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CN110319769A - 抗振动菲索干涉测量装置及方法 - Google Patents

抗振动菲索干涉测量装置及方法 Download PDF

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CN110319769A CN201910554795.3A CN201910554795A CN110319769A CN 110319769 A CN110319769 A CN 110319769A CN 201910554795 A CN201910554795 A CN 201910554795A CN 110319769 A CN110319769 A CN 110319769A
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Abstract

本发明公开了一种抗振动菲索干涉测量装置及方法，可降低振动对测量结果的影响。装置包括用于对光源进行扩束准直及偏振态调制的短相干光源模块；用于检测被测镜与参考镜振动相位平面的辅助干涉测量模块；用于测量被测镜相位分布的主干涉测量模块。光源模块为短相干光源，结合迈克尔逊干涉测试光路，可得到一对具有特定光程差的正交线偏振光；主光路与辅助光路分别单独成像获得干涉图，其中辅助光路为双通道设计，可分别测量参考镜与被测镜的振动平面。最后对得到的三组干涉图进行相位解算即可得到被测光学元件面形。本发明的装置和方法不仅抗振动效果好、而且测量精度高，成本较低。

Description

抗振动菲索干涉测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光干涉计量测试领域，特别是一种抗振动菲索干涉测量装置及方法。
背景技术
当下，光干涉测量技术被广泛应用于测量光学元件面形，经过数十年的发展，已有多种装置及测量方法得到开发利用，如传统的Twyman-Green干涉仪、Fizeau干涉仪以及空间载频法、移相法等。其中以移相干涉术为例，该方法采集一组移相干涉图来恢复被测相位。在标准相移干涉测量中，通过移相器产生干涉图之间2π/N的恒定移相，其中N大于等于3，此方法对由于振动引起的移相图变化无法测量，这导致精度降低。
现有两种途径可以降低振动的影响：一是从干涉测量装置上克服振动的干扰，比较常用的是在干涉仪中采用同步四步移相法来解决，目前在这方面的代表是美国4D公司的干涉仪，该方法在光路中加以偏振相机，再将干涉光路分为四支，实现了同步采集四副移相干涉图，此方法的不足之处是偏振相机所采集的四幅干涉图因器件工艺会产生不同背景强度和调制度，从而带来较大的面形测量误差；二是从算法入手，该方法对正常采集到的干涉图进行一定的算法运算，以此计算出振动的影响，该类方法相对简单，但在处理干涉条纹数量相对较少的情况时，效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能降低外界振动对干涉测量结果的影响，且具有较高精度与较低成本的干涉测量装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：抗振动菲索干涉测量装置，包括用于对光源进行扩束准直及偏振态调制的短相干光源模块，用于检测被测镜与参考镜振动相位平面的辅助干涉测量模块，以及用于测量被测镜相位分布的主干涉测量模块；其中辅助干涉测量模块包括两条辅助测试光路，主干涉测量模块构成菲索干涉测试光路。
一种抗振动菲索干涉测量方法，包括以下步骤：
步骤1、激光器出射线激光，依次通过1/2波片、第一偏振分束镜，第一偏振分束镜将线激光分为正交的p光和s光，s光依次经第一1/4波片、第一标准镜反射、第一偏振分束镜透射、第一扩束镜进入第一分束镜；p光依次经第二1/4波片、第二标准镜反射、第一偏振分束镜反射、第一扩束镜进入第一分束镜，形成一对正交偏振光束；
步骤2、第一分束镜将所述一对正交偏振光束分成相同的两束光；
其中一束偏振光依次经第二分束镜、第二扩束镜准直、参考镜反射、被测镜反射后，被第二分束镜反射和透射，第二分束镜的反射光依次经第三1/4波片、偏振片、第二光阑、第三扩束镜成像至第一面阵探测器；第二分束镜的透射光入射至第一分束镜记为第一光束；
另一束偏振光被第二偏振分束镜两束偏振光，一束偏振光经第三标准镜反射后返回至第一分束镜记为第二光束，另一束偏振光依次经反射镜、第四标准镜反射后返回至第一分束镜记为第三光束；
步骤3、所述第一光束、第二光束、第三光束在第一分束镜汇聚后，经第三光阑入射至第三偏振分束镜被分为两束正交偏振光，一束偏振光经第五扩束镜成像至第二面阵探测器，另一束偏振光经第六扩束镜成像至第三面阵探测器；
步骤4、解算第二面阵探测器和第三面阵探测器上的干涉图获得振动平面，解算第一面阵探测器上的干涉图并结合振动平面获得被测件真实面形。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)以菲索式干涉测试光路为基础，同时分别对参考镜与被测镜的振动相位进行测量，能有效的消去振动对被测件面形测量的影响，实现了光学元件面形抗振动干涉测量；2)光源模块为短相干光源，同时菲索干涉腔长可调节，可减少杂散光对干涉图的影响；3)本装置结构精巧，易于实现，成本较低，且具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明抗振动菲索干涉测量装置光路结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明抗振动菲索干涉测量装置，包括用于对光源进行扩束准直及偏振态调制的短相干光源模块31，用于检测被测镜与参考镜振动相位平面的辅助干涉测量模块32，以及用于测量被测镜相位分布的主干涉测量模块33；其中辅助干涉测量模块32包括两条辅助测试光路，主干涉测量模块33构成菲索干涉测试光路。
进一步地，短相干光源模块31包括沿第一光轴依次设置的激光器1、1/2波片2、第一偏振分束镜3、第二1/4波片5以及第二标准镜7；还包括沿与第一光轴垂直的第二光轴依次设置的第一标准镜6、第一1/4波片4、第一扩束镜8，第一偏振分束镜3同时位于第二光轴上，且位于第一1/4波片4、第一扩束镜8之间。
进一步地，辅助干涉测量模块32包括沿与第一光轴相平行的第三光轴依次设置的反射镜22、第二偏振分束镜21、第四扩束镜20、第一分束镜10、第三光阑25、第三偏振分束镜26、第六扩束镜29以及第三面阵探测器30，其中第一分束镜10同时位于第二光轴上且位于第一扩束镜8之后；
辅助干涉测量模块32还包括位于第一分束镜10和第一扩束镜8之间的第一光阑9；位于第三偏振分束镜26反射光方向依次设置的第五扩束镜27、第二面阵探测器28；沿反射镜22反射光方向设置的第四标准镜24，以及沿第二偏振分束镜21反射光方向设置的第三标准镜23。
进一步地，主干涉测量模块33包括沿第二光轴且位于第一分束镜10之后依次设置的第二分束镜11、第二扩束镜12、参考镜13、被测镜14；还包括沿第二分束镜11反射光方向依次设置的第三1/4波片15、偏振片16、第二光阑17、第三扩束镜18、第一面阵探测器19。
进一步地，第一标准镜6、第二标准镜7与第一偏振分束镜3的距离差，等于参考镜13、被测镜14之间的距离，以获得一对光程差为零的相干光束，进而以使短相干光源模块31出射具有特定光程差的正交线偏振光。如调整第一标准镜6使其和第二标准镜7与第一偏振分束镜3的距离相差Δ，从而在第一偏振分束镜3产生的p光和s光之间引入2Δ的光程差。上述过程即调节短相干光源模块中两支线偏振光的光程差来匹配斐索干涉腔的长度，从而获取一对光程差为零的相干光束，由于光源的相干长度短，其余光束组合均不产生干涉，则有效地抑制了系统内部光学元件前后表面多次反射产生寄生条纹的干扰。
进一步地，第三标准镜23至第一分束镜10的距离与被测镜14至第一分束镜10的距离相等，以保证由第三标准镜23反射回来的s光与由被测镜14反射回来的s光在到达第二面阵探测器28时的光程差为零，即满足短相干条件。
进一步地，第四标准镜24至第一分束镜10的距离与参考镜13至第一分束镜10的距离相等，以保证由第四标准镜24反射回来的p光与由参考镜13反射回来的p光在到达第三面阵探测器30时的光程差为零，即满足短相干条件。
一种抗振动菲索干涉测量方法，包括以下步骤：
步骤1、激光器1出射线激光，依次通过1/2波片2、第一偏振分束镜3，第一偏振分束镜3将线激光分为正交的p光和s光，s光依次经第一1/4波片4、第一标准镜6反射、第一偏振分束镜3透射、第一扩束镜8进入第一分束镜10；p光依次经第二1/4波片5、第二标准镜7反射、第一偏振分束镜3反射、第一扩束镜8进入第一分束镜10，形成一对正交偏振光束；
步骤2、第一分束镜10将所述一对正交偏振光束分成相同的两束光；
其中一束偏振光依次经第二分束镜11、第二扩束镜12准直、参考镜13反射、被测镜14反射后，被第二分束镜11反射和透射，第二分束镜11的反射光依次经第三1/4波片15、偏振片16、第二光阑17、第三扩束镜18成像至第一面阵探测器19；第二分束镜11的透射光入射至第一分束镜10记为第一光束；
另一束偏振光被第二偏振分束镜21两束偏振光，一束偏振光经第三标准镜23反射后返回至第一分束镜10记为第二光束，另一束偏振光依次经反射镜22、第四标准镜24反射后返回至第一分束镜10记为第三光束；
步骤3、所述第一光束、第二光束、第三光束在第一分束镜10汇聚后，经第三光阑25入射至第三偏振分束镜26被分为两束正交偏振光，一束偏振光经第五扩束镜27成像至第二面阵探测器28，另一束偏振光经第六扩束镜29成像至第三面阵探测器30；
步骤4、解算第二面阵探测器28和第三面阵探测器30上的干涉图获得振动相位，解算第一面阵探测器19上的干涉图并结合振动平面获得被测件真实面形。
进一步地，步骤4所述解算第二面阵探测器28和第三面阵探测器30上的干涉图获得振动平面，具体为：
步骤4-1、对第二面阵探测器28和第三面阵探测器30所得干涉图分别进行傅里叶变换，获得相位分布其中n＝1，2，…N，N为面阵探测器采集到的干涉图总数；
步骤4-2、用每一幅干涉图的相位减去第一幅干涉图的相位得到振动相位：
记第二面阵探测器28对应的被测镜的振动相位为第三面阵探测器30对应的参考镜的振动相位为
步骤4-3、根据获得最终的振动相位为：
步骤4-4、对进行最小二乘法拟合，获得的一次项系数αn、βn和常数项系数γn，则相应的振动平面为：
进一步地，步骤4所述解算第一面阵探测器19上的干涉图并结合振动平面获得被测件真实面形，具体为：
第一面阵探测器19上的干涉图光强为：
结合与In，利用最小二乘法求解待测件相位即真实面形。
综上，本发明的装置和方法简单易实现，不仅抗振动效果好、而且测量精度高，成本较低。

Claims (10)

1.一种抗振动菲索干涉测量装置，其特征在于，该装置包括用于对光源进行扩束准直及偏振态调制的短相干光源模块(31)，用于检测被测镜与参考镜振动相位平面的辅助干涉测量模块(32)，以及用于测量被测镜相位分布的主干涉测量模块(33)；其中辅助干涉测量模块(32)包括两条辅助测试光路，主干涉测量模块(33)构成菲索干涉测试光路。
2.根据权利要求1所述的抗振动菲索干涉测量装置，其特征在于，所述短相干光源模块(31)包括沿第一光轴依次设置的激光器(1)、1/2波片(2)、第一偏振分束镜(3)、第二1/4波片(5)以及第二标准镜(7)；还包括沿与第一光轴垂直的第二光轴依次设置的第一标准镜(6)、第一1/4波片(4)、第一扩束镜(8)，第一偏振分束镜(3)同时位于第二光轴上，且位于第一1/4波片(4)、第一扩束镜(8)之间。
3.根据权利要求1或2所述的抗振动菲索干涉测量装置，其特征在于，所述辅助干涉测量模块(32)包括沿与第一光轴相平行的第三光轴依次设置的反射镜(22)、第二偏振分束镜(21)、第四扩束镜(20)、第一分束镜(10)、第三光阑(25)、第三偏振分束镜(26)、第六扩束镜(29)以及第三面阵探测器(30)，其中第一分束镜(10)同时位于第二光轴上且位于第一扩束镜(8)之后；
辅助干涉测量模块(32)还包括位于第一分束镜(10)和第一扩束镜(8)之间的第一光阑(9)；位于第三偏振分束镜(26)反射光方向依次设置的第五扩束镜(27)、第二面阵探测器(28)；沿反射镜(22)反射光方向设置的第四标准镜(24)，以及沿第二偏振分束镜(21)反射光方向设置的第三标准镜(23)。
4.根据权利要求3所述的抗振动菲索干涉测量装置，其特征在于，所述主干涉测量模块(33)包括沿第二光轴且位于第一分束镜(10)之后依次设置的第二分束镜(11)、第二扩束镜(12)、参考镜(13)、被测镜(14)；还包括沿第二分束镜(11)反射光方向依次设置的第三1/4波片(15)、偏振片(16)、第二光阑(17)、第三扩束镜(18)、第一面阵探测器(19)。
5.根据权利要求4所述的抗振动菲索干涉测量装置，其特征在于，所述第一标准镜(6)、第二标准镜(7)与第一偏振分束镜(3)的距离差，等于参考镜(13)、被测镜(14)之间的距离，以获得一对光程差为零的相干光束，进而以使短相干光源模块(31)出射具有特定光程差的正交线偏振光。
6.根据权利要求5所述的抗振动菲索干涉测量装置，其特征在于，所述第三标准镜(23)至第一分束镜(10)的距离与被测镜(14)至第一分束镜(10)的距离相等。
7.根据权利要求6所述的抗振动菲索干涉测量装置，其特征在于，所述第四标准镜(24)至第一分束镜(10)的距离与参考镜(13)至第一分束镜(10)的距离相等。
8.一种抗振动菲索干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、激光器(1)出射线激光，依次通过1/2波片(2)、第一偏振分束镜(3)，第一偏振分束镜(3)将线激光分为正交的p光和s光，s光依次经第一1/4波片(4)、第一标准镜(6)反射、第一偏振分束镜(3)透射、第一扩束镜(8)进入第一分束镜(10)；p光依次经第二1/4波片(5)、第二标准镜(7)反射、第一偏振分束镜(3)反射、第一扩束镜(8)进入第一分束镜(10)，形成一对正交偏振光束；
步骤2、第一分束镜(10)将所述一对正交偏振光束分成相同的两束光；
其中一束偏振光依次经第二分束镜(11)、第二扩束镜(12)准直、参考镜(13)反射、被测镜(14)反射后，被第二分束镜(11)反射和透射，第二分束镜(11)的反射光依次经第三1/4波片(15)、偏振片(16)、第二光阑(17)、第三扩束镜(18)成像至第一面阵探测器(19)；第二分束镜(11)的透射光入射至第一分束镜(10)记为第一光束；
另一束偏振光被第二偏振分束镜(21)两束偏振光，一束偏振光经第三标准镜(23)反射后返回至第一分束镜(10)记为第二光束，另一束偏振光依次经反射镜(22)、第四标准镜(24)反射后返回至第一分束镜(10)记为第三光束；
步骤3、所述第一光束、第二光束、第三光束在第一分束镜(10)汇聚后，经第三光阑(25)入射至第三偏振分束镜(26)被分为两束正交偏振光，一束偏振光经第五扩束镜(27)成像至第二面阵探测器(28)，另一束偏振光经第六扩束镜(29)成像至第三面阵探测器(30)；
步骤4、解算第二面阵探测器(28)和第三面阵探测器(30)上的干涉图获得振动平面，解算第一面阵探测器(19)上的干涉图并结合振动平面获得被测件真实面形。
9.根据权利要求8所述的抗振动菲索干涉测量方法，其特征在于，步骤4所述解算第二面阵探测器(28)和第三面阵探测器(30)上的干涉图获得振动平面，具体为：
步骤4-1、对第二面阵探测器(28)和第三面阵探测器(30)所得干涉图分别进行傅里叶变换，获得相位分布其中n＝1，2，...N，N为面阵探测器采集到的干涉图总数；
步骤4-2、用每一幅干涉图的相位减去第一幅干涉图的相位得到振动相位：
记第二面阵探测器(28)对应的被测镜的振动相位为第三面阵探测器(30)对应的参考镜的振动相位为
步骤4-3、根据获得最终的振动相位为：
步骤4-4、对进行最小二乘法拟合，获得的一次项系数αn、βn和常数项系数γn，则相应的振动平面为：
10.根据权利要求9所述的抗振动菲索干涉测量方法，其特征在于，步骤4所述解算第一面阵探测器(19)上的干涉图并结合振动平面获得被测件真实面形，具体为：
第一面阵探测器(19)上的干涉图光强为：
结合与In，利用最小二乘法求解待测件相位即真实面形。
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