CN85106007B - 偏振条纹扫描数字干涉仪 - Google Patents

Abstract

偏振条纹扫描数字干涉仪是用于光学检验的仪器，它利用起编器、偏振小孔、菲涅尔相板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。发明提供了测量透镜、球面和平面等光学元件的实用的偏振条纹扫描数字干涉仪。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

偏振条纹扫描数字干涉仪

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，№11，2693），以后相继被TROPEL，ZYGO公司发展为商品（MSchaham supIE，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的。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，並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，1985，Vol、5，№2），对偏振条纹扫描原理作了进一步闸述。

该文描述了一种检测透镜的偏振条纹扫描小孔干涉仪，如附图6所示。沿光束前进的方向依次是偏振轴可调的起偏器〔12〕，聚光镜〔2〕，针孔板〔3〕、被测透镜〔4〕、带偏振小孔〔14〕的偏振板〔13〕、成象透镜〔6〕、四分之一波片〔15〕和旋转检偏器〔7〕。其结构的特点是：被测透镜〔4〕处于偏振轴可调的起偏器〔12〕之后;偏振小孔〔14〕位于被测透镜〔4〕的大孔径角一方;成象透镜〔6〕位于偏振板〔13〕和四分之一波片〔15〕之间，成象透镜〔6〕一方面使光束准直地进入波片〔15〕，另一方面对被测透镜〔4〕成象。这一结构存在下列问题：

1.由于被测透镜〔4〕，特别是被测透镜为显微物镜，处于偏振轴可调的起偏器之后，有退偏作用，使入射到偏振小孔〔14〕上的不再是纯线偏振光，干涉条纹不能完全消零，影响仪器的高精度测量。

2.偏振小孔〔14〕位于被测透镜〔4〕的大孔径角一方，这要求偏振小孔很小，如N.A＝0.25时，要求小孔直径远小于2微米，因为偏振膜厚～100微米，相当于100∶1的长筒小孔，难于制作。

3.四分之一波片〔15〕，有多个反射面，引起额外的干涉条纹，干涉图的噪音不可避免，影响测量精度。若采用反射面镀增透膜的话，波片的胶合层会在镀膜过程中受热而破坏，难于获得高质量的波片。

4.波片的相移与光束入射角有关，引起不均匀相移，产生测量误差，这是高精度测量仪器不许的，因此要求波片〔15〕前使用透镜〔6〕，保证以平行光准直地进入波片〔15〕。透镜〔6〕一方面使光束准直地进入波片，另一方面又要对被测透镜〔4〕成象，因而该透镜与偏振板〔13〕的距离已限定等于焦距，成象倍率不能改变，这就限制了该干涉仪不能适应对不同孔径的被测透镜〔4〕进行测量。

5.附图6所示的干涉仪，不能测量球面和平面反射光学元件。

综上分析，发明人虽然在“偏振条纹扫描干涉仪”一文中提出了如附图6所示的干涉仪的原理结构，由于存在上述问题，该干涉仪实际上只是一种测量某种孔径的透镜的偏振条纹扫描干涉仪的原理演示装置，不能测量球面和平面的反射元件，不能构成应用广泛的实用的测量仪器。

本发明的目的是：基于发明人提出的原理，提供测量透镜、球面和平面等光学元件的偏振条纹扫描数字干涉仪的实用仪器。

本发明的偏振条纹扫描数字干涉仪如图1、2、4、5所示，沿光束前进的方向，依次是被测透镜〔4〕或显微物镜〔18〕、位相偏振编码器〔5〕〔偏振轴可调的起偏器〔12〕、带偏振小孔〔14〕的偏振板〔13〕和费涅尔相板〔15〕构成〕，成象透镜〔6〕、旋转检偏器〔7〕，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。

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置于被测光学元件之后，将被测的位相分布φ（X，Y）编码为不同偏振角的分布φ（XY）/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^-1A/B

其中A＝ $\underset{\mathrm{K=1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}$ I（X、Y、K）Sin（2πK/N）

B＝ $\underset{\mathrm{K=1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}$ I（X、Y、K）Cos（2πK/N）

本发明的位相偏振编码器（如图2）是由起偏器〔12〕、偏振板〔13〕上的偏振小孔〔14〕和费涅尔相板〔15〕构成的，其相对位置如图3所示，E_p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，E_f和E_s分别是费涅尔相板的快轴和慢轴，E_f与E₁₁，E_s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E₁，由于入射偏振E_p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E_p与E₁的夹角α可使参考波面和被测波面的振幅相等，当它们通过费涅尔相板〔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。

附图说明：

图1是测量透镜、显微物镜的偏振条纹扫描数字干涉仪的光路图。

图2是位相偏振编码器的结构示意图。

图3是位相偏振编码器各元件方向安排图。

图4是测量球面的偏振条纹扫描数字干涉仪的光路图。

图5是测量平面的部分光路图。

图6是已有技术“偏振条纹扫描小孔干涉仪”的光路图。

下面结合附图进一步详细说明本发明及实施例。

图2中〔12〕是起偏器，〔13〕是偏振膜板，〔14〕是偏振膜板上的一孔，即偏振小孔，〔15〕是费涅尔相板，他们的安排方向如图3所示。起偏器〔12〕可调，以改变起偏器偏振轴方向E_p与偏振小孔透射方向E₁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;起偏器的使用面积可很小，可避免对起偏器高质量面形要求;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。

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，不能镀高质质增透膜，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1是测量透镜、显微物镜的偏振条纹扫描数字干涉仪的光路图。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2），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4是测量球面的偏振条纹扫描数字干涉仪的光路图。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5是测量平面的部分光路图。即在测量的偏振条纹扫描数字干涉仪光路中，将图5中的准直镜〔21〕代替图4的球面〔19〕即可测量平面〔22〕。

Claims (4)

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〕、偏振轴可调的起偏器〔12〕、带有偏振小孔〔14〕的偏振板〔13〕、四分之一波片〔15〕、成象透镜〔6〕、旋转检偏器〔7〕、其特征在于所说的四分之一波片为费涅尔相板〔15〕，所说的偏振轴可调起偏器〔12〕位于被测元件〔4〕之后，並与偏振板〔13〕和费涅尔相板〔15〕一起构成位相偏振编码器〔5〕，微机〔10〕通过同步控制机构〔8〕使所说的旋转检偏器〔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。

2、按照权利要求1的偏振条纹扫描数字干涉仪，其特征在于还有聚光镜〔2〕和针孔板〔3〕，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，其象点落在所说的位相偏振编码器〔5〕的偏振小孔〔14〕上。

3、按照权利要求1的偏振条纹扫描数字干涉仪，其特征在于还有单模光纤〔16〕和显微物镜〔18〕，激光光源〔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〕并落在所说的位相偏振编码器〔5〕的偏振小孔〔14〕上。

4、按照权利要求3的偏振条纹扫描数字干涉仪，其特征在于还有准直镜〔21〕激光光源〔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，准直镜〔21〕的球心处于显微物镜〔18〕的物面轴上，通过准直镜〔21〕的激光被测平面〔22〕反射后，经准直镜〔21〕、显微物镜〔18〕成象在点源〔17〕对称的象面位置形成星点〔20〕並落在所说的位相偏振编码器〔5〕的偏振小孔〔14〕。

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