[發(fā)明專利]可實時測量的同步相移斐索干涉裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210039555.8
• 申請日: 2012-02-21
• 公開（公告）號: CN102589414A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚保利;郜鵬;閔俊偉;雷銘;嚴(yán)紹輝;楊延龍;葉彤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01B11/24
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 徐平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可實時測量物體表面三維形貌的同步相移斐索干涉裝置。

背景技術(shù)

定量測量物體表面的三維形貌或表面平整度，對提高光學(xué)加工精度和加工質(zhì)量具有重要意義。傳統(tǒng)的光學(xué)干涉方法，如邁克爾遜干涉儀、泰曼格林干涉儀等，為物體表面形貌測量提供了高精度、快速、無損的測試手段。然而，在這些干涉儀中，物光和參考光在空間上歷經(jīng)了不同的路徑，所以環(huán)境振動對測量結(jié)果影響較大。

斐索干涉儀，具有物參共路的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以克服傳統(tǒng)干涉儀對環(huán)境振動敏感的缺點。在斐索干涉儀中，平整度很高的玻璃平板和樣品表面平行放置，照明光在兩者表面反射回來的光束分別被用作參考光和物光。參考光和物光發(fā)生等厚干涉，形成的干涉圖樣反映了被測樣品表面的三維形貌。斐索干涉儀具有以下優(yōu)點：1、測量精度高，因為大部分光學(xué)元件都放置在干涉單元(玻璃平板和被測樣品)之外，不會帶來附加相位畸變。2、對環(huán)境振動不敏感，因為物光和參考光經(jīng)歷完全相同的光路元件，環(huán)境的擾動不影響兩者之間的光程差。3、可以測量較大面積的樣品。

德國萊卡公司的Heil和埃及國家標(biāo)準(zhǔn)研究所的Abdelsalam將離軸光路應(yīng)用于斐索干涉，從得到的單幅載頻干涉圖樣中可以再現(xiàn)出被測物體的表面形貌。然而，由于目前CCD和CMOS圖像傳感器的空間分辨率有限，限制了干涉儀中物參光的夾角不能太大，使得再現(xiàn)像分辨率不高。為了能充分利用CCD的空間帶寬積，提高成像的空間分辨能力，眾多學(xué)者在斐索干涉儀中采用同軸光路(即物參光的夾角為0度)。通過沿軸向移動參考玻璃平板/樣品，或通過調(diào)諧照明光的中心波長來記錄多幅相移干涉圖樣，再現(xiàn)出被測樣品的振幅或相位分布。此外，日本新瀉大學(xué)的Sasaki教授通過周期性地移動斐索干涉儀中的玻璃平板，得到一系列相移干涉圖樣，然后，利用這些干涉圖樣來消除被測樣品的零級像、共軛像，最后得到清晰的原始像。德國愛爾蘭根大學(xué)的Schwider教授將具有光頻梳的照明光應(yīng)用于斐索干涉，該方法通過改變光頻梳的中心波長得到了一系列相移干涉圖樣，實現(xiàn)了對玻璃平板平整度的測量。總之，這些方法采用同軸光路充分利用CCD的空間帶寬積，具有較高的空間分辨能力。然而，相移操作需要耗費時間，因此不能用于測量運動物體或動態(tài)過程。

在保證再現(xiàn)像空間分辨率的前提下，為了能實現(xiàn)測量的實時性，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了同步相移技術(shù)研究。同步相移又稱瞬時相移，是指在同一時間得到多幅相移干涉圖樣的方法或技術(shù)。目前常用的同步相移技術(shù)可以分為三類：1、利用多個CCD同時記錄不同相移量的多幅干涉圖樣。該方法保證了CCD的視場和分辨率被充分利用。然而，多個CCD采集數(shù)據(jù)的時間統(tǒng)一性較難保證，且成本較高。2、利用偏振掩模板來覆蓋CCD的靶面，使得相鄰像素記錄的干涉圖樣之間具有不同的相移，再通過對整個干涉圖樣的重新抽樣實現(xiàn)同步相移。該方法雖然可以充分利用CCD的視場，但是由于每相鄰2～4個像素作為一相移單元，限制了該方法的空間分辨率。3、基于平行分光的同步相移方法。利用沃拉斯頓棱鏡在頻譜分光，分開的光束被透鏡準(zhǔn)直成平行光后，結(jié)合偏振相移實現(xiàn)同步相移。然而，這些同步相移技術(shù)，大都要求物光和參考光具有正交的偏振方向。對于斐索干涉裝置來說，物光和參考光基本上經(jīng)歷了完全相同的光學(xué)元件，使得兩者具有正交偏振具有較大困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種能對物體表面形貌進(jìn)行實時高精度測量的同步相移斐索干涉裝置。本發(fā)明將同步相移技術(shù)和斐索干涉方法相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)干涉儀穩(wěn)定性差、測量精度低、不能實時測量等技術(shù)問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：

該可實時測量的同步相移斐索干涉裝置包括照明單元、干涉單元、同步相移單元，干涉單元包括設(shè)置在光路上的非偏振分光棱鏡、第一1/4波片和樣品，樣品平行于1/4波片的表面放置；第一1/4波片的主軸方向和照明光的偏振方向成45°角；同步相移單元包括依次設(shè)置在非偏振分光棱鏡反射光路方向的第二1/4波片、平行分光單元、濾波單元、偏振單元以及CCD相機(jī)；所述第二1/4波片的主軸方向分別與物光和參考光偏振方向成45°角。

上述平行分光單元以采用包括平行放置在第二1/4波片后的第一光柵和第二光柵的結(jié)構(gòu)形式為佳；上述濾波單元以采用包括由第三透鏡和第四透鏡組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，以及設(shè)置在第三透鏡后焦面上的光闌結(jié)構(gòu)形式為佳；偏振單元一般選擇放置在第四透鏡后的偏振掩膜板。

上述偏振掩模板以采用由偏振方向依次成45°角的4片偏振片排列組成的2×2陣列為佳。

上述第一光柵和第二光柵是振幅型光柵或相位型光柵，第一光柵和第二光柵的周期相同。