CN105698702B - 一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，其采用声光移频器外差干涉移相，探测器连续采集同一光路干涉图，不存在多幅干涉图样配准的问题，测量精度进一步提高；此外，还采用低频差外差干涉与高速相机连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位，更有利于克服噪声等因素影响。

Description

一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪。

背景技术

以深紫外光刻机投影曝光系统为代表的高端光学设备，对光学元件的加工、光学系统的集成提出了极大挑战。干涉仪作为高精度光学元件加工和光学系统集成不可或缺的核心检测设备，检测精度要求不断提高。

传统光学加工中采用的光学面形检测方法包括哈特曼传感器法、刀口法和轮廓法等。这些方法分别存在着非数字化需主观判读或接触损伤待测件等不同的缺点，且很难达到较高的测量精度，是简单测量方法。

干涉检测法早在百年前就已经被使用，属于非接触式测量，且具有大量程、高灵敏度、高精度等特点，在高精度检测时被广泛应用，其原理是一束光照射标准的参考平面作为参考光，另一束光照射被测面返回带有面形信息作为测量光，两束光干涉时由于光斑不同位置相位不同产生光程差从而产生弯曲的干涉条纹，即可判断待测面的面形起伏。

目前的干涉仪大多采用偏振移相方式，两束互相垂直的光经过其移相模块，实现四步或多步同时移相，求解被测件的面型。然而，偏振移相方法虽然会抗振，但同时拍摄的多幅移相图要配准解相位，势必会带来匹配误差；此外，采集只能得到有限幅的干涉图，对其相位提取的精度受到制约，并且几幅移相图的移相精度受到移相模块的限制，直接影响到面型反演精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，可极大的提高测量精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，包括：激光器、两块半波片、偏振分光镜PBS、两个声光移频器、两个光纤耦合器、两根保偏光纤、两个分光镜、准直镜、标准镜、待测镜、滤波孔、两个成像镜及两个探测器；其中：

激光器出射激光经过半波片1后射入PBS，由PBS将入射激光分为两束激光；其中一束激光经过声光移频器1后由光纤耦合器1耦合进入保偏光纤1；另一束激光依次经过半波片2与声光移频器2后由光纤耦合器2耦合进入保偏光纤2；

通过调整标准镜和待测镜的倾斜，使保偏光纤2出射的激光依次通过分光镜1、准直镜与标准镜后射入待测镜，经待测镜反射后原路返回，并被分光镜1反射至滤波孔；使保偏光纤1出射的激光依次通过分光镜1与准直镜后射入标准镜，经标准镜反射后原路返回，并被分光镜1反射至滤波孔；

射入滤波孔的两束激光经过分光镜2后被分为两路；其中一路作为调整监视光路，经过成像镜1射入探测器1中；另一路作为采集干涉图光路经过成像镜2射入探测器2中。

进一步的，所述PBS按照任意功率比将入射激光分为两束激光。

进一步的，所述半波片2用于改变激光的偏振方向，使得两束经过声光移频器后的激光偏振方向一致。

进一步的，两个声光移频器的移频量不同，差频后为几赫兹或几十赫兹量级的低差频。

进一步的，所述保偏光纤1与保偏光纤2的末端通过固定模块固定，确保两束激光的出射方向一致，并且横向空间有一定错位。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用声光移频器外差干涉移相，探测器连续采集同一光路干涉图，不存在多幅干涉图样配准的问题，测量精度进一步提高；此外，采用低频差外差干涉与高速相机连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位，更有利于克服噪声等因素影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪的光路示意图；

图2为本发明实施例提供的采集的信号形式示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，其光路结构如图1所示，主要包括：激光器、两块半波片、偏振分光镜PBS、两个声光移频器、两个光纤耦合器、两根保偏光纤、两个分光镜、准直镜、标准镜、待测镜、滤波孔、两个成像镜及两个探测器；其中：

激光器出射激光经过半波片1后射入PBS，由PBS将入射激光分为两束激光；其中一束激光经过声光移频器1后由光纤耦合器1耦合进入保偏光纤1；另一束激光依次经过半波片2与声光移频器2后由光纤耦合器2耦合进入保偏光纤2；

通过调整标准镜和待测镜的倾斜，使保偏光纤2出射的激光依次通过分光镜1、准直镜与标准镜后射入待测镜，经待测镜反射后原路返回，并被分光镜1反射至滤波孔；使保偏光纤1出射的激光依次通过分光镜1与准直镜后射入标准镜，经标准镜反射后原路返回，并被分光镜1反射至滤波孔；

射入滤波孔的两束激光经过分光镜2后被分为两路；其中一路作为调整监视光路，经过成像镜1射入探测器1中；另一路作为采集干涉图光路经过成像镜2射入探测器2中。

本发明实施例中，所述PBS按照任意功率比将入射激光分为两束激光。

本发明实施例中，所述半波片2用于改变激光的偏振方向，使得两束经过声光移频器后的激光偏振方向一致。

本发明实施例中，两个声光移频器的移频量不同，差频后为几赫兹或几十赫兹量级的低差频。

本发明实施例中，所述保偏光纤1与保偏光纤2的末端通过固定模块固定，确保两束激光的出射方向一致，并且横向空间有一定错位。

本发明实施例中，采集干涉图光路中的两束激光经过光纤出射，波面可认为理想波面，各自携带者标准镜和待测镜的面型进行干涉，通过求解干涉图即可得到待测镜的面型。

求解原理如下：

设移频后两束光的频率分别为ν₁和ν₂，频差ν₁-ν₂为赫兹或几十赫兹量级，高速相机采用数百赫兹量级，因此可以准确探测外差的拍频信号。设两束光的光强都为E，则高速相机(探测器)上一点采集的随时间t变化的干涉信号S(t)表示为：

其中，L为保偏光纤2出射的激光往返待测镜表面时相对于保偏光纤1出射的激光多走的光程，R为待测镜表面粗糙的起伏量，c为光速。高速相机的一点对应待测面上的一个点，相机连续采集一组面阵照片，即为一组数据立方，对应相同每一点的值抽取出来为一余弦周期信号，即为S(t)的形式，如图2所示。由信号形式可以看出，不同点由于粗糙起伏的R值不同，造成相机上对应点探测的信号相位不同。利用傅里叶分析或其它数据处理方法可解算每点出信号的相位，即可获得待测镜表面的起伏量，针对不同频率的傅里叶分析即可分别获得不同的干涉信息。分别计算每相邻点的R值之差就可复原出待测镜的面形。

本发明实施例的上述方案中，采用声光移频器外差干涉移相，探测器连续采集同一光路干涉图，不存在多幅干涉图样配准的问题，测量精度进一步提高；此外，采用低频差外差干涉与高速相机连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位，更有利于克服噪声等因素影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，其特征在于，包括：激光器、两块半波片、偏振分光镜、两个声光移频器、两个光纤耦合器、两根保偏光纤、两个分光镜、准直镜、标准镜、待测镜、滤波孔、两个成像镜及两个探测器；其中：

激光器出射激光经过半波片1后射入偏振分光镜，由偏振分光镜将入射激光分为两束激光；其中一束激光经过声光移频器1后由光纤耦合器1耦合进入保偏光纤1；另一束激光依次经过半波片2与声光移频器2后由光纤耦合器2耦合进入保偏光纤2；

通过调整标准镜和待测镜的倾斜，使保偏光纤2出射的激光依次通过分光镜1、准直镜与标准镜后射入待测镜，经待测镜反射后原路返回，并被分光镜1反射至滤波孔；使保偏光纤1出射的激光依次通过分光镜1与准直镜后射入标准镜，经标准镜反射后原路返回，并被分光镜1反射至滤波孔；

射入滤波孔的两束激光经过分光镜2后被分为两路；其中一路作为调整监视光路，经过成像镜1射入探测器1中；另一路作为采集干涉图光路经过成像镜2射入探测器2中。

2.根据权利要求1所述的基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，其特征在于，所述偏振分光镜按照任意功率比将入射激光分为两束激光。

3.根据权利要求1所述的基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，其特征在于，所述半波片2用于改变激光的偏振方向，使得两束经过声光移频器后的激光偏振方向一致。

4.根据权利要求1所述的基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，其特征在于，两个声光移频器的移频量不同，差频后为几赫兹或几十赫兹量级的低差频。

5.根据权利要求1所述的基于声光低频差移相的双孔外差干涉仪，其特征在于，所述保偏光纤1与保偏光纤2的末端通过固定模块固定，确保两束激光的出射方向一致，并且横向空间有一定错位。