CN101776488B - 利用同步移相干涉方法测量光学相位的方法及实现装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用同步移相干涉方法获得光学相位的方法和实现光路，涉及动态检测波面信息的方法和装置。本发明采用半透半反棱镜、偏振分光棱镜对光源进行六分束，同时结合偏振干涉的方法在空域一次采集到六幅同步移相干涉条纹图，这六幅干涉条纹分别成像于六只CCD靶面上。对六幅干涉条纹图进行分析就可以得出测试波面的形状。由于振动的影响对同步移相干涉条纹图的影响是一致的，通过移相算法中相减相除的方法就可以消除振动的影响，这样就实现了适应更多工作环境的高精度波面测量，并且不需要在每次测量前进行PZT线性校正。并且本发明的方法简单，原理清晰，光路中各部件容易获得，整个装置紧凑，易于使用。
Description
技术领域
本发明涉及动态检测波面信息的方法和装置，尤其涉及一种利用同步移相干涉方法获得光学相位的方法和实现光路。
背景技术
在光学波面干涉测量术中，通常将激光作为相干光源，通过分振幅的方法产生两束波面，一束波面投向标准参考镜并返回后形成参考波面，一束波面投向被测件并返回后形成测试波面，参考波面与测试波面在空间相遇形成干涉场，由数字图像采集装置将干涉场以干涉条纹图的形式记录下来，对干涉条纹图进行分析就可以得出测试波面的形状。目前，在国内外商品化激光波面干涉仪中，还广泛使用光学移相测量的方法。这种方法将压电陶瓷变换器(PZT)作为光学移相的致动器件，标准参考镜通过弹性结构与PZT器件联结在一起，当给PZT加上步进电压时，PzT产生步进位移，此位移通过弹性结构传递给标准参考镜，从而可以阶梯式改变参考波面的相位亦即实现光学移相(通常移相步长为90°)，在移相过程中采集干涉场可以得到若干幅移相干涉条纹图。通过对多幅移相干涉条纹图的分析可进一步提高波面测量精度。然而，这种PZT光学移相是一种时域移相，当测试环境存在振动时，不同时刻采集的移相干涉图就会引入相位误差，这种误差通常是随机变化并难以消除的，它是时域移相干涉测量中误差的主要来源。即使不考虑环境振动的影响，干涉仪在每次测量前也要对PZT的电压位移特性进行线性校正，以保证测量过程中移相的准确性。鉴于时域PZT光学移相不适合有振动的现场干涉测量，因此最直接的思路是在空域同时产生若干移相干涉场，对这些干涉场进行瞬态同步记录，就可以得到若干幅同步移相干涉条纹图。由于振动的影响对同步移相干涉条纹图的影响是一致的，通过移相算法中相减相除的方法就可以消除振动的影响，这样就实现了适应更多工作环境的高精度波面测量并且不需要在每次测量前进行PZT线性校正。根据2001年JamesE.Millerd和NealJ.Brock等人的研究，采用全息光栅对光束进行四分束，并结合偏振干涉方法，在空间同时得到了四幅移相90度的干涉条纹图，这种方法获得了较好的测量结果。但由于采用全息光栅进行分光，为了不出现不必要的衍射光、不改变入射光 的波面，对光栅制作工艺要求较高，因此这种干涉仪整体成本较高。
发明内容
为了克服常规移相式激光平面干涉仪时域测量原理的弊端，本发明提供一种能够利用同步移相干涉方法测量光学相位的光路装置，它采用半透半反棱镜、偏振分光棱镜对光源进行六分束，同时结合偏振干涉的方法在空域一次采集到六幅同步移相干涉条纹图，这六幅干涉条纹分别成像于六只CCD靶面上。
为了实现上述目的，本发明采取了如下得到六幅同步移相干涉条纹图的方法和实现光路：
利用同步移相干涉法测量光学相位的方法，通过分振幅的方法产生两束波面，一束波面投向标准参考镜并返回后形成参考波面，另一束波面投向被测件并返回后形成测试波面，参考波面与测试波面在空间相遇形成干涉场，由数字图像采集装置将干涉场以干涉条纹图的形式记录下来，对干涉条纹图进行分析就可以得出测试波面的形状。其具体方法为：以线偏振平面光源作为光源，光源由第一个半透半反棱镜分成两束互相垂直的透射光I1和反射光I2；其中透射光I1经第二个半透半反棱镜再分成两束互相垂直的透射光I11和反射光I12；其中透射光I11由被测镜反射返回，再经第二个半透半反棱镜分成两束互相垂直的透射光I111和反射光I112；其中透射光I111光返回至第一个半透半反棱镜，又由第一个半透半反棱镜分成两束互相垂直的透射光和反射光I1112；其中反射光I1112经八分之一波片由标准参考镜反射返回再次由第一个半透半反棱镜分成两束互相垂直的透射光I11121和反射光I11122；其中透射光I11121由偏振分光棱镜分成两束传播方向和偏振态都互相垂直的透射光I111211和反射光I111212，其中反射光I111212与反射光I2经偏振分光棱镜分成的反射光I22叠加发生干涉，得到第一幅干涉条纹图。透射光I111211与反射光I2经偏振分光棱镜分成的透射光I21叠加发生干涉，得到第二幅干涉条纹图。反射光I11122再次经第二个半透半反棱镜分成两束互相垂直的透射光I111221和反射光I111222；其中透射光I111221再次由被测镜反射返回，又一次经第二个半透半反棱镜分成两束互相垂直的透射光I1112211和反射光I1112212；其中反射光I1112212由偏振分光棱镜分成两束传播方向和偏振态都互相垂直的透射光I11122121和反射光I11122122，其中反射光I11122122与反射 光I112经偏振分光棱镜11分成的反射光I1122叠加发生干涉，得到第三幅干涉条纹图。透射光I11122121与反射光I112经偏振分光棱镜分成的透射光I1121叠加发生干涉，得到第四幅干涉条纹图。反射光I111222由偏振分光棱镜分成两束传播方向和偏振态都互相垂直的透射光I1112221和反射光I1112222，其中反射光I1112222与反射光I12经偏振分光棱镜11分成的反射光I122叠加发生干涉，得到第五幅干涉条纹图。透射光I1112221与反射光I12经偏振分光棱镜分成的透射光I121叠加发生干涉，得到第六幅干涉条纹图。上述第一个半透半反棱镜、第二个半透半反棱镜、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜皆可将一束光分为两束互相垂直的光透射光和反射光；且第一个半透半反棱镜、第二个半透半反棱镜对被测镜反射返回的光的反射存在半波损失；偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜产生的透射光和反射光的偏振态相互垂直。上述六幅干涉条纹图六只CCD靶面在空域一次采集，利用移相算法对各干涉条纹图的干涉光强值进行计算得到光学相位。
上述利用同步移相干涉法测量光学相位的方法可以用如下的光路实现：采用线性偏振稳频激光器作为光源，其输出的激光首先透过可旋转的半波片，后进入扩束系统，得到线偏振平面光源。线偏振平面光源的投射方向上放置与投射光线成-45°的第一个半透半反棱镜，在其透射光线方向上放置与透射光线成+45°的第二个半透半反棱镜，并且在第二个半透半反棱镜的透射光线方向上放置与透射光线成90°的被测镜。在第一个半透半反棱镜的反射光线方向上放置与反射光线成-45°的偏振分光棱镜，并在相反方向上依次放置与反射光线成90°的八分之一波片和标准参考镜。在第二个半透半反棱镜4的反射光线方向上放置与反射光线成+45°的偏振分光棱镜，并在相反方向上放置与反射光线成-45°的偏振分光棱镜。其中，第一个半透半反棱镜设置为当光线通过第一个半透半反棱镜反射投向八分之一波片和标准参考镜及反方向投射时存在半波损失；第二个半透半反棱镜设置为当光线通过第二个半透半反棱镜反射投向偏振分光棱镜及反方向投射时存在半波损失；偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜皆为可使透射光和反射光的偏振态相互垂直的半透半反棱镜；八分之一波片的快轴在垂直于光线投射的方向。
所述扩束系统由两个凸透镜组成。
本发明的方法简单，原理清晰，光路中各部件容易获得，整个装置紧凑，易于使用。运用本发明介绍的方法和装置可以实现高精度光学干涉的高精度动态测量。
附图说明
图1是本发明提出的利用同步移相干涉方法测量光学相位的分光、成像及同步移相装置的光路和结构示意图。
图中：1、输出为线性偏振激光的稳频激光器，2、半波片，3、扩束系统，4、半透半反棱镜，5、偏振分光棱镜，6、标准参考镜，7、八分之一波片，8、偏振分光棱镜，9、半透半反棱镜，10、被测镜，11、偏振分光棱镜，图中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)为由相同型号的CCD探测器测得的互相移相90度的六幅干涉条纹图的光强值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细说明本发明所提出的利用同步移相干涉方法测量光学相位装置中分光、成像及同步移相的方法和装置。
实施例：如图1所示，稳频激光器1输出线性偏振激光，利用半波片2将其透振方向调整到水平方向上，再经过扩束系统3将激光束扩束到线性偏振平面光源，导入由半透半反棱镜4、9和偏振分光棱镜5、8、11组成的偏振干涉系统。各部件通过可调节光具座安置于光学平台，将各部件光路调于同以水平面。其中，扩束系统3由两个焦距分别为5cm和8cm的凸透镜组成，半透半反棱镜4、9和偏振分光棱镜5、8、11分别由两只直角棱镜斜边相对组成，半透半反棱镜4、9的两只直角棱镜采用不同的介质，使得从半透半反棱镜4的上表面入射的反射光存在半波损失，从半透半反棱镜9的下表面入射的反射光存在半波损失；偏振分光棱镜5、8、11使透射光和反射光的偏振态垂直。
第一幅干涉条纹图：扩束系统3出射的激光束被半透半反棱镜4均匀分成两束，其中透射光经半透半反棱镜9后射向被测镜10，返回后再次透射半透半反棱镜9和经半透半反棱镜4反射，反射光再经过八分之一波片7后投向标准参考镜6，返回后经过八分之一波片7，最后透射半透半反棱镜4和经偏振分光棱镜5反射与扩束系统3出射经半透半反棱镜4反射和偏振分光棱镜5反射的另一部分光进行干涉得到第一幅干涉条纹图(1)。
第二幅干涉条纹图：扩束系统3出射的激光束被半透半反棱镜4均匀分成两束，其中透射光经半透半反棱镜9后射向被测镜10，返回后再次透射半透半反棱镜9和经半透半反棱镜4反射，反射光再经过八分之一波片7后投向标准参考镜6，返回后经过八分之一波片7，最后透射半透半反棱镜4和经偏振分光棱镜5透射与扩束系统3出射经半透半反棱镜4反射和偏振分光棱镜5透射的另一部分光进行干涉得到第二幅干涉条纹图(2)。
第三幅干涉条纹图：形成此干涉条纹图的第一束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4和9后投向被测镜10，返回后再次经半透半反棱镜9透射和半透半反棱镜4反射射向八分之一波片，出射后射向标准参考镜6，返回后再次经过八分之一波片7和半透半反棱镜4反射以及半透半反棱镜9透射到被测镜10，返回后再经半透半反棱镜9反射和偏振分光棱镜11反射得到第一束光；形成干涉条纹图的第二束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4和9后投向被测镜10，返回后经半透半反棱镜9反射和偏振分光棱镜11反射得到第二束光。此两束光干涉得到第三幅干涉条纹图(3)。
第四幅干涉条纹图：形成此干涉条纹图的第一束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4和9后投向被测镜10，返回后再次经半透半反棱镜9透射和半透半反棱镜4反射射向八分之一波片，出射后射向标准参考镜6，返回后再次经过八分之一波片7和半透半反棱镜4反射以及半透半反棱镜9透射到被测镜10，返回后再经半透半反棱镜9反射和偏振分光棱镜11透射得到第一束光；形成干涉条纹图的第二束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4和9后投向被测镜10，返回后经半透半反棱镜9反射和偏振分光棱镜11透射得到第二束光。此两束光干涉得到第四幅干涉条纹图(4)。
第五幅干涉条纹图：形成此干涉条纹图的第一束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4和9后投向被测镜10，返回后再次经半透半反棱镜9透射和半透半反棱镜4反射射向八分之一波片，出射后射向标准参考镜6，返回后再次经过八分之一波片7和半透半反棱镜4反射以及半透半反棱镜9反射投射到偏振分光棱镜8，经偏振分光棱镜8分光反射得到第一束光；形成干涉条纹图的第二束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4反射和半透半反棱镜9反射投射到偏振分光棱镜8，经偏振分光棱镜8分光反射得到第二束 光。此两束光干涉得到第五幅干涉条纹图(5)。
第六幅干涉条纹图：形成此干涉条纹图的第一束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4和9后投向被测镜10，返回后再次经半透半反棱镜9透射和半透半反棱镜4反射射向八分之一波片，出射后射向标准参考镜6，返回后再次经过八分之一波片7和半透半反棱镜4反射以及半透半反棱镜9反射投射到偏振分光棱镜8，经偏振分光棱镜8分光透射得到第一束光；形成干涉条纹图的第二束光为：扩束系统3出射的激光束经半透半反棱镜4反射和半透半反棱镜9反射投射到偏振分光棱镜8，经偏振分光棱镜8分光透射得到第二束光。此两束光干涉得到第六幅干涉条纹图(6)。
利用CCD探测器同时采集六幅干涉条纹图。
最后可由各干涉条纹图的干涉光强值利用移相算法得到光学相位，从而分析被测镜面的情况。
Claims (3)
1.利用同步移相干涉法测量光学相位的方法，通过分振幅的方法产生两束波面，一束波面投向标准参考镜并返回后形成参考波面，另一束波面投向被测镜并返回后形成测试波面，参考波面与测试波面在空间相遇形成干涉场，由数字图像采集装置将干涉场以干涉条纹图的形式记录下来，对干涉条纹图进行分析就可以得出测试波面的形状；其特征在于：以线偏振平面光源作为光源，光源由第一个半透半反棱镜(4)分成两束互相垂直的透射光I1和反射光I2，其中透射光I1经第二个半透半反棱镜再分成两束互相垂直的透射光I11和反射光I12，其中透射光I11由所述被测镜(10)反射返回，再经第二个半透半反棱镜(9)分成两束互相垂直的透射光I111和反射光I112，其中透射光I111光返回至第一个半透半反棱镜(4)，又由第一个半透半反棱镜(4)分成两束互相垂直的透射光和反射光I1112，其中反射光I1112经八分之一波片由所述标准参考镜(6)反射返回再次由第一个半透半反棱镜(4)分成两束互相垂直的透射光I11121和反射光I11122，其中透射光I11121由第一个偏振分光棱镜(5)分成两束传播方向和偏振态都互相垂直的透射光I111211和反射光I111212，其中反射光I111212与反射光I2经第一个偏振分光棱镜(5)分成的反射光I22叠加发生干涉，得到第一幅干涉条纹图；透射光I111211与反射光I2经第一个偏振分光棱镜(5)分成的透射光I21叠加发生干涉，得到第二幅干涉条纹图；反射光I11122再次经第二个半透半反棱镜(9)分成两束互相垂直的透射光I111221和反射光I111222，其中透射光I111221再次由所述被测镜(10)反射返回，又一次经第二个半透半反棱镜(9)分成两束互相垂直的透射光I1112211和反射光I1112212，其中反射光I1112212由第三个偏振分光棱镜(11)分成两束传播方向和偏振态都互相垂直的透射光I11122121和反射光I11122122，其中反射光I11122122与反射光I112经第三个偏振分光棱镜(11)分成的反射光I1122叠加发生干涉，得到第三幅干涉条纹图；透射光I11122121与反射光I112经第一个偏振分光棱镜(5)分成的透射光I1121叠加发生干涉，得到第四幅干涉条纹图；反射光I111222由第二个偏振分光棱镜(8)分成两束传播方向和偏振态都互相垂直的透射光I1112221和反射光I1112222，其中反射光I1112222与反射光I12经第三个偏振分光棱镜(11)分成的反射光I122叠加发生干涉，得到第五幅干涉条纹图；透射光I1112221与反射光I12经偏振分光棱镜(8)分成的透射光I121叠加发生干涉，得到第六幅干涉条纹图；上述第一个半透半反棱镜(4)、第二个半透半反棱镜(9)、第一个偏振分光棱镜(5)、第三个偏振分光棱镜(11)、第二个偏振分光棱镜(8)皆可将一束光分为两束互相垂直的光透射光和反射光，且第一个半透半反棱镜(4)、第二个半透半反棱镜(9)对所述被测镜(10)反射返回的光的反射存在半波损失，第一个偏振分光棱镜(5)、第三个偏振分光棱镜(11)、第二个偏振分光棱镜(8)产生的透射光和反射光的偏振态相互垂直；上述六幅干涉条纹图分别由六只CCD靶面在空域一次采集，利用移相算法对各干涉条纹图的干涉光强值进行计算得到光学相位。
2.实现如权利要求1所述的利用同步移相干涉法测量光学相位的方法的装置，其特征在于：采用线性偏振稳频激光器作为光源，其输出的激光首先透过可旋转的半波片，后进入扩束系统，得到线偏振平面光源；线偏振平面光源的投射方向上放置与投射光线成-45°的第一个半透半反棱镜(4)，在其透射光线方向上放置与透射光线成+45°的第二个半透半反棱镜(9)，并且在第二个半透半反棱镜(9)的透射光线方向上放置与透射光线成90°的被测镜(10)；在第一个半透半反棱镜(4)的反射光线方向上放置与反射光线成-45°的第一个偏振分光棱镜(5)，并在与该反射光线的行进方向相反的方向上依次放置与反射光线成90°的八分之一波片和标准参考镜；在第二个半透半反棱镜(9)的反射光线方向上放置与反射光线成+45°的第三个偏振分光棱镜(11)，并在与该反射光线的行进方向相反的方向上放置与反射光线成-45°的偏振分光棱镜(8)；其中，第一个半透半反棱镜(4)设置为当光线通过第一个半透半反棱镜(4)反射投向八分之一波片和所述标准参考镜及反射投向第一个偏振分光棱镜(5)时存在半波损失，第二个半透半反棱镜(9)设置为当光线通过第二个半透半反棱镜(9)反射投向第三个偏振分光棱镜(11)及反射投向第二个偏振分光棱镜(8)时存在半波损失，第一个偏振分光棱镜(5)、第三个偏振分光棱镜(11)、第二个偏振分光棱镜(8)皆为可使透射光和反射光的偏振态相互垂直的半透半反棱镜，八分之一波片的快轴在垂直于光线投射的方向。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述扩束系统由两个凸透镜组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20100714 Assignee: BEIJING SWT SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. Assignor: Beijing University of Technology Contract record no.: 2013990000375 Denomination of invention: Method for measuring optical phase by using synchronous phase-shifting interference method and implementing device Granted publication date: 20110608 License type: Exclusive License Record date: 20130704 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110608 Termination date: 20210121 |