專利名稱：空間移相菲索球面干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種空間移相菲索球面干涉儀。
背景技術(shù)：
菲索干涉儀將參考臂包含在測(cè)量臂中，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量光與參考光的共光路干涉而具有很高的測(cè)量精度，在光學(xué)測(cè)量中應(yīng)用廣泛。菲索干涉儀與空間移相器結(jié)合形成的空間移相菲索干涉儀可以實(shí)現(xiàn)抗振動(dòng)測(cè)量，降低了對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求，還可以進(jìn)行波面的實(shí)時(shí)測(cè)量。在先技術(shù)[1](參見 Sanjib Chatter jeea, Y. Pawan Kumara, et al. . Measurement of surface figure of plane optical surfaces with polarization phase-shifting Fizeau interferometer. Optics & Laser Technology，39，洸8_274，2007)描述了一種空間移相菲索干涉儀。由光源產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)過濾波、擴(kuò)束、準(zhǔn)直后變成平行光束，它在標(biāo)準(zhǔn)鏡輸出端的參考面上形成兩束光，一束光由于參考面的反射形成線偏振參考光，另一束透過參考面形成測(cè)量光。在標(biāo)準(zhǔn)鏡與被測(cè)元件之間放置一塊四分之一波片，則測(cè)量光經(jīng)過被測(cè)面反射前后兩次經(jīng)過四分之一波片使其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，即線偏振測(cè)量光的偏振方向與參考光的偏振方向垂直。兩束偏振方向相互垂直的測(cè)量光與參考光經(jīng)過準(zhǔn)直后依次通過另一塊四分之一波片、分光器、檢偏器陣列和圖像傳感器可以同時(shí)形成具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。在先技術(shù)[2](參見曾愛軍，郭小嫻，江曉軍等，同步移相菲索干涉儀.專利號(hào)CN 200820151412. 5)描述了一種空間移相菲索干涉儀。該干涉儀在標(biāo)準(zhǔn)鏡的出射面上鍍制雙折射薄膜代替先技術(shù)[1]中標(biāo)準(zhǔn)鏡與被測(cè)元件之間的四分之一波片來改變測(cè)量光的偏振方向。標(biāo)準(zhǔn)鏡與雙折射薄膜的共同界面為參考面，利用它的反射和透射形成偏振方向相互垂直的線偏振測(cè)量光與線偏振參考光。參考光與測(cè)量光進(jìn)入包含有四分之一波片的同步移相器后產(chǎn)生具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。上述兩種技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)鏡與被測(cè)元件之間使用了四分之一波片或等效四分之一波片，而四分之一波片只能使用在平行光束中，故只能實(shí)現(xiàn)面形為平面的被測(cè)元件的測(cè)量，即上述兩種空間移相菲索干涉儀只能是菲索平面干涉儀。參考光和測(cè)量光均為線偏振光，其面測(cè)量誤差與殘余雙折射成線性關(guān)系，故測(cè)量精度受分光鏡、準(zhǔn)直鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡的殘余雙折射的影響大。在移相器中必須使用四分之一波片，它的延遲量誤差和快軸方位角誤差都會(huì)降低測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種空間移相菲索球面干涉儀。該空間移相菲索球面干涉儀可以獲得具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。該空間移相菲索球面干涉儀在標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射面上鍍有雙折射薄膜，標(biāo)準(zhǔn)鏡的出射面為球面，可以實(shí)現(xiàn)球面被測(cè)元件的面形測(cè)量。該空間移相菲索球面干涉儀采用圓偏振參考光和測(cè)量光，減小準(zhǔn)直透鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡的殘余雙折射的影響。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測(cè)量精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種空間移相菲索球面干涉儀，特點(diǎn)在于其由準(zhǔn)直光源、圓起偏器、聚焦透鏡、光闌、第一分束器、第一準(zhǔn)直透鏡、雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡、第二分束器、第一圖像傳感器、 第二準(zhǔn)直透鏡、達(dá)曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器和計(jì)算機(jī)組成，其位置關(guān)系是沿所述的準(zhǔn)直光源的光束前進(jìn)方向，依次是所述的圓起偏器、聚焦透鏡、光闌、第一分束器、第一準(zhǔn)直透鏡、雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡，所述的光闌位于所述的聚焦透鏡的后焦點(diǎn)和所述的第一準(zhǔn)直透鏡的前焦點(diǎn)。在所述的第一分束器垂直于上述光束的前進(jìn)方向上放置第二分束器，第二分束器將光束分為兩路，其中一路光被第一圖像傳感器接收，另外一路光經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡、達(dá)曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器與計(jì)算機(jī)。當(dāng)待測(cè)球面位于所述的雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的出射方向上。待測(cè)球面的球心與雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的焦點(diǎn)重
I=I O所述的雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡由雙折射薄膜和球面標(biāo)準(zhǔn)鏡組成，球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射面為平面，出射面為球面。雙折射薄膜鍍?cè)谇蛎鏄?biāo)準(zhǔn)鏡的入射面上，其相位延遲量為 90°。所述的達(dá)曼光柵是二維消零級(jí)達(dá)曼光柵，它利用衍射效應(yīng)將一束入射光形成四個(gè)光強(qiáng)相等的子光束。所述的檢偏器陣列由四個(gè)檢偏器在同一個(gè)平面內(nèi)組合形成，四個(gè)檢偏器的透光軸方向分別為0°、45°、90°和135°。與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下1、本發(fā)明空間移相菲索球面干涉儀，特點(diǎn)是在標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射面上鍍有雙折射薄膜，而且該標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射面為平面，出射面為球面，在第一分束器的反射光路上，設(shè)有第二分束器、第二準(zhǔn)直透鏡、達(dá)曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，在所述的第二分束器的反射光方向設(shè)有第一圖像傳感器，以方便待測(cè)球面的調(diào)節(jié)，所述的計(jì)算機(jī)便于圖像數(shù)據(jù)處理，本發(fā)明在可以實(shí)現(xiàn)對(duì)球面被測(cè)元件的面形測(cè)量。該空間移相菲索球面干涉儀可以獲得具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。該空間移相菲索球面干涉儀采用圓偏振參考光和測(cè)量光，減小準(zhǔn)直透鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡的殘余雙折射的影響。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測(cè)量精度。2、測(cè)量光與參考光為圓偏振光，其面形測(cè)量誤差與殘余雙折射成平方關(guān)系。由于分光鏡、準(zhǔn)直鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡的殘余雙折射比較小，故面形測(cè)量誤差顯著小于線偏振測(cè)量光與線偏振參考光的測(cè)量誤差。3、移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測(cè)量精度。


圖1為本發(fā)明空間移相菲索球面干涉儀的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明空間移相菲索球面干涉儀的結(jié)構(gòu)圖。由圖1可見，本發(fā)明所述的空間移相菲索球面干涉儀，由準(zhǔn)直光源1、圓起偏器2、聚焦透鏡3、光闌4、第一分束器5、第一準(zhǔn)直透鏡6、雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7、第二分束器8、第一圖像傳感器9、第二準(zhǔn)直透鏡10、達(dá)曼光柵11、檢偏器陣列12、第二圖像傳感器13與計(jì)算機(jī)14組成。其位置關(guān)系是沿所述的準(zhǔn)直光源1的光束前進(jìn)方向，依次是所述的圓起偏器2、聚焦透鏡3、光闌4、第一分束器5、第一準(zhǔn)直透鏡6、雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7。所述的光闌4位于所述的聚焦透鏡3的后焦點(diǎn)和所述的第一準(zhǔn)直透鏡6的前焦點(diǎn)。在所述的第一分束器5垂直于上述光束的前進(jìn)方向放置第二分束器8，第二分束器8將光束分為兩路，其中一路光被第一圖像傳感器9接收，另外一路光經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡10、達(dá)曼光柵11、檢偏器陣列12、第二圖像傳感器13與計(jì)算機(jī)14。待測(cè)球面15位于所述的準(zhǔn)直光束經(jīng)過所述的雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7的出射方向上，待測(cè)球面15的球心與雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7的焦點(diǎn)重合。本實(shí)施例中所述的雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由雙折射薄膜701和球面標(biāo)準(zhǔn)鏡702組成，球面標(biāo)準(zhǔn)鏡702的入射面為平面，出射面為球面。雙折射薄膜701鍍制在球面標(biāo)準(zhǔn)鏡702的入射面上，其相位延遲量為90°。所述的達(dá)曼光柵11是二維消零級(jí)達(dá)曼光柵，它利用衍射效應(yīng)將一束入射光形成四個(gè)光強(qiáng)相等的子光束。所述的檢偏器陣列12由四個(gè)檢偏器在同一個(gè)平面內(nèi)組合形成，四個(gè)檢偏器的透光軸方向分別為0°、45°、90°和135°。本發(fā)明的測(cè)量過程如下準(zhǔn)直光源1輸出的光束經(jīng)過圓起偏器2變成圓偏振光，圓偏振光由聚焦透鏡3聚焦在光闌4上進(jìn)行濾波，濾波后的光束通過第一分束器5、第一準(zhǔn)直透鏡6后擴(kuò)束成平行光束。該平行光束通過雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7時(shí)，在雙折射薄膜701的前表面上產(chǎn)生兩束光，一束光由雙折射薄膜701的前表面反射形成參考光，另一束光透過雙折射薄膜701和球面標(biāo)準(zhǔn)鏡702形成測(cè)量光。測(cè)量光由被測(cè)面反射后兩次經(jīng)過雙折射薄膜701，該圓偏振光的旋向產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，測(cè)量光與參考光的偏振方向相互垂直。若參考光為右旋圓偏振光，則測(cè)量光為左旋圓偏振光。若參考光為左旋圓偏振光，則測(cè)量光為右旋圓偏振光。測(cè)量光與參考光由第一分束器5反射后進(jìn)入第二分束器8分成兩路，其中一路光入射到第一圖像傳感器 9。調(diào)整待測(cè)球面15的位置，使測(cè)量光的光斑和參考光的光斑在第一圖像傳感器9上重合，重合時(shí)，則待測(cè)球面15的球心與所述的雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7的焦點(diǎn)重合。此時(shí)另一路光經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡10成為平行光束，該光束進(jìn)入達(dá)曼光柵11后產(chǎn)生四個(gè)強(qiáng)度相等的子光束。該四個(gè)子光束經(jīng)過檢偏器陣列12后由第二圖像傳感器13接收， 形成具有一定移相量的四幅移相干涉圖像，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)14中進(jìn)行圖像處理，得到待測(cè)球面的面形分布。其圖像處理算法請(qǐng)參見在先技術(shù)[2] (James Millerd,Neal Brock, John Hayes, et al. . Pixelated Phase-Mask Dynamic Interferometer. Proceedings of SPIE Vol.5531，2048-314，2004)。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)敘述如下所述的準(zhǔn)直光源1為He-Ne激光器，所述的圓起偏器2為利用方解石晶體和石英晶體制作成的消光比優(yōu)于10_3的圓起偏器，所述的聚焦透鏡3的焦距為15mm，所述的光闌4 的直徑為10 μ m，所述的第一分束器5和第二分束器8均為消偏振分光棱鏡，所述的第一準(zhǔn)直透鏡6的焦距為300mm，所述的折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡7的結(jié)構(gòu)如圖2所示，雙折射薄膜 701為相位延遲量等于90°的TW2雙折射薄膜，所述的第二準(zhǔn)直透鏡10的焦距為20mm，所述的達(dá)曼光柵11的柵線寬度為20 μ m、所述的檢偏器陣列12中的四個(gè)檢偏器為消光比優(yōu)于 ΙΟ"2的偏振片，所述的第一圖像傳感器9和第二圖像傳感器13均為CXD圖像傳感器。將最佳實(shí)施例所述的空間移相菲索球面干涉儀對(duì)待測(cè)球面15進(jìn)行面形測(cè)量，單次采集可以同時(shí)獲得移相量分別為0°、90°、180°、270°的四幅移相干涉圖像，進(jìn)而得到待測(cè)球面的面形分布。
權(quán)利要求
1.一種空間移相菲索球面干涉儀，包括準(zhǔn)直光源(1)、圓起偏器O)、聚焦透鏡(3)、光闌G)、第一分束器(5)、第一準(zhǔn)直透鏡(6)、第一圖像傳感器(9)、第二準(zhǔn)直透鏡(10)、達(dá)曼光柵(11)、檢偏器陣列(12)、第二圖像傳感器(1 和計(jì)算機(jī)(14)，其特征是在所述的第一準(zhǔn)直透鏡(6)和待測(cè)球面(1 之間設(shè)有雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)，其位置關(guān)系是沿所述的準(zhǔn)直光源(1)發(fā)出的光束前進(jìn)方向，依次是所述的圓起偏器O)、聚焦透鏡(3)、光闌 G)、第一分束器(5)、第一準(zhǔn)直透鏡(6)、雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)而達(dá)到所述的待測(cè)球面(1 上，經(jīng)該待測(cè)球面(1 反射后在所述的第一分束器( 的反射光路上，依次是第二分束器(8)、第二準(zhǔn)直透鏡(10)、達(dá)曼光柵(11)、檢偏器陣列(12)、第二圖像傳感器(11) 和計(jì)算機(jī)(14)，在所述的第二分束器(8)的反射光方向設(shè)有第一圖像傳感器(9)，所述的光闌(4)位于所述的聚焦透鏡(3)的后焦點(diǎn)和所述的第一準(zhǔn)直透鏡(6)的前焦點(diǎn)，待測(cè)球面 (15)位于所述的準(zhǔn)直光束經(jīng)過所述的雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)的出射方向上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間移相菲索球面干涉儀，其特征是所述的雙折射薄膜型球面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)由雙折射薄膜和球面標(biāo)準(zhǔn)鏡組成，球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射面為平面，出射面為球面，所述的雙折射薄膜鍍?cè)谇蛎鏄?biāo)準(zhǔn)鏡的入射面上，其相位延遲量為90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間移相菲索球面干涉儀，其特征是所述的達(dá)曼光柵(11)是二維消零級(jí)達(dá)曼光柵，它利用衍射效應(yīng)將一束入射光形成四個(gè)光強(qiáng)相等的子光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間移相菲索球面干涉儀，其特征是所述的檢偏器陣列(12) 由四個(gè)檢偏器在同一個(gè)平面內(nèi)組合形成，四個(gè)檢偏器的透光軸方向分別為0°、45°、90° 和 135° 。
全文摘要
一種空間移相菲索球面干涉儀，特點(diǎn)是在標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射面上鍍有雙折射薄膜，而且該標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射面為平面，出射面為球面，在第一分束器的反射光路上，設(shè)有第二分束器、第二準(zhǔn)直透鏡、達(dá)曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，在所述的第二分束器的反射光方向設(shè)有第一圖像傳感器，以方便待測(cè)球面的調(diào)節(jié)，所述的計(jì)算機(jī)便于圖像數(shù)據(jù)處理，本發(fā)明在可以實(shí)現(xiàn)對(duì)球面被測(cè)元件的面形測(cè)量。該空間移相菲索球面干涉儀可以獲得具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。該空間移相菲索球面干涉儀采用圓偏振參考光和測(cè)量光，減小準(zhǔn)直透鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡的殘余雙折射的影響。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G02B5/30GK102401630SQ20111036317
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉龍海, 徐傲, 方瑞芳, 曾愛軍, 熊超, 陳貝特, 黃惠杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所