對於平板表面形貌的幹涉測量裝置的製作方法

2023-06-02 05:17:51 1

專利名稱：對於平板表面形貌的幹涉測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種對於平板表面形貌的幹涉測量裝置，特別是涉及到測量透明平板表面形貌的相位共軛幹涉的結構。
背景技術：
在測量透明平板的表面形貌時，除了被測前外表面的反射光外，還存在透明平板後內表面的反射光。因此，幹涉信號中除了被測前外表面反射光與參考光Gc所產生的幹涉信號外，還包括了被測前外表面反射光與透明平板後內表面反射光所產生的幹涉信號，以及後內表面反射光與參考光Gc所產生的幹涉信號，這些噪音使得難以正確得到透明平板被測前外表面的表面形貌。為解決這個問題，美國的Peter de Groot提出使用波長可調半導體雷射移相干涉儀實現了透明平板外表面形貌的測量(參見在先技術[1]Peter de Groot，「Measurement of transparent plates with wavelength-tuned phase-shiftinginterferometry，」Appl.Opt.2001，39(16)，2658-2663)。其幹涉儀如圖1所示。雷射光源7為半導體雷射器，它的波長由驅動電源8改變雷射光源7的注入電流來調製。雷射光源7發出的光束由第一分束器3反射，反射光經過第二透鏡4後準直為平行光束；平行光束透過參考平板5照在透明平板6被測前外表面601和後內表面602上。它們的反射光透過同光軸依次放置的參考平板5、第二透鏡4、第一分束器3、第一透鏡2後成像到二維光電探測器1上，二維光電探測器1將光信號轉換為電信號，並通過模數轉換器10輸送到計算機9上，計算機根據移相算法求出透明平板6被測前外表面601的表面形貌。
由於透明平板6後內表面602反射光的存在，圖1中二維光電探測器1探測到的幹涉信號可以表示為I=2R[32-cos-cos+cos(+)]+O(R2),---(1)]]>θ＝2k(h1-h0)+2kL，(2)φ＝2kn(h2-h1)+2knT， (3)其中，θ和φ為參考變量；I為幹涉信號強度；k為波矢；h1，h2和h3分別是參考平板5後外表面，透明平板6被測前外表面601和後內表面602的表面形貌；L為參考平板5後外表面與透明平板6前外表面601之間的距離；T為透明平板6的厚度；n為透明平板6的折射率；R為光在參考平板5的前外表面，透明平板6前外表面601和後內表面602的反射率。O(R2)表示省略包含R的高次因子的項。
在沒有透明平板6後內表面602反射光存在的情況下，幹涉信號I只包含直流分量和一次諧波。否則，將存在高次諧波分量，這會對測量結果造成誤差。在先技術[1]中定義變量Γ＝nT/L，隨著Γ的不同，高次諧波的分布也將不同。在先技術[1]認為Γ取值在2到5範圍內比較合適。在先技術[1]使用以下的移相算法求出被測表面的相位分布 s＝(-3 -4 012 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，為透明平板6被測前外表面601的相位分布；Ij表示移項進行到第j步時二維光電探測器1探測到的幹涉信號強度；公式(4)中的s(j)和c(j)相應的值從公式(5)和(6)中第j項得到。
透明平板6被測前外表面601的表面形貌h2可由下式求得 式中λ為雷射光源7的輸出波長。在先技術[1]的缺點在於外界環境的振動會對測量結果造成誤差。

發明內容
本實用新型為克服在先技術[1]中所存在的缺點，提供一種使用波長可調半導體雷射器作光源測量透明平板表面形貌的相位共軛幹涉儀，包括帶有驅動電源8的雷射光源7，雷射光源7發射的雷射束經第三透鏡11和第二透鏡4準直為平行雷射束射到待測透明平板6上，在第三透鏡11和第二透鏡4之間的光路上置有第一分束器3；由物光Gw和參考光Gc產生的幹涉光束經第一透鏡2會聚在光電探測器1的接收面上，光電探測器1的輸出經過模數轉換器10輸進計算機9裡；所說的物光Gw是由待測透明平板6反射回來的雷射束經過第二透鏡4和第一分束器3的反射後，再透過第四透鏡12、第二分束器13、第三分束器14和第五透鏡15聚焦於光折變晶體16內，由光折變晶體16返回的光束再透過第五透鏡15至第三分束器14上；所說的參考光Gc是由待測透明平板6反射回來的雷射束經過第二透鏡4和第一分束器3的反射後，再透過第四透鏡12射到第二分束器13上，由第二分束器13反射的光束經過置於平移臺21上光程差調節器22內的反射鏡20的反射，再透過光程差調節器22內的第七透鏡19和第六透鏡18後經第二反射鏡17的反射至第三分束器14上，與上述物光Gw相遇產生幹涉光束射向第一透鏡2。
如上所述的結構如圖2所示，包括帶有驅動電源8的雷射光源7發出的光束由第三透鏡11和第二透鏡4準直為平行光束，並照在待測透明平板6被測前外表面601和後內表面602上。待測透明平板6被測前外表面601由第二透鏡4和第四透鏡12成像於第四透鏡12和第二分束器13之間的像面A上。待測透明平板6的反射光束被第一分束器3反射。該反射光透過第四透鏡12後變為平行光束，再由第二分束器13分束。從第二分束器13透射的光束(物光Gw)經過第三分束器14和第五透鏡15會聚後照在光折變晶體16上。從第二分束器13反射的光束(參考光Gc)經第一反射鏡20、第七透鏡19、第六透鏡18和第二反射鏡17後透過第三分束器14。待測透明平板6被測前外表面601由第二透鏡4，第四透鏡12，第五透鏡15，光折變晶體16和第一透鏡2成像於二維光電探測器1上。待測透明平板6被測前外表面601由第二透鏡4，第四透鏡12，第七透鏡19，第六透鏡18和第一透鏡2也成像於二維光電探測器1上。通過調節光程差調節器22改變物光Gw與參考光Gc之間的光程差L，使得待測透明平板6厚度T與其折射率n的乘積約為此光程差L的不小於2的整數倍。光程差調節器22由微平移臺21以及固定在它上面的第一反射鏡20，第二反射鏡17，第七透鏡19，和第六透鏡18組成。二維光電探測器1將幹涉光信號轉換為電信號，電信號由模數轉換器10被計算機9收集並處理。
上面所說的雷射光源7為波長可調的半導體雷射器，或者是波長可調的固體雷射器，或者是波長可調的氣體雷射器。
所說的驅動電源8提供直流信號給雷射光源7。
所說的分束器3，13和14是指能夠將入射光按分光比(透射率與反射率之比)分成兩束光的分光元件。如分光稜鏡、或一面鍍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的分光比分別為1∶1，7∶3和3∶7。
所說的光折變晶體16是能產生相位共軛光的晶體，產生的相位共軛光與入射光功率之比約為60％。相位共軛光是與入射光波在相位(即波陣面)及偏振態上互為時間反演的光波。光折變晶體可以是鈮酸鋰(LiNbO3)晶體，或者是鈦酸鋇(BaTiO3)晶體，或者是鈮酸鍶鋇(KNSBN)晶體等。
所說的光電探測器1是能將光信號轉換為電信號的二維探測器，如二維電荷耦合器(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)探測器。
所說的平移臺21為能手動或自動實現微米量級移動的平臺。
具體的描述是設待測透明平板6被測前外表面601某點相位為，由於外界振動將導致該點相位為+Δ，其中Δ為外界振動引起的誤差。由於第二透鏡4，第四透鏡12，第七透鏡19，第六透鏡18和第一透鏡2的成像作用，參考光Gc成像到二維光電探測器1上，其相位為+Δ。物光+Δ射入光折變晶體16中，由於光折變晶體16的特性，其產生的相位共軛光的相位為-+Δ。因此，對應於上面所說的待測透明平板6被測前外表面601上相位為的點的物光Gw和參考光Gc的幹涉信號的相位為(+Δ)-(-+Δ)＝2。顯然，外界振動引起的誤差Δ被消除了。
計算機9採集到幹涉信號I後，按下面17步移相算法計算出 s＝(0 sinπ/8 sinπ/4 sin3π/8 1 sin5π/8 sin3π/4 sin7π/8 0sin9π/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Ij表示移項進行到第j步時，二維光電探測器1探測到的幹涉信號強度；公式(8)中的s(j)和c(j)相應的值從公式(9)和(10)中第j項可得。
待測透明平板6被測前外表面601上相位為的點對應表面高度h2可由下式求得 本實用新型與在先技術[1]相比採用了相位共軛技術，在物光Gw的光路上置有光折變晶體16，使得幹涉儀對外界振動不敏感，降低了由於外界振動引起的測量誤差。相位的測量精度達到0.01rad是較容易實現的。若採用常用的波長λ為785nm的半導體雷射器，那麼表面高度h2的測量精度為0.3nm。若相位的測量精度提高到0.001rad，那麼表面高度h2的測量精度可以提高到0.03nm。而且，由公式(7)和(11)的對比可知，本實用新型與在先技術[1]相比，測量靈敏度提高了一倍。


圖1為在先技術[1]的裝置示意圖；圖2為本實用新型的對於平板表面形貌的幹涉測量裝置的結構示意圖圖3為具體實施方式
中二維電荷耦合器的光電探測器探測的幹涉信號強度分布圖。
圖4為具體實施方式
中計算機9計算出的待測透明平板6的被測前外表面601的表面形貌圖。
具體實施方式
如圖2所示的結構，其中，雷射光源7採用波長為785nm的半導體雷射器。通過驅動電源8改變半導體雷射器的注入電流。雷射光源7發出的光束經第三透鏡11，第一分束器3和第二透鏡4後準直為平行光束照射在待測透明平板6被測前外表面601和後內表面602上。待測透明平板6的厚度T≈6釐米，折射率n≈1.5的玻璃平板。待測透明平板6的被測前外表面601由第二透鏡4和第四透鏡12成像於第四透鏡12和第二分束器13之間的像面A上。第一分束器3的分束比為1∶1。待測透明平板6的被測前外表面601的反射光由第一分束器3反射後照在第二分束器13上，有70％的光束透過，30％的光束反射，即第二分束器13的分束比為7∶3。透射光同光軸地依次通過第三分束器14和第五透鏡15，第三分束器14的分束比為3∶7；第五透鏡15將光束聚焦於摻鈰鈦酸鋇晶體(CeBaTiO3)的光折變晶體16中，CeBaTiO3晶體產生相位共軛光的反射率約為60％。相位共軛光沿光折變晶體16內的入射光原路返回。待測透明平板6的被測前外表面601由第二透鏡4，第四透鏡12，第五透鏡15，光折變晶體16和第一透鏡2成像於二維電荷耦合器的光電探測器1上。該被測前外表面601同時由第二透鏡4，第四透鏡12，第七透鏡19，第六透鏡18，和第一透鏡2成像於二維CCD的光電探測器1上。第一反射鏡20，第七透鏡19、第六透鏡18和第二反射鏡17固定於平移臺21上。平移臺21移動量的解析度為微米量級。第一反射鏡20，第七透鏡19、第六透鏡18、第二反射鏡17和平移臺21構成光程差調節器22。調節光程差調節器22使物光Gw與參考光Gc之間的光程差L＝4.5釐米，此時變量Γ為2。幹涉信號(如圖3所示)由二維CCD的光電探測器1轉換為電信號，經模數轉換器10後由計算機9採集。計算機9按公式(8)，(9)，(10)和(11)計算出待測透明平板6的被測前外表面601的表面形貌，其結果如圖4所示，它的峰谷值(最大值與最小值之差)為69.96nm。
權利要求1.一種對於平板表面形貌的幹涉測量裝置，包括1帶有驅動電源(8)的雷射光源(7)，由雷射光源(7)發射的雷射束經第三透鏡(11)和第二透鏡(4)準直為平行雷射束射到待測透明平板(6)上，在第三透鏡(11)和第二透鏡(4)之間的光路上置有第一分束器(3)；2由物光(Gw)和參考光(Gc)產生的幹涉光束經第一透鏡(2)會聚在光電探測器(1)的接收面上，光電探測器(1)的輸出經過模數轉換器(10)輸進計算機(9)裡；其特徵在於3所說的物光(Gw)是由待測透明平板(6)反射回來的雷射束經過第二透鏡(4)和第一分束器(3)的反射後，再透過第四透鏡(12)、第二分束器(13)、第三分束器(14)和第五透鏡(15)聚焦於光折變晶體(16)內，由光折變晶體(16)返回的光束再透過第五透鏡(15)至第三分束器(14)上；4所說的參考光(Gc)是由待測透明平板(6)反射回來的雷射束經過第二透鏡(4)和第一分束器(3)的反射後，再透過第四透鏡(12)射到第二分束器(13)上，由第二分束器(13)反射的光束經過置於平移臺(21)上光程差調節器(22)內的反射鏡(20)的反射，再透過光程差調節器(22)內的第七透鏡(19)和第六透鏡(18)後經第二反射鏡(17)的反射至第三分束器(14)上，與上述物光(Gw)相遇產生幹涉光束射向第一透鏡(2)。
2.根據權利要求1所述的對於平板表面形貌的幹涉測量裝置，其特徵在於所說的第一分束器(3)的分光比為1∶1，第二分束器(13)的分光比為7∶3，第三分束器(14)的分光比為3∶7。
3.根據權利要求1所述的對於平板表面形貌的幹涉測量裝置，其特徵在於所說的光折變晶體(16)是能夠產生相位共軛光的鈮酸鋰晶體，或是鈦酸鋇晶體，或是鈮酸鍶鋇晶體。
專利摘要一種對於平板表面形貌的幹涉測量裝置，包括產生幹涉光束的物光和參考光。物光是由雷射光源發射的雷射束經第三透鏡和第二透鏡的平行光束射到待測透明平板上後反射回來的光束經第二透鏡和第一分束器的反射，透過第四透鏡、第二分束器、第三分束器、第五透鏡至光折變晶體，由光折變晶體返回再經第五透鏡至第三分束器。參考光是由第二分束器反射的光束經第一反射鏡、第七透鏡、第六透鏡和第二反射鏡至第三分束器與物光相遇產生幹涉。與在先技術相比，本實用新型在物光的光路上置有光折變晶體產生共軛光，使得測量靈敏度提高了一倍。
文檔編號G01B11/24GK2577238SQ02260949
公開日2003年10月1日 申請日期2002年10月24日 優先權日2002年10月24日
發明者錢鋒, 王向朝, 王學鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所