CN85106007A

CN85106007A - 偏振条纹扫描数字干涉仪

Info

Publication number: CN85106007A
Application number: CN198585106007A
Authority: CN
Inventors: 伍树东; 陈祥桢; 陶琇
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 1985-08-06
Filing date: 1985-08-06
Publication date: 1987-02-25
Also published as: CN85106007B; US4762417A; DE3622431A1; DE3625609A1

Abstract

偏振条纹扫描数字干涉仪是用于光学检验的仪器，它利用起偏器、偏振小孔、四分之一波片组成的位相偏振编码器将被测的位相分布φ(X、Y)编码为不同偏振角分布φ(X、Y)/2，通过旋转检编器进行条纹扫描，其干涉图由电视摄像机接收，送入微机进行数据处理。发明还提供了利用该仪器测量透镜，球面和平面等光学元件的实用光路。该发明的特点是结构简单，操作方便，在一般环境条件下工作，可获得高精密的测量。

Description

本发明属于干涉仪，主要用于各种光学元件的光学检验。

条纹扫描数字干涉仪是1974年首先由美国贝尔电话公司的J.H.Bruning等人提出的（Appl.Opt.1974，Vol，13，No.11，2693），以后相继被TROPEL.ZYGO公司发展为商品（M.Sohaham SPIE，1981，Vol，306 183;VS4201473-A），现在条纹扫描数字干涉仪已成为高精度波面测量最有效的手段。

目前条纹扫描数字干涉仪，例如ZYGO干涉仪由光源、条纹扫描干涉装置，光电检测及数据处理系统组成。其中条纹扫描都是采用压电晶体改变一干涉臂的光程来实现，然而这种方法有下列缺点：

1.精密控制压电晶体不易做到;

2.必须采用双臂干涉方法，它对气流和震动极为敏感，使得系统对工作环境条件要求严格;

3.要求高精度参考面，其他光学元件要求也较高;

4.必须使用稳频激光器作光源;

5.干涉条纹不稳定，很难观察象差的零级干涉条纹;

6.系统结构复杂。

为了克服上述缺点，发明人曾于1984年8月在日本第13届国际光学会议上提出了一种新型的条纹扫描原理-偏振条纹扫描，并在中国光学学报上发表了“偏振条纹扫描干涉仪”一文（光学学报，1986，Vol.5，No.2），对偏振条纹扫描原理作了进一步阐述。

本发明的目的是基于发明人提出的原理，提供一种偏振条纹扫描数字干涉仪的实用仪器，并提供利用该仪器测量透镜，球面和平面等光学元件的实用光路和方法。

本发明的技术解决方案是：将波面测量归结为星点测量，并利用本发明的位相偏振编码器将被测的位相分布φ（X，Y）编码为不同偏振角的分布 (φ（X、y）)/2 ，再通过旋转检偏器来实现条纹扫描，其干涉图由电视摄象机接收，送入微机进行数据处理。

在（0，π）的检偏角区间内，取N个位置，测得N幅干涉条纹光强分布I（X、Y，K），利用数字同步检测原理可算得各点的相对位相φ（X，Y），即为测得的波面分布。

φ（X、Y）＝tg^-1(A)/(B)

其中 A= Σ_{K = 1}^{N} I(X、Y、K)Sin \frac{2π}{N} K

B= Σ_{K = 1}^{N} I(X、Y、K)Co s \frac{2π}{N} K

本发明的位相偏振编码器（如图二）是由起偏器（12）、偏振板（13）上的偏振小孔（14）和四分之一波片（15）构成的，其相对位置如图三所示，Ep为起偏器（12）的偏振轴方向，E₁和E₁₁分别是偏振板（13）的偏振膜的透射方向和消光方向，Ef和Es分别是四分之一波片的快轴和慢轴，Ef与E₁₁，Es与E₁均成45°角。当被测波面会聚的星点通过起偏器落在偏振小孔（14）上时，这小孔（可视为标准点源）产生参考波面，其偏振方向为E_⊥，由于入射偏振Ep仍有E₁₁分量，故被测波面仍有透射分量，其偏振方向为E₁₁，通过调整起偏器（12）改变Ep与E_⊥的夹角α可使参考波面和被测波面的振幅相等，当它们通过四分之一波片（15）被分别转化为左旋偏振和右旋偏振，而它们的合成仍为线偏振，但偏振角为其两者位相差的一半，即φ（x、y）/2，因而实现了位相的偏振编码。

这一位相偏振编码器可用于任何波面，只要使该波面会聚成星点并落在偏振小孔（14）上即可。

本发明的偏振条纹扫描干涉仪与现有的条纹扫描干涉仪相比，具有下列优点：

1.由于扫描方式采用转动检偏器，旋转180°对应于1个波长，因此极易高精度控制，使位相测量灵敏度很高。

2.由于是共光路干涉，对气流和震动不敏感，所以在普通环境条件下即可工作。

3.系统对光学元件要求不高，特别是测透镜时将不要求任何高精度参考面，只要一标准微孔即可。

4.激光源不必使用稳频激光器。

5.干涉条纹极为稳定，很容易调整在零级干涉，测量象差和面形很直观。

6.结构简单，光学元件少。

7.该技术把所有波面测量归结为星点测量，而这种星点测量可以得到高精度定量结果，从而使传统的定性星点测量定量化。

附图说明：

图一是测量透镜、显微物镜的实用系统光路图。

图二是位相偏振编码器的结构示意图。

图三是位相偏振编码器各元件方向安排图。

图四是测量球面的实用系统光路图。

图五是测量平面的部分光路图。

下面结合附图进一步详细说明本发明及实施例。

图二中（12）是起偏器，（13）是偏振膜板，（14）是偏振膜板上的一微孔，即偏振小孔，（15）是四分之一波片，他们的安排方向如图三所示。起偏器（12）可调，以改变起偏器偏振轴方向Ep与偏振小孔透射方向E_⊥的夹角α，使干涉条纹对比度达到最大。起偏器（12）应尽量靠近偏振小孔，其理由是：使仪器不受被测元件（特别是对显微镜的测量）的消偏振效应影响;偏振片的使用面积极小，可避免对偏振片高质量面形要求;由于入射在偏振小孔上的光束孔径角很小，它也不致引入额外球差等。

波片（15）采用任何四分之一波片都行，但最好使用费涅尔相板作为四分之一波片。因为普通波片不易高精度加工，普通石英波片由于有胶合，怕热，不能镀高质量增透膜，而费涅尔相板容易实现高精度相移，其端面可以镀高质量增透膜，而且与波长无关，可以适用任意波长。

图一是测量透镜、显微物镜的实用系统的光路图。图中虚线框内是本发明偏振条纹扫描数字干涉仪最主要的部分-偏振条纹扫描检测系统（11），含有上述的位相偏振编码器（5），旋转检偏器（7），电视摄象机（9），微机（10）和微机控制的同步控制机构（8）。最好在位相偏振编码器和旋转检偏器之间加入成象透镜（6）以使干涉条纹清晰地成象在电视摄象机物面上。

在测量透镜或显微物镜中，偏振条纹扫描数字干涉仪的工作情况如下：

激光器（1）发出的激光束被聚光镜（2）聚焦在针孔（3）上，针孔处在被测透镜（4）的物面上，并作标准点光源，其象点落在位相偏振编码器（5）的偏振小孔（14）上（见图二），从而被测波面被偏振编码，通过成象透镜（6）和旋转检偏器（7），产生条纹扫描，干涉图落在电视摄象机（9）的物面上。干涉图被电视摄象机（9）接收，送入微机（10）进行数据处理，在测量过程中微机（10）按程序控制同步控制机构（8）（例如步进马达及齿轮机构组成），驱动旋转检偏器（7）同步旋转以实现同步偏振条纹扫描和同步检测。

图四是测量球面的实用系统的光路图。图中激光器（1）发出的光耦合入单模光纤（16）并引导到显微物镜（18）的一近轴象点（17）上形成点光源，被测球面（19）的球心处于显微物镜（18）的物面轴上，激光由被测球面（19）反射后经显微物镜（18）成象在与点源（17）对称的象面位置，形成星点（20）并落在偏振条纹扫描检测系统（11）的位相偏振编码器（5）的偏振小孔（14）上，利用所说的偏振条纹扫描检测系统（11）即可测量该球面。

实际上，在上述测量球面的实用系统光路中，激光器（1）发出的光只要引导到显微物镜（18）的一近轴象点（17）上形成点光源即可对球面进行测量，而与引导的方式无关，但是采用单模光纤（16）导光，并以其端面作为标准点源，可使激光器与干涉仪的连接更为灵活。

在此测量中，点源（17）和象点（20）必须足够近，例如5毫米，使得它们在显微物镜物方的共轭点离轴足够近，从而不使被测球面引入额外的慧差。

图五是测量平面的部分光路图。即在测量球面的实用系统光路中，将图五中的准直镜（21）代替图四的球面（19）即可测量平面（22）。

Claims

1、一种用于光学检验的偏振条纹扫描数字干涉仪，含有激光光源(1)、电视摄象机(9)和微机(10)，其特征在于还有偏振条纹扫描装置，该装置含有位相偏振编码器(5)，同步控制机构(8)和旋转检偏器(7)，所说的位相偏振编码器对待测波面进行偏振编码，所说的微机通过所说的同步控制机构使所说的旋转检偏器同步旋转以实现偏振条纹扫描和同步检测。

2、一种按照权利要求1的偏振条纹扫描数字干涉仪，其特征在于所说的位相偏振编码器是由偏振轴可调的起偏器（12）、带有偏振小孔（14）的偏振板（13）和四分之一波片（15）组成的。

3、一种按照权利要求2的位相偏振编码器，其特征在于所说的偏振小孔（14）是偏振板（13）的偏振膜上一微孔。

4、一种按照权利要求2的位相偏振编码器，其特征在于所说的四分之一波片最好使用费涅尔相板。

5、一种按照权利要求2的位相偏振编码器，其特征在于起偏器（12）必须靠近偏振小孔（14）。

6、一种按照权利要求1或2所说的偏振条纹扫描数字干涉仪，其特征是在位相偏振编码器（5）和旋转检偏器（7）之间安置了一成象透镜（6）。

7、一种按照权利要求1所说的偏振条纹扫描数字干涉仪用于测量透镜的实用光路，其特征在于激光光源（1）发射的光束通过聚光镜（2）聚焦在针孔板（3）的针孔上，针孔处在被测透镜（4）的物面上，并作为标准点光源，其象点落在位相偏振编码器（5）的偏振小孔（14）上，从而被测波面被偏振编码，微机（10）通过同步控制机构（8）使旋转检偏器（7）同步旋转，产生条纹扫描，干涉图被电视摄象机（9）接收，送入微机（10）进行数据处理。

8、一种按照权利要求1所说的偏振条纹扫描数字干涉仪用于测量球面的实用光路，其特征在于激光（1）在显微物镜（18）的一近轴象点（17）上形成点光源，被测球面（19）的球心处于显微物镜（18）的物面轴上，激光由被测球面（19）反射后经显微物镜（18）成象在与点源（17）对称的象点（20）上，即位相偏振编码器（5）的偏振小孔（14）上，利用偏振条纹扫描检测系统（11）即可测量该球面。

9、一种按照权利要求8所说的用于测量球面的实用光路，其特征在于用单模光纤（16）把激光引导到显微物镜（18）的一近轴点（17）上。

10、一种按照权利要求8或9所说的用于测量球面的实用光路，其特征在于所说的点源（17）和象点（20）必须足够近，例如5毫米左右。

11、一种按照权利要求8或9所说的偏振条纹扫描数字干涉仪的实用光路，其特征在于若用准直透镜（21）代替所说的球面（19）时，即可测量平面（22）。