平板6的被测前外表面601的表面形貌，其结果如图4所示，它的峰谷值(最大值与最小值之差)为69.96nm。

Claims (3)

1.一种测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪，包括：

<1>带有驱动电源(8)的激光光源(7)，由激光光源(7)发射的激光束经第三透镜(11)和第二透镜(4)准直为平行激光束射到待测透明平板(6)上，在第三透镜(11)和第二透镜(4)之间的光路上置有第一分束器(3)；

<2>由物光(Gw)和参考光(Gc)产生的干涉光束经第一透镜(2)会聚在光电探测器(1)的接收面上，光电探测器(1)的输出经过模数转换器(10)输进计算机(9)里；

其特征在于：

<3>所说的物光(Gw)是由待测透明平板(6)反射回来的激光束经过第二透镜(4)，经过第一分束器(3)的反射后，再透过第四透镜(12)、第二分束器(13)、第三分束器(14)和第五透镜(15)聚焦于光折变晶体(16)内，由光折变晶体(16)返回的光束再透过第五透镜(15)至第三分束器(14)上；

<4>所说的参考光(Gc)是由待测透明平板(6)反射回来的激光束经过第二透镜(4)，经过第一分束器(3)的反射后，再透过第四透镜(12)射到第二分束器(13)上，由第二分束器(13)反射的光束经过置于平移台(21)上光程差调节器(22)内的第一反射镜(20)的反射，再透过光程差调节器(22)内的第七透镜(19)和第六透镜(18)后经第二反射镜(17)的反射至第三分束器(14)上，与上述物光(Gw)相遇产生干涉光束射向第一透镜(2)。

2.根据权利要求1所述的测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪，其特征在于所说的第一分束器(3)的分光比为1∶1，第二分束器(13)的分光比为7∶3，第三分束器(14)的分光比为3∶7。

3.根据权利要求1所述的测量透明平板表面形貌的相位共轭干涉仪，其特征在于所说的光折变晶体(16)是能够产生相位共轭光的铌酸锂晶体，或是钛酸钡晶体，或是铌酸锶钡晶体。

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