可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀的製作方法

2023-04-25 05:53:16 2

專利名稱：：可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀的製作方法
技術領域：
：本發明屬於光學幹涉測量儀器，尤其涉及斐索型同步移相干涉儀。
背景技術：
：斐索型幹涉儀採用被測光束與參考光束的共光路設計，除參考面外，幹涉儀光學系統自身的像差對被測光束和參考光束的影響基本相同，絕大部分可相互抵消，因而斐索型幹涉儀僅對參考面的精度要求高，而對系統波像差和其它元件的加工、裝配精度要求較低。與泰曼格林型等非共光路幹涉儀相比，斐索型幹涉儀的設計和加工難度明顯降低，因此成為大口徑、大數值孔徑光學系統/元件的波像差/面形檢測的首選。目前，斐索型同步移相干涉儀主要有兩種結構形式。一種是2004年4D公司Millerd等提出的傾斜參考鏡結構(US7，057，738B2)，另一種是1989年Kuchel等提出(US4，872，755)，2006年Kimbrough等改進的短相干光源光程差匹配結構(BradleyT.Kimbrough.PathmatchedvibrationinsensitiveFizeauinterferometer.Ph.Ddissertation,UniversityofArizona,2006)。前一種結構中參考面的傾斜使得測試光與參考光的共光路特性被部分破壞，從而引起相位測量誤差，失去了斐索型幹涉儀最大的優勢。後一種結構通過前置輔助組件產生兩束偏振態正交的光波同時照明主幹涉儀，共形成6組幹涉條紋。使用短時間相干長度的寬帶照明光源，可使前置輔助組件與主幹涉儀時間相干性匹配時，參考面與被測面幹涉形成的被測幹涉條紋對比度達到最大，同時其餘5組附加條紋完全消失，從而實現同軸的斐索同步移相干涉測量。由於前置幹涉組件與主幹涉儀時間相干性匹配要實現光程差的絕對補償，前置輔助組件中的可調反射鏡移動範圍要與參考鏡到被測鏡的距離相等，這使得前置輔助組件中可調反射鏡的移動範圍非常大，從而導致儀器結構龐大，難以小型化。
發明內容本發明的目的在於針對現有上述兩種斐索型同步移相干涉儀的不足，提出一種高精度、方便實用、可小型化的同軸斐索型同步移相干涉檢測方法及儀器。1.—種可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，包括可調擴展光源組件1、前置幹涉儀組件2和主幹涉儀，由可調擴展光源組件發出的光經第一準直透鏡3準直後入射所述前置幹涉儀組件，由所述前置幹涉儀組件的出射光進入主幹涉儀；其中，所述可調擴展光源組件用於提供一個輪廓大小可調且中心位置不變的擴展光源；所述前置幹涉儀組件用於產生兩束呈正交偏振態的光，且這兩束光的光強比例可調，通過可調反射鏡7沿光軸方向的位置調整可實現與主幹涉儀空間相干性匹配；所述主幹涉儀為斐索型幹涉儀，使分別從參考面和被測面反射回的兩束光波形成幹涉場。本申請還涉及一種使用上述同軸斐索型同步移相干涉儀進行幹涉測量的方法，包括以下步驟1)調節可調擴展光源組件，使其形成的擴展光源輪廓尺寸最小，空間相干長度達到最大；2)按斐索幹涉儀光路放置被測件，觀察採集到的實時幹涉條紋；3)調整前置幹涉儀組件中的可調反射鏡，使可調臂與固定臂的長度差與主幹涉儀中測試臂與參考臂的理論長度差之比為f/:f22;4)調整被測面的位置和傾斜狀態，使視場內出現多組較為稀疏的幹涉條紋；5)逐漸增大擴展光源的輪廓尺寸，使其中一組幹涉條紋對比度下降較慢，其餘多組幹涉條紋對比度迅速下降；配合微調前置幹涉儀組件中的可調反射鏡位置，保持所述一組條紋較高的對比度；6)增大擴展光源的輪廓尺寸至所述其餘多組條紋均徹底消失，微調所述可調反射鏡位置，使視場內唯一的一組幹涉條紋的對比度達最佳；同時調整探測器靶面位置，使其與被測面共軛；7)採集移相干涉條紋，並通過幹涉條紋分析計算，恢復出被測面面形或波像差。與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下的優點1)可實現同軸斐索同步移相干涉測量，具有與Kimbrough等改進的短相干光源光程差匹配結構相同的優點，如可實現多表面分離，分別測量平行平板玻璃前、後表面的面形，如CCD前保護玻璃；可在裝校好的光學系統中測量任意一個表面的面形等。2)與Kimbrough等改進的短相干光源光程差匹配結構相比，在同樣的測量範圍下(指被測面到參考面的距離At)，可調鏡的高精度移動範圍由At降為(f乂f》、At，可大幅減小儀器的體積，有利於實現儀器的小型化。例如，當擴束比^/%=1:5，可調鏡的移動範圍可減小至短相干光源光程差匹配結構裝置的1/25。3)光源的相干性被破壞和被測鏡位置誤差均會造成幹涉儀視場中沒有條紋，本發明所述的方法與Kimbrough等改進的短相干光源光程差匹配結構相比，可以實現相干光程的連續可調，且操作方便。先調節可調擴展光源組件，使其產生的擴展光源輪廓尺寸較小，得到相干性好的光源，便於調整被測面找到幹涉條紋；再將調節可調擴展光源組件，使其產生的擴展光源輪廓尺寸較大，降低光源的空間相干性，消除附加條紋的影響，調節起來更為方便。4)探測器靶面與被測面共軛時，幹涉條紋上任意一點的光程差是由被測鏡上該點與參考鏡上一個對應小區域的平均值之間的光程差決定的，如說明書附圖8所示。該平均區域的大小與光源角寬度a^有關。Kimbrough等改進的短相干光源光程差匹配結構中，使用點光源照明，光源角寬度極小，幹涉條紋上任意一點幾乎是由被測鏡上該點與參考鏡上的對應點之間的光程差決定的，參考鏡的面形誤差直接影響測量結果；而本發明提出的結構中，擴展光源角寬度大，參與平均的區域面積也大，故參考鏡的高頻面形誤差被平滑，對測量結果影響較小，因此適用本發明提出的結構，對參考面的高頻面形誤差要求可適當放寬，對製造大口徑幹涉儀和檢測超光滑表面非常有利。5)寬光源總能量高，有利於降低光源功率，可測量更低反射率的被測面面形或透射率更低的系統波像差。圖1是本發明可調寬光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀的一種光學結構示意圖。圖2是可調擴展光源的三種結構形式。圖3為固定臂與可調臂長度差異示意圖。圖4是參考面與被測面間距離的示意圖。圖5是軸外點光源的位置表徵示意圖。圖6是與光軸夾角為a的點光源經固定反射鏡和可調反射鏡反射的兩束光波光程差示意圖。圖7是平行光經過擴束系統後與光軸交角的變化示意圖。圖8是擴展光源情況下與被測面上某點幹涉的參考面區域示意圖。圖中1、可調擴展光源模塊；2、前置輔助組件；3、第一準直透鏡；4、偏振片；5、偏振分光稜鏡；6、入/4波片A;7、可調反射鏡；8、入/4波片B;9、固定反射鏡；11、聚焦透鏡；12、準直成像透鏡；14、參考面；15、被測面；16、分光板；17、光闌；18、第二準直透鏡；19、偏振移相、採集模塊；20、單模穩頻雷射器；21、散射板；22、可調孔徑光闌；23、固定鏡通過偏振分光稜鏡形成的虛像；24、聚焦透鏡與準直成像透鏡共同的焦平面位置，聚焦透鏡焦距為fp準直成像透鏡焦距為f2;25、被測面上任意一點；26、與點25幹涉的參考面區域；27、孔徑光闌；28、變焦鏡頭；29、孔徑光闌27經變焦鏡頭28所成實像；30、聚光鏡。具體實施例本發明"可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀"光路結構見說明書附圖l，包括了，1)可調擴展光源模塊l，用於提供一個輪廓大小可調且中心位置不變的擴展光源，輪廓尺寸調節範圍為幾個微米到幾十毫米。三種可行的可調擴展光源模塊1結構如說明書附圖2所示，包括雷射器20、散射屏21、孔徑光闌27和變焦鏡頭28;或包括雷射器20、孔徑光闌27、聚光鏡30和散射屏21;或包括雷射器20、散射屏21和可調孔徑光闌22。其中散射屏21可由旋轉固體散射板如毛玻璃產生，或液晶空間光調製器產生。2)前置輔助幹涉組件2，其由偏振片4、偏振分光稜鏡5、A/4波片A、A/4波片B、固定反射鏡9和可調反射鏡7組成，利用所述偏振分光稜鏡使參考光與被測光產生正交偏振態，利用偏振片方向調節被測光與參考光的光強比例，並可通過可調反射鏡7沿光軸方向的位置調整可實現與主幹涉儀空間相干性匹配。3)主幹涉儀，所述主幹涉儀為斐索型幹涉儀，使分別從參考面和被測面反射回的兩束正交偏振光波形成幹涉場，所述的主幹涉儀包括沿光路方向依次排列的聚焦透鏡11，分光板16、準直成像透鏡12、參考面14和被測面15，進入主幹涉儀的光經由所述聚焦透鏡和準直成像透鏡擴束，改變軸外光源主光線與光軸的夾角，再通過參考面和置於參考面後方的被測面，經被測件反射沿原光路返回，再由置於聚焦透鏡和準直成像透鏡之間的分光板16反射，經光闌17和第二準直透鏡18射入偏振相移和採集模塊。對於偏振移相和採集模塊19，常用的偏振移相模塊均可，如Millerd等提出的像素偏振移相器(Millerd，J.E.，N.J.Brock，etal.〃Pixelatedphase-maskdynamic，Smythe系統中的偏振分光鏡移相器(R.Smythe，R.Moore.Instantaneousphasemeasuringinterferometry，Opt.Eng，1984，23(4)，361-364.)，ESDI公司PiotrSzwaykowski等提出的基於光學鍍膜技術、波片移相的Fizeau型同步移相器(W02004051182A1)等，實現偏振移相，同時獲得3或4幅具有一定相位差的幹涉圖，由CCD等光電探測器採集，其中光電探測器靶面與被測鏡共軛。採集到的幹涉圖送到數據分析模塊(未圖示)進行分析計算，恢復出被測件的表面面形或波像差。所述的"可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀"原理如下前置幹涉儀固定臂和可調臂對應的出射光偏振方向正交，設其分別為s光和p光。視固定鏡通過偏振分光稜鏡形成的虛像23，記固定臂與可調臂長度差為Al，如說明書附圖3所示；參考面(ReferenceSurface,記為R)與被測面(TestSurface,記為T)之間的距離為At，如說明書附圖4所示。擴展光源可看做無數非相干點光源的集合，其中每個點光源發出的光波被分為4束，分別是經固定反射鏡和被測面反射的光波Ts、經可調反射鏡和被測面反射的光波Tp、經固定反射鏡和參考面反射的光波Rs和經可調反射鏡和參考面反射的光波Rp。進入偏振移相、採集模塊後，這4束光分別向偏振方向投影，兩兩間形成6組幹涉條紋，分別為TsTp、TsRs、TsRp、TpRs、TpRp和RsRp。將每個點光源形成的幹涉條紋分別強度疊加，即得到擴展光源情況下探測器上的光強分布。以點光源到準直透鏡中心連線與光軸的夾角a表徵該點光源的位置，如說明書附圖5所示，則夾角a與該點光源到光軸的距離r之間滿足a=atg(r/f。)，其中f。為準直透鏡焦距。若面光源邊緣位置對應的夾角a亦較小時，上述關係可近似為a=r/f。。與光軸夾角為a的點光源發出的光波經前置輔助組件後，可調臂反射的光波和固定臂反射的光波間光程差為A工=2Alcosa，如說明書附圖6所示(圖6中為顯示清晰，僅畫出了可調鏡7和固定鏡像23的反射面)，小角度近似後A1=2Al-a2*Al。由前置幹涉儀組件出射的兩束光波經過擴束系統後，與光軸的夾角由a變為e，如說明書附圖7所示，有4tgci=f2tgP。角度a、13都較小時，可近似為13=(f/f2)a。與前置幹涉儀組件計算類似，以P角入射到主幹涉儀中的光波經參考鏡和被測鏡反射的兩束光波間的光程差為A2=2AtcosP，小角度近似後，A2=2At-P2At=2At-(f乂f2)2a2At。以"可調臂比固定臂長Al，可調臂一路為p偏振光，固定臂一路為s偏振光"為例，則偏振移相、採集模塊中6組相干光TsTp、TsRs、TsRp、TpRs、TpRp和RsRp對應的光程差A(A=A1+A2)如表1中前兩列所示表1各組幹涉條紋對應的光程差tableseeoriginaldocumentpage8調節可調反射鏡，使其與固定反射鏡像間距離Al=(f/f》2At時，上述6組相干光之間的光程差如表l中第3列所示。可以看出，其中第三種情況TsRp對應的兩束相干光的光程差為2At-2(f/f》、At，與光源位置a角無關，即此時前置幹涉儀與主幹涉儀空間相干性匹配，面光源上各點發出的光波形成的TsRp幹涉條紋完全相同，強度疊加增強的同時條紋對比度不變，形成清晰的幹涉條紋。其它5組相干光束間的光程差由於與光源位置a角有關，光源上每個點形成的幹涉條紋都不相同，相互錯開，故各點疊加時條紋圖案迅速模糊從而形成均勻背景。與本分析類似，若"可調臂比固定臂長Al，可調臂一路為s偏振光，固定臂一路為P偏振光"，則可得到TpRs組合在A1=(f乂f》2At時形成清晰的幹涉條紋。稍許改變可調擴展光源模塊的結構，如在偏振片後加入入/2波片，使可調臂和參考臂中分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光也可達到相同的效果，只要保證前置輔助組件與主幹涉儀滿足Al=(f/f》、At，則前置幹涉儀組件與主幹涉儀空間相干性匹配，必有一組幹涉條紋可在擴展光源情況下具有良好的對比度。因此，本發明"可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀"可實現同步偏振移相干涉，同時可消除其他表面反射光的幹擾，並且可調鏡的移動量僅為被測鏡到參考鏡1距離的使用上述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀測量的步驟為1)打開可調寬光源照明光源模塊中的雷射器並待其穩定，將擴展光源輪廓尺寸調至最小；2)打開計算機及幹涉圖數據處理軟體，調出實時採集到的幹涉條紋。按常規斐索幹涉儀光路放置被測鏡(或系統)；3)粗調整前置輔助組件中的可調反射鏡，使可調臂與固定臂間的長度差與主幹涉儀中測試臂與參考臂間的理論長度差之比為f/:f/，其中^、&的定義見說明書附圖7;4)調整被測鏡或系統的位置和傾斜狀態，使視場內出現多組較為稀疏的幹涉條紋；5)逐漸增大擴展光源輪廓尺寸，其中一組幹涉條紋對比度下降較慢，其餘多組幹涉條紋對比度迅速下降；配合微調輔助幹涉儀組件中的可調反射鏡位置，保持該組條紋較高的對比度；增大擴展光源輪廓尺寸至其餘各組條紋均徹底消失，精調可調反射鏡位置，使視場內唯一的一組幹涉條紋的對比度達到最好；同時調整探測器靶面位置，使其與被測鏡共軛；6)採集移相干涉條紋，並通過幹涉條紋分析軟體計算，恢復出被測表面面形或被測系統的波像差。本申請的可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，利用空間相干性，通過設定聚焦透鏡11和準直成像透鏡12的焦距^、&的比值為適當值，大大減少了測量時可調鏡的移動量，縮小了儀器的體積，可以實現被測面與參考面距離很遠的長光程測量。權利要求一種可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於，包括可調擴展光源組件(1)、前置幹涉儀組件(2)和主幹涉儀，由可調擴展光源組件發出的光經第一準直透鏡(3)準直後入射到所述前置幹涉儀組件，由所述前置幹涉儀組件的出射光進入主幹涉儀；其中，所述可調擴展光源組件用於提供一個輪廓大小可調且中心位置不變的擴展光源；所述前置幹涉儀組件用於產生兩束呈正交偏振態的光，且這兩束光的光強比例可調，通過可調反射鏡(7)沿光軸方向的位置調整可實現與主幹涉儀空間相干性匹配；所述主幹涉儀為斐索型幹涉儀，使分別從參考面和被測面反射回的兩束光波形成幹涉場。2.如權利要求1所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述可調擴展光源組件所提供的擴展光源輪廓尺寸調節範圍為幾個微米到幾十毫米。3.如權利要求2所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述可調擴展光源組件包括雷射器(20)、散射屏(21)、孔徑光闌(27)和變焦鏡頭(28)。4.如權利要求2所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述可調擴展光源組件包括雷射器(20)、孔徑光闌(27)、聚光鏡(30)和散射屏(21)。5.如權利要求2所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述可調擴展光源組件包括雷射器(20)、散射屏(21)和可調孔徑光闌(22)。6.如權利要求3所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述散射屏由旋轉固體散射板或液晶散射器產生。7.如權利要求1所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述的前置幹涉儀組件為麥可遜式，包括偏振片(4)、偏振分光稜鏡(5)、兩個A/4波片(6，8)、固定反射鏡(9)和可調反射鏡(7)，由所述可調擴展光源組件發出的光經第一準直透鏡(3)準直後射入所述偏振片(4)，經所述偏振分光稜鏡(5)分光分成兩束，兩束光分別經入/4波片(6，8)和反射鏡(7，9)，由固定反射鏡和可調反射鏡反射的光再經所述偏振分光稜鏡合光後出射。8.如權利要求1所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述主幹涉儀包括聚焦透鏡(ll)，分光板(16)、準直成像透鏡(12)、參考面(14)和被測面(15)，進入主幹涉儀的光經由所述聚焦透鏡和準直成像透鏡擴束後順序通過參考面和置於參考面後方的被測面，經被測面反射沿原光路返回，再由置於聚焦透鏡和準直成像透鏡之間的分光板(16)反射，經光闌(17)和第二準直透鏡(18)射入偏振相移和採集模塊(19)，所述偏振相移和採集模塊提供偏振相移並採集具有相位差的幹涉圖，所述採集到的幹涉圖由數據分析模塊進行分析計算，恢復出被測面的表面面形或波像差。9.如權利要求1所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述前置幹涉儀組件中的可調臂與固定臂間的長度差與主幹涉儀中測試臂與參考臂間的理論長度差之比為f/:f/，所述^是聚焦透鏡(11)的焦距，&是準直成像透鏡(12)的焦距。10.如權利要求1所述可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，其特徵在於所述的偏振移相和採集模塊包括CCD光電探測器，所述CCD光電探測器靶面與被測面共軛。11.一種使用如權利要求1所述同軸斐索型同步移相干涉儀進行幹涉測量的方法，包括以下步驟1)調節可調擴展光源組件，使其形成的擴展光源輪廓尺寸最小，空間相干長度達到最大；2)按斐索幹涉儀光路放置被測件，觀察採集到的實時幹涉條紋；3)調整前置幹涉儀組件中的可調反射鏡，使可調臂與固定臂的長度差與主幹涉儀中測試臂與參考臂的理論長度差之比為f/:f22;4)調整被測面的位置和傾斜狀態，使視場內出現多組較為稀疏的幹涉條紋；5)逐漸增大擴展光源的輪廓尺寸，使其中一組幹涉條紋對比度下降較慢，其餘多組幹涉條紋對比度迅速下降；配合微調前置幹涉儀組件中的可調反射鏡位置，保持所述一組條紋較高的對比度；6)增大擴展光源的輪廓尺寸至所述其餘多組條紋均徹底消失，微調所述可調反射鏡位置，使視場內唯一的一組幹涉條紋的對比度達最佳；同時調整探測器靶面位置，使其與被測面共軛；7)採集移相干涉條紋，並通過幹涉條紋分析計算，恢復出被測面面形或波像差。全文摘要一種可調擴展光源照明的同軸斐索型同步移相干涉儀，屬於光學幹涉測量儀器領域。其構成包括擴展光源組件、前置麥可遜型幹涉儀組件和斐索型主幹涉儀。本發明採用前置幹涉儀組件產生兩束呈正交偏振態的照明光波，通過前置幹涉儀與主幹涉儀空間相干性的匹配實現被測面與參考面的偏振移相干涉，並利用擴展光源空間相干光程短的特性消除附加條紋。本發明具有測量距離遠、對比度連續可調、相干光程連續可調、易於操作、對參考面高頻面形誤差要求較低等特點，可用於光學元件的高精度檢測、光學元件在線檢測和超光滑表面檢測等領域。文檔編號G01J9/02GK101788263SQ20101012030公開日2010年7月28日申請日期2010年3月9日優先權日2010年3月9日發明者朱秋東,王姍姍申請人:北京理工大學