雙軸mems掃描的外差幹涉系統及方法
2024-02-03 22:52:15
專利名稱：雙軸mems掃描的外差幹涉系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種基於快速光掃描的雷射外差幹涉儀系統和方法。
技術背景
外差幹涉是使兩束幹涉光波頻率產生一個頻差，使原來的以光頻為載波的被檢 信息轉移到以這一頻差為載波的視頻信號，從而使光電探測器後的前置放大器可以用交 流放大器代替原先的直流放大器，使信號的直流漂移及大部分隨機噪聲得到有效的抑 制，提高了測量精度及重複性精度。外差幹涉實時檢測技術以其測量精度高，測量速度 快，縱向解析度和橫向解析度高而被廣泛應用在超光滑表面檢測，光學玻璃的面型測量 以及薄膜厚度的測量方面。
作為正交偏振外差幹涉儀系統中的光源發射系統，正交偏振光源的重要性就顯 得尤為重要。目前廣泛應在雷射外差幹涉儀系統中的正交偏振光源大多是基於塞曼效應 的He-Ne雷射器，該雷射器依靠在He-Ne雷射管上外加磁場，由塞曼效應分裂後產生左 旋光和右旋光。但是由於外加磁場的不理想，引起了正交偏振光的偏振方向不是嚴格的 垂直正交。
隨著紅外光學材料的發展以及被廣泛應用在各個領域，對於紅外光學材料的檢 測也就隨之被廣泛關注。然而，目前的雷射外差幹涉儀系統中所用到的雷射光源仍然停 留在可見光波段附近，比較常用的光源一般採用光束質量較好He-Ne雷射器，或者是具 有一定帶寬的半導體雷射器。這些波長對於紅外材料的高精度測量已經滿足不了要求。
外差幹涉儀系統不管是用來檢測超光滑樣品的表面還是薄膜的厚度測量，都是 對整個待測樣品表面的整體測量。早期的外差幹涉儀系統中大都採用待測樣品的機械運 動的方式來達到對樣品全局掃描測量的目的。這種方式簡單易操作，但是由於機械運動 的方式存在比較大的振動誤差，給橫向測量解析度和縱向測量解析度帶來較大的影響。
總而言之，目前的正交偏振外差幹涉儀系統中主要存在以下四方面的問題。 (一)，工作波長停留在可見光波段。(二)掃描方式採用樣品運動的方式來達到掃描的 目的。(三)，幹涉系統中光束的傳播途徑是自由空間的模式。(四)正交偏振光源採用 塞曼效應的雙頻發射系統。發明內容
本發明為了解決現有的正交偏振外差幹涉儀技術工作波長為可見光波段，並且 震動誤差大的問題，提出一種雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統及方法。
雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，它包括分束稜鏡、檢偏器、第一光電探測 器、第二偏振分束稜鏡、第三偏振分束稜鏡、合束稜鏡、第二光電探測器、計算機、1/4 波片、MEMS振鏡、F-Theta透鏡組、待測樣品池和反射鏡，分束稜鏡將入射至其中 心位置的光束進行分束形成反射光束和透射光束，其中反射光束經過檢偏器後聚焦至第 一光電探測器的光敏面上，第一光電探測器的信號輸出端與計算機的第一信號輸入端相連，所述透射光束經過第二偏振分束稜鏡透射的光束傳播至第三偏振分束稜鏡，所述透 射光束經過第二偏振分束稜鏡反射的光束傳播至合束稜鏡，第三偏振分束稜鏡透射的光 束先後經過1/4波片和MEMS振鏡之後入射至F-Theta透鏡組，所述MEMS振鏡設置在 F-Theta透鏡組的系統焦點處，F-Theta透鏡組的出射光束射入待測樣品池，待測樣品池 的出射光束經過反射鏡的反射沿原光路返回至第三偏振分束稜鏡，第三偏振分束稜鏡反 射的光束傳播至合束稜鏡，合束稜鏡的出射光束聚焦至第二光電探測器的光敏面上，第 二光電探測器的信號輸出端與計算機的第二信號輸入端相連。
雙軸MEMS掃描的正交偏振雷射外差幹涉方法，它是基於雙軸MEMS掃描的正 交偏振雷射外差幹涉系統實現的，偏振正交雷射發射系統出射的光束經過分束稜鏡後被 分成第一透射光束和第一反射光束，所述第一反射光束和第一透射光束均為偏振正交光 束，第一反射光束經過檢偏器後變成偏振方向與紙面成45°的光束，並且入射至第一光 電探測器的光敏面上，第一光電探測器的輸出信號作為參考中頻信號發送至計算機，第 一透射光束經過第二偏振分束稜鏡後光束中的S光被反射出去，P光被透射出去，所述P 光經過第三偏振分束稜鏡後再次被透射，入射至1/4波片，經過1/4波片透射出的光束變 成右旋圓偏振光後，照射在MEMS振鏡上，MEMS振鏡的快軸和慢軸同時轉動，在空間 掃描出了一個空間範圍，在空間的掃描光束透射過F-Theta透鏡組變成平行光透射過待測 樣品池，經過反射鏡的平行光沿原光路返回，再次透射過待測樣品池、F-Theta透鏡組、 MEMS振鏡和1/4波片，經過1/4波片的右旋圓偏振光變成S光後入射至第三偏振分束稜 鏡，經過第三偏振分束稜鏡反射的S光和第二偏振分束稜鏡反射的S光共同進入到合束稜 鏡中進行幹涉，上述兩束混合光束被第二光電探測器的光敏面接收，第二光電探測器的 輸出信號作為測量中頻信號發送至計算機，經過計算機處理後得到待測樣品的物理量信 息，所述物理量信息包括表面輪廓起伏信息，厚度信息，折射率分布信息。
本發明的裝置和方法採用人眼安全的2μιη雷射波長，雷射光束是通過光纖來傳 播的，正交偏振雷射發射系統通過採用兩個聲光移頻器件來實現雙光束髮射的目的。快 速掃描方式是通過MEMS振鏡和F-Theta透鏡組的組合光學掃描系統來實現對樣品的掃 描目的，本發明適用於紅外光學材料的檢測領域。
圖1為雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統的結構示意圖。圖2為雙軸MEMS掃 描的外差幹涉系統的另一種結構示意圖。圖3為具體實施方式
十一中F-Theta透鏡組18 的結構示意圖。圖4為MEMS振鏡17和F-Theta透鏡組18結合的組合的結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一、結合圖1和圖2說明本實施方式，雙軸MEMS掃描的外差幹 涉系統，它包括分束稜鏡8、檢偏器9、第一光電探測器10、第二偏振分束稜鏡11、第三 偏振分束稜鏡12、合束稜鏡13、第二光電探測器14、計算機15、1/4波片16、MEMS 振鏡17、F-Theta透鏡組18、待測樣品池19和反射鏡20，分束稜鏡8將入射至其中心位 置的光束進行分束形成反射光束和透射光束，其中反射光束經過檢偏器9後聚焦至第一 光電探測器10的光敏面上，第一光電探測器10的信號輸出端與計算機15的第一信號輸入端相連，所述透射光束經過第二偏振分束稜鏡11透射的光束傳播至第三偏振分束稜鏡 12，所述透射光束經過第二偏振分束稜鏡11反射的光束傳播至合束稜鏡13，第三偏振分 束稜鏡12透射的光束先後經過1/4波片16和MEMS振鏡17之後入射至F-Theta透鏡組 18，所述MEMS振鏡17設置在F-Theta透鏡組18的系統焦點處，F-Theta透鏡組18的 出射光束射入待測樣品池19，待測樣品池19的出射光束經過反射鏡20的反射沿原光路返 回至第三偏振分束稜鏡12，第三偏振分束稜鏡12反射的光束傳播至合束稜鏡13，合束稜 鏡13的出射光束聚焦至第二光電探測器14的光敏面上，第二光電探測器14的信號輸出 端與計算機15的第二信號輸入端相連。
具體實施方式
二、結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施 方式一的進一步說明，雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，它還包括正交偏振雷射發射系 統，該正交偏振雷射發射系統包括雷射器1、光纖分束器2、第一偏振移頻模塊kl、第二 偏振移頻模塊k2和第一偏振分束稜鏡7，雷射器1發射的線偏振光進入光纖分束器2，被 分為兩個支路，其中第一支路的光束經過第一偏振移頻模塊kl後變成第一線偏振光入射 至第一偏振分束稜鏡7，第一線偏振光後經過第一偏振分束稜鏡7被透射出去，第二支路 的光束經過第二偏振移頻模塊k2後變成第二線偏振光入射至第一偏振分束稜鏡7，第二 線偏振光經過第一偏振分束稜鏡7被反射出去，第一偏振分束稜鏡7的透射光束與反射光 束形成一束光發射至分束稜鏡8的中心位置，所述第一線偏振光和第二線偏振光偏振方 向相互垂直。
具體實施方式
三、本實施方式是對具體實施方式
二的進一步說明，雷射器1為 2 μ m雷射器。
雷射器1的工作波長處於人眼安全的2 μ m波段。
具體實施方式
四、本實施方式是對具體實施方式
二或三的進一步說明，第一偏 振移頻模塊kl由第一聲光頻移器3和第一偏振器5組成，第二偏振移頻模塊k2由第二聲 光頻移器4和第二偏振器6組成，第一支路的光束經過第一聲光頻移器3後入射至第一偏 振器5，第一偏振器5出射的光束為第一線偏振光；第二支路的光束經過第二聲光頻移器 4後入射至第二偏振器6，第二偏振器6出射的光束為第二線偏振光；
具體實施方式
五、本實施方式是對具體實施方式
二或三的進一步說明，第一偏 振移頻模塊kl由第一聲光頻移器3和第一偏振器5組成，第二偏振移頻模塊k2由第二聲 光頻移器4和第二偏振器6組成，第一支路的光束經過第一偏振器5後入射至第一聲光頻 移器3，第一聲光頻移器3出射的光束為第一線偏振光，第二支路的光束經過第二偏振器 6後入射至第二聲光頻移器4，第二聲光頻移器4出射的光束為第二線偏振光。
具體實施方式
六、本實施方式是對具體實施方式
四或五的進一步說明，第一偏 振移頻模塊kl使得第一線偏振光的偏振方向垂直於紙面，第二偏振移頻模塊k2使得第二 線偏振光的偏振方向平行於紙面。
具體實施方式
七、本實施方式是對具體實施方式
一、二、三、四、五或六的進 一步說明，分束稜鏡8的分光比為50 50。
具體實施方式
八、本實施方式是對具體實施方式
六或七的進一步說明，檢偏器9 的偏振方向與紙面夾角為45°。
具體實施方式
九、本實施方式是對具體實施方式
六的進一步說明，第一偏振分束稜鏡7、第二偏振分束稜鏡11和第三偏振分束稜鏡12均是透射偏振方向垂直於紙面光 束，反射偏振方向平行於紙面的光束。
具體實施方式
十、本實施方式是對具體實施方式
一、二、三、四、五、六、 七、八或九的進一步說明，MEMS振鏡17接收光束直徑為1mm，並且二維最大空間掃描 角度為40度。
具體實施方式
十一、本實施方式是對具體實施方式
一、二、三、四、五、六、 七、八、九或十的進一步說明，F-Theta透鏡組18由第一透鏡18-1、第二透鏡18-2和第 三透鏡18-3組成，所述第一透鏡18-1和第二透鏡18-2的材料是SFl 1，第三透鏡18_3 的材料是BK7，其中第一透鏡18-1的第一表面的曲率半徑為-241mm，第二表面的曲 率半徑為-197.70mm，中心厚度為31.15mm，邊沿厚度為25.72mm，第二透鏡18_2的 第一表面的曲率半徑為-1472.30mm，第二表面的曲率半徑為-510.50mm，中心厚度為 19.87mm，邊沿厚度為5.00mm，第三透鏡18_3的的第一表面的曲率半徑為1432.20mm， 第二表面的曲率半徑為-1260.83mm，中心厚度為M.16mm，邊沿厚度為5.00mm。
所述第一透鏡18-1、第二透鏡18-2和第三透鏡18_3的具體參數如下表所示
權利要求
1.雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，其特徵在於它包括分束稜鏡(8)、檢偏器(9)、 第一光電探測器(10)、第二偏振分束稜鏡(11)、第三偏振分束稜鏡(12)、合束稜鏡 (13)、第二光電探測器(14)、計算機(15)、1/4 波片(16)、MEMS 振鏡(17)、F-Theta 透鏡組(18)、待測樣品池(19)和反射鏡(20)，分束稜鏡(8)將入射至其中心位置的光束 進行分束形成反射光束和透射光束，其中反射光束經過檢偏器(9)後聚焦至第一光電探 測器(10)的光敏面上，第一光電探測器(10)的信號輸出端與計算機(15)的第一信號輸 入端相連，所述透射光束經過第二偏振分束稜鏡(11)透射的光束傳播至第三偏振分束稜 鏡(12)，所述透射光束經過第二偏振分束稜鏡(11)反射的光束傳播至合束稜鏡(13)，第 三偏振分束稜鏡(12)透射的光束先後經過1/4波片(16)和MEMS振鏡(17)之後入射至 F-Theta透鏡組(18)，所述MEMS振鏡(17)設置在F-Theta透鏡組(18)的系統焦點處， F-Theta透鏡組(18)的出射光束射入待測樣品池(19)，待測樣品池(19)的出射光束經過 反射鏡(20)的反射沿原光路返回至第三偏振分束稜鏡(12)，第三偏振分束稜鏡(12)反射 的光束傳播至合束稜鏡(13)，合束稜鏡(13)的出射光束聚焦至第二光電探測器(14)的光 敏面上，第二光電探測器(14)的信號輸出端與計算機(15)的第二信號輸入端相連。
2.雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，其特徵在於它還包括正交偏振雷射發射系統， 該正交偏振雷射發射系統包括雷射器(1)、光纖分束器(2)、第一偏振移頻模塊(kl)、第 二偏振移頻模塊(k2)和第一偏振分束稜鏡(7)，雷射器(1)發射的線偏振光進入光纖分束 器(2)，被分為兩個支路，其中第一支路的光束經過第一偏振移頻模塊(kl)後變成第一 線偏振光入射至第一偏振分束稜鏡(7)，第一線偏振光後經過第一偏振分束稜鏡(7)被透 射出去，第二支路的光束經過第二偏振移頻模塊(k2)後變成第二線偏振光入射至第一偏 振分束稜鏡(7)，第二線偏振光經過第一偏振分束稜鏡(7)被反射出去，第一偏振分束稜 鏡(7)的透射光束與反射光束形成一束光發射至分束稜鏡(8)的中心位置，所述第一線偏 振光和第二線偏振光偏振方向相互垂直。
3.根據權利要求2所述的雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，其特徵在於雷射器(1) 為2ym雷射器。
4.根據權利要求2或3所述的雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，其特徵在於第一偏 振移頻模塊(kl)由第一聲光頻移器(3)和第一偏振器(5)組成，第二偏振移頻模塊(k2) 由第二聲光頻移器(4)和第二偏振器(6)組成，第一支路的光束經過第一聲光頻移器(3) 後入射至第一偏振器(5)，第一偏振器(5)出射的光束為第一線偏振光；第二支路的光束 經過第二聲光頻移器(4)後入射至第二偏振器(6)，第二偏振器(6)出射的光束為第二線 偏振光；或者第一支路的光束經過第一偏振器(5)後入射至第一聲光頻移器(3)，第一聲光頻 移器(3)出射的光束為第一線偏振光，第二支路的光束經過第二偏振器(6)後入射至第二 聲光頻移器(4)，第二聲光頻移器(4)出射的光束為第二線偏振光。
5.根據權利要求1所述的雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，其特徵在於分束稜鏡(8) 的分光比為50 50。
6.根據權利要求2所述的雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，其特徵在於第一偏振移 頻模塊(kl)使得第一線偏振光的偏振方向垂直於紙面，第二偏振移頻模塊(k2)使得第二 線偏振光的偏振方向平行於紙面，檢偏器(9)的偏振方向與紙面夾角為45°。
7.根據權利要求1所述的雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統，其特徵在於F-Theta透 鏡組(18)由第一透鏡(18-1)、第二透鏡(18-2)和第三透鏡(18-3)組成，所述第一透鏡 (18-1)和第二透鏡(18-2)的材料均是SF11，第三透鏡(18_3)的材料是BK7，其中第 一透鏡(18-1)的第一表面的曲率半徑為-241mm，第二表面的曲率半徑為_197.70mm， 中心厚度為31.15mm，邊沿厚度為25.72mm，第二透鏡(18_2)的第一表面的曲率半徑 為-1472.30mm，第二表面的曲率半徑為-510.50mm，中心厚度為19.87mm，邊沿厚度為 5.00mm,第三透鏡(18_3)的的第一表面的曲率半徑為1432.20mm，第二表面的曲率半徑 為-1260.83mm，中心厚度為24.16mm，邊沿厚度為5.00mm。
8.雙軸MEMS掃描的正交偏振雷射外差幹涉方法，其特徵在於它是基於雙軸MEMS 掃描的外差幹涉系統實現的，分束稜鏡(8)將入射光束分成第一透射光束和第一反射光 束，所述入射光由偏振方向正交的兩束光束組成，所述第一反射光束和第一透射光束均 由偏振方向正交的兩束光束組成，第一反射光束經過檢偏器(9)後偏振方向改變45°， 並且入射至第一光電探測器(10)的光敏面上，第一光電探測器(10)的輸出信號作為參考 中頻信號發送至計算機(15)，第一透射光束經過第二偏振分束稜鏡(11)後光束中的S光 被反射出去，P光被透射出去，所述P光經過第三偏振分束稜鏡(12)後再次被透射，入射 至1/4波片(16)，經過1/4波片(16)透射出的光束變成右旋圓偏振光後，照射在MEMS 振鏡(17)上，MEMS振鏡(17)的快軸和慢軸同時轉動，在空間掃描出了一個空間範 圍，在空間的掃描光束透射過F-Theta透鏡組(18)變成平行光透射過待測樣品池(19)， 經過反射鏡(20)的平行光沿原光路返回，再次透射過待測樣品池(19)、F-Theta透鏡組 (18)、MEMS振鏡(17)和1/4波片(16)，經過1/4波片(16)的右旋圓偏振光變成S光 後入射至第三偏振分束稜鏡(12)，經過第三偏振分束稜鏡(12)反射的S光和第二偏振分 束稜鏡(11)反射的S光共同進入到合束稜鏡(13)中進行幹涉形成混合光束，上述混合光 束被第二光電探測器(14)的光敏面接收，第二光電探測器(14)的輸出信號作為測量中頻 信號發送至計算機(15)，計算機(15)對接收到的參考中頻信號和測量中頻信進行處理後 得到待測樣品的物理量信息，所述物理量信息包括表面輪廓起伏信息，厚度信息，折射 率分布信息。
9.基於權利要求8所述的雙軸MEMS掃描的正交偏振雷射外差幹涉方法，其特徵 在於偏振正交雷射發射系統出射光束的獲得方法為雷射器(1)發射任意方向的線偏 振光，線偏振光入射至光纖分束器(2)，線偏振光被分為第一支路(2-1)和第二支路 (2-2)，第一支路(2-1)經過第一偏振移頻模塊(kl)後生成具有頻率移動Δ 1的偏振方向 垂直於紙面的P光，第二支路(2-2)經過第二偏振移頻模塊(k2)後生成具有頻率移動Δ 2 的偏振方向平行於紙面的S光，生成的P光和S光經過第一偏振分束稜鏡(7)的傳播後， 形成正交偏振雷射。
10.根據權利要求9所述的雙軸MEMS掃描的正交偏振雷射外差幹涉方法，其特徵在 於第一聲光頻移器(3)將第一支路(2-1)光束的頻率移動Δ 1 = 99.9MHz,第二聲光頻移 器⑷將第二支路(2-2)光束的頻率移動Δ2 = 100MHz。
全文摘要
雙軸MEMS掃描的外差幹涉系統及方法，涉及一種基於快速光掃描的雷射外差幹涉儀系統和方法，解決了現有的正交偏振外差幹涉儀技術工作波長為可見光波段，並且震動誤差大的問題，方案為利用2μm偏振正交雷射經過分束稜鏡分束後獲得透射光束和反射光束，其中反射光束作為參考中頻信號傳遞至計算機，透射光束中的S光被反射出去，P光被透射出去，P光經過第1/4波片、MEMS振鏡和F-Theta透鏡組透射過待測樣品池，再按原光路返回，與P光混合，混合光束作為測量中頻信號發送至計算機，經過計算機處理後得到待測樣品的物理量信息。本發明適用於紅外光學材料的檢測領域。
文檔編號G01B11/30GK102022977SQ20101052025
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月26日 優先權日2010年10月26日
發明者季一勤, 李彥超, 王春輝, 高龍 申請人:中國航天科工集團第三研究院第八三五八研究所, 哈爾濱工業大學