[發(fā)明專利]一種菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410263744.2
• 申請日: 2014-06-14
• 公開（公告）號: CN104034257B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳永前;劉鋒偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01B11/24;G01B11/16
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

1.一種菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于包括：激光器(1)、半波片(2)、聚焦透鏡(3)、空間濾波器(4)、圓偏振光分束器(5)、分光鏡(6)、準(zhǔn)直透鏡(7)、參考鏡(8)、小孔光闌(10)、成像透鏡(11)、分光移相系統(tǒng)(12)、計算機控制系統(tǒng)(13)和CCD(14)；所述聚焦透鏡(3)后焦平面和準(zhǔn)直透鏡(7)的前焦平面重合；所述空間濾波器(4)位于聚焦透鏡(3)的后焦平面處，同時位于準(zhǔn)直透鏡(7)的前焦平面處；所述小孔光闌(10)位于成像透鏡(11)的前焦平面處，且與準(zhǔn)直透鏡(7)的前焦平面共軛；激光器(1)發(fā)出一束線偏振光束，經(jīng)過半波片(2)后變?yōu)橐皇穹较蚩烧{(diào)的線偏振光；經(jīng)過聚焦透鏡(3)聚焦后由空間濾波器(4)濾波后通過一個圓偏振光分束器(5)變?yōu)閮墒哂幸欢ǚ质堑淖笮龍A偏振光和右旋圓偏振光，二者看成是在準(zhǔn)直透鏡(7)的前焦平面處兩個共軛的正交偏振點光源p,s所發(fā)出的光，其中p光源發(fā)出左旋圓偏振光，s光源發(fā)出右旋圓偏振光，通過一分光鏡(6)透射和準(zhǔn)直透鏡(7)后，光束被擴(kuò)束準(zhǔn)直，然后左旋右旋圓偏振光都經(jīng)由參考鏡(8)反射和被測鏡(9)反射再次經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(7)后被分光鏡(6)反射至小孔光闌(10)處，將形成四個光斑Rp,Rs,Tp,Ts，其中Rp是左旋圓偏振光經(jīng)參考鏡(8)反射又經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡(7)聚焦和分光鏡(6)反射后形成的光斑；Rs是右旋圓偏振光經(jīng)參考鏡(8)反射又經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡(7)聚焦和分光鏡(6)反射后形成的光斑；Tp是左旋圓偏振光經(jīng)被測鏡(9)反射又經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡(7)聚焦和分光鏡(6)反射后形成的光斑；Ts是右旋圓偏振光經(jīng)被測鏡(9)反射又經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡(7)聚焦和分光鏡(6)反射后形成的光斑；通過調(diào)節(jié)參考鏡(8)和被測鏡(9)的相對位置可以使光斑Rp,Ts或者Rs,Tp重合，其它光斑則被濾掉，這樣就得到了一對正交偏振的參考光和測試光；然后經(jīng)過成像透鏡(11)后進(jìn)入分光移相系統(tǒng)(12)實現(xiàn)分光移相，通過計算機控制系統(tǒng)(13)控制CCD(14)同步采集大于三幅的相移干涉圖并用相移算法恢復(fù)出被測鏡的三維面形分布，實現(xiàn)同步相移干涉測量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于：所述圓偏振光分束器(5)是一個由兩片旋向相反且各向同性的直角棱鏡型旋光晶體膠合而成的長方體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于：所述分束角為14-16分。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于：所述聚焦透鏡(3)、準(zhǔn)直透鏡(7)和成像透鏡(11)為消球差透鏡。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于：所述分光移相系統(tǒng)(12)可以采用棱鏡分光偏振片移相，或光柵分光偏振片移相，或微偏振分光陣列分光移相。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于：所述半波片(2)的初始快軸方向為水平方向，通過旋轉(zhuǎn)半波片改變輸出線偏振光的偏振方向，進(jìn)而改變圓偏振分光器發(fā)出的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的光強。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于：所述正交偏振點光源p,s看成傳統(tǒng)菲索干涉光路中的兩個光源，它們位于準(zhǔn)直透鏡的前焦平面處且以光軸為軸成對稱分布；二者之間的距離d由圓偏振光分束器(5)的分束角θ和準(zhǔn)直透鏡(7)的焦距f決定:d≈tan(θ)·f。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量裝置，其特征在于：所述參考鏡(8)的前表面應(yīng)有2－4°楔角，以保證前表面反射的光并沒有進(jìn)入光路。

9.一種菲索型準(zhǔn)共光路結(jié)構(gòu)的同步相移干涉測量方法，其特征在于：采用權(quán)利要求1所述的測量裝置，實現(xiàn)步驟如下：

(1)調(diào)整參考鏡(8)和被測鏡(9)的相對位置，使小孔光闌(10)處的四個光斑中的一對Rp,Ts或者Rs,Tp重合，另外一對光斑則被濾掉；

這時得到一對正交偏振的測試光和參考光，用瓊斯矩陣可表示為：

Er=a2-i1,Et=b21-iexp(iφ)]]>

其中E_r代表參考光瓊斯矢量，是參考光振幅，它是一左旋圓偏振光；E_t代表測試光的瓊斯矢量，是測試光振幅，它為一右旋圓偏振光；φ為參考光和測試光之間的相位差；

(2)由計算機控制系統(tǒng)(13)控制CCD(14)同步采集大于三幅的相移干涉圖，并記錄；分光系統(tǒng)把復(fù)合光波：

E=Er+Et=12b·exp(iφ)-i·aa-b·i·exp(iφ)]]>

其中E表示復(fù)合光波瓊斯矢量分成大于3束完全相等的子復(fù)合光，然后分別經(jīng)由四個偏振方向與水平方向夾角依次為θ＝0°，45°，90°，135°的偏振片，其瓊斯矢量：

A(θ)=cos2θcosθsinθcosθsinθsin2θ]]>

其中θ表示偏振片的透振方向與水平方向的夾角，A(θ)表示透振方向與水平方向的夾角為θ的偏振片的瓊斯矢量；

發(fā)生干涉，干涉光矢量可表示為：

其中E'表示參考光和測試光發(fā)生干涉后的瓊斯矢量；

該出射光為一個與偏振方向一致的線偏振光，其光強為：

其中I表示參考光和測試光發(fā)生干涉后的光強值；

由計算機控制系統(tǒng)(13)控制CCD(14)同步采集四幅相移干涉圖，光強分別為：

其中I₁表示CCD采集的第一幅干涉圖的光強，I₂表示CCD采集的第二幅干涉圖相移90°的光強，I₃表示CCD采集的第三幅干涉圖相移180°的光強，I₄表示CCD采集的第四幅干涉圖相移270°的光強；

用四步相移算法，恢復(fù)出相位：

其中表示由四步相移算法恢復(fù)出的被測件的包裹相位；

解包裹后得到真實的相位分布，再利用公式：

h(x,y)=λ4·π·φ(x,y)]]>

可恢復(fù)出被測鏡的實際面形，其中φ(x,y)表示解包裹后被測件的真實相位，h(x,y)表示被測件的面形分布。