專利名稱：同步移相菲索干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)干涉測(cè)量，特別是一種同步移相菲索干涉儀。.
背景技術(shù)：
干涉儀是一種非接觸的高精度測(cè)量?jī)x器，在現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量中得到了越來越廣泛 的應(yīng)用。在多種干涉儀中，菲索干涉儀將參考臂包含在測(cè)量臂中實(shí)現(xiàn)了參考光束與 測(cè)量光束的共光路干涉，具有簡(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)，降低了光學(xué)元件加工誤差、裝校調(diào) 試誤差以及外部環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響，成為光學(xué)加工中最為常用的測(cè)試儀 器。為了提高測(cè)量精度，需要在菲索干涉儀中引入移相技術(shù)來提取相位分布以獲得 面形信息。對(duì)于菲索干涉儀，常見的移相措施是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)鏡移動(dòng)或者改變 激光波長(zhǎng)，不同移相量的干涉圖像需要在不同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采集，稱之為時(shí)域移相菲 索干涉儀。由于干涉圖像采集時(shí)間的變化，時(shí)域移相菲索干涉儀對(duì)使用環(huán)境的要求 非?？量蹋渲协h(huán)境振動(dòng)的影響尤為突出，因此時(shí)域移相菲索干涉儀不能用于光學(xué) 元件的在線檢測(cè)，需要在其測(cè)量過程中采用隔振措施來減小振動(dòng)的影響。當(dāng)時(shí)域移 相菲索干涉儀與待測(cè)光學(xué)元件之間的距離很長(zhǎng)而無法將它們置于一個(gè)防振臺(tái)上進(jìn) 行測(cè)量時(shí)，外界振動(dòng)將導(dǎo)致干涉圖像抖動(dòng)、扭曲、模糊，嚴(yán)重影響測(cè)量精度甚至使 測(cè)量無法進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)抗振動(dòng)測(cè)量與在線檢測(cè)， 一種技術(shù)途徑就是將菲索干涉儀 與同歩移相技術(shù)相結(jié)合形成同步移相菲索干涉儀。同歩移相菲索干涉儀瞬間獲得多 幅移相干涉圖像，可以消除振動(dòng)的影響，從而更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需求。
現(xiàn)有的同步移相技術(shù)均是將偏振方向相互垂直的測(cè)量光束與參考光束進(jìn)行空
間分光后利用偏振器件形成具有不同相位差的多個(gè)測(cè)量子光束、參考子光束，進(jìn)而 形成,幅具有不同移相量的干涉圖像。在共光路干涉的同步移相菲索干涉儀中，一
個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是偏振方向相互垂直的測(cè)量光束與參考光束的形成。在先技術(shù)[l](參 見James E. Millerd， James C. Wyant. Simultaneous phase-shifting Fizeau interferometer. United States Patent, No.20050046864)描述了 一種同步移相菲索干涉儀，它利用偏振 分束單元將濾波后的光束形成偏振方向相互垂直且具有一定夾角的兩束光，這兩束
光經(jīng)過傾斜參考面和待測(cè)面的反射后得到具有一定夾角的兩束參考光與具有一定夾角的兩束測(cè)量光。在對(duì)準(zhǔn)監(jiān)視單元的監(jiān)測(cè)下，不斷調(diào)整待測(cè)面使偏振方向相互垂 直一束參考光與一束測(cè)量光重合，重合的參考光與測(cè)量光進(jìn)入同步移相器形成多幅 依次具有一定移相量的千涉圖像。在先技術(shù)[2](參見PiotrSzwaykowski,FederickN Bushroe and Raymond J Castronguay. Interferometric system with reduced vibration sensitivity and realated method. United States Patent, No.20060146341)描述了另一禾中 同步移相菲索干涉儀，它利用對(duì)準(zhǔn)監(jiān)視單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)并調(diào)整待測(cè)面使測(cè)量光束與參 考光舉具有一定夾角而被聚焦在焦面的不同位置上，兩個(gè)對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置有兩個(gè)偏 振方向相互垂直的起偏器，則測(cè)量光束與參考光束的偏振方向相互垂直，再利用偏 振合束單元使測(cè)量光束與參考光束合束后進(jìn)入同步移相器。在先技術(shù)[l]、 [2]所述 同步移相菲索干涉儀中的測(cè)量光束與參考光束之間具有一定的夾角而使測(cè)量光束 與參考光束不完全重合，這樣一種不完全重合的光路結(jié)構(gòu)在測(cè)量原理上就產(chǎn)生了回 程誤差，它隨測(cè)量距離的增加而增大，即在引入測(cè)量誤差的同時(shí)影響測(cè)量距離。測(cè) 量過程中需要不斷調(diào)整待測(cè)面，使同步移相菲索干涉儀的操作過程繁瑣費(fèi)時(shí)。需要 引入偏振分束、合束單元和對(duì)準(zhǔn)監(jiān)視單元，同歩移相菲索干涉儀的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 在先技術(shù)[3](參見Brad Kimbrough， James Millerd, James Wyant, et al.. Low coherence vibration insensitive Fizeau interferometer. Proc.SPIE， Vol.6292, 62920F, 2006)—描述了一種同步移相菲索干涉儀，它所采用的光源為短相干性線偏振光源， 光源的出射光束通過一個(gè)偏振邁克爾遜結(jié)構(gòu)的光程差調(diào)整單元后進(jìn)行擴(kuò)束，光程差 調(diào)整單元可使光束中平行、垂直于入射面的兩個(gè)分量產(chǎn)生一定的光程差。擴(kuò)束后的 光束經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)鏡、待測(cè)面的反射后形成參考光束與測(cè)量光束，標(biāo)準(zhǔn)鏡與待測(cè)面之間 的光程差大于光源的相干長(zhǎng)度，通過調(diào)整光程差調(diào)整單元可使參考光束中垂直于入 射面的分量與測(cè)量光束中平行于入射面的分量之間的光程差小于光源的相干長(zhǎng)度 而產(chǎn)生干涉，或者使參考光束中平行于入射面的分量與測(cè)量光束中垂直于入射面的 分量之間的光程差小于光源的相干長(zhǎng)度而產(chǎn)生干涉，另外兩個(gè)分量由于其光程差遠(yuǎn) 大于光源的相干長(zhǎng)度而不產(chǎn)生干涉。該同步移相菲索干涉儀實(shí)現(xiàn)了測(cè)量光束與參考 光束的完全共光路，但其光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光程差調(diào)整過程繁瑣，光源相干性短而不 適合遠(yuǎn)距離測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種同歩移相菲索干涉儀，該同步移相菲索干涉儀具有無原理性回程誤差、測(cè)量距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于 操作的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案
一種同步移相菲索干涉儀，特點(diǎn)是其由線偏振激光光源、二分之一波片、聚焦 透鏡、光闌、分束器、第一準(zhǔn)直透鏡、雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡、第二準(zhǔn)直透鏡與同步 移相器組成，其位置關(guān)系是沿所述的線偏振激光光源的光束前進(jìn)方向上，依次是 所述的二分之一波片、聚焦透鏡、光闌、分束器、第一準(zhǔn)直透鏡、雙折射薄膜型標(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)， 在所述的分束器的垂直于上述光束前進(jìn)方向的方向上依次是第二準(zhǔn)直透鏡與同步移 相器，待測(cè)面處于所述的線偏振激光光源的光束經(jīng)過所述的雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡的 出射方向上，所述的雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡是一塊標(biāo)準(zhǔn)平板并在該標(biāo)準(zhǔn)平板的入射面 有增透膜，出射面具有雙折射薄膜和增透膜,所述的雙折射薄膜的相位延遲量為90°。
所述的分束器、第一準(zhǔn)直透鏡、第二準(zhǔn)直透鏡的入射面和出射面均鍍有增透膜。
所述的線偏振激光光源為直接輸出線偏振激光的激光器，或者是由激光器與起 偏器構(gòu)成的線偏振激光組合體。
所述的同步移相器為分束棱鏡分光型同歩移相器、衍射元件分光型同步移相 器、全息元件分光型同歩移相器或微偏振器陣列型同步移相器。
與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下
1、 無原理性回程誤差。
本實(shí)用新型中測(cè)量光束經(jīng)過待測(cè)面反射后與參考光束完全共光路經(jīng)過雙折射薄 膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡、分束器和第二準(zhǔn)直透鏡后進(jìn)入同步移相器，不會(huì)產(chǎn)生原理性回程誤差。
2、 測(cè)量距離遠(yuǎn)。
本實(shí)用新型中的激光光源可以具有長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度，能夠獲得遠(yuǎn)的測(cè)量距離。測(cè) 量光束與參考光束完全共光路，不存在回程誤差影響測(cè)量距離的問題。
3、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
本實(shí)用新型是利用鍍制在標(biāo)準(zhǔn)鏡上的雙折射薄膜來形成偏振方向相互垂直的 測(cè)量光束與偏振方向，不需要增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜的偏振分束單元、偏振合束單元、對(duì)準(zhǔn) 監(jiān)視單元，或者光程差調(diào)整單元，使其具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。
4、 易于操作。
完全共光路的干涉光路結(jié)構(gòu)保證了測(cè)量光束與參考光束能夠重合而產(chǎn)生干涉，無須精密調(diào)整待測(cè)面使偏振方向相互垂直的參考光束與測(cè)量光束重合產(chǎn)生干涉，無 須調(diào)整測(cè)量光束與參考光束之間的光程差以產(chǎn)生干涉，故本實(shí)用新型的測(cè)量過程易 于操作。


圖1為本實(shí)用新型同歩移相菲索干涉儀的結(jié)構(gòu)圖。 圖2為本實(shí)用新型雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新 型的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型同步移相菲索干涉儀的結(jié)構(gòu)圖。由圖1可見， 本實(shí)用新型所述的同步移相菲索干涉儀，由線偏振激光光源1、 二分之一波片2、 聚焦透鏡3、光闌4、分束器5、第一準(zhǔn)直透鏡6、雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7、第二準(zhǔn) 直透鏡8與同步移相器9組成，其位置關(guān)系是沿所述的線偏振激光光源1的光束 前進(jìn)方向上，依次是所述的二分之一波片2、聚焦透鏡3、光闌4、分束器5、第一 準(zhǔn)直透鏡6、雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7，在所述的分束器5的垂直于上述光束前進(jìn)方向 的方向上依次是第二準(zhǔn)直透鏡8與同步移相器9。待測(cè)面10處于所述的線偏振激光 光源1的光束經(jīng)過雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7的出射方向上。
本實(shí)施例中
所述的線偏振激光光源1為直接輸出線偏振激光的激光器。 所述的二分之一波片2能夠被旋轉(zhuǎn)以改變其快軸方向。 所述的聚焦透鏡3的后焦點(diǎn)位于所述的光闌4附近。 所述的光闌4處于所述的第一準(zhǔn)直透鏡6的前焦點(diǎn)上。
所述的分束器5、第一準(zhǔn)直透鏡6、第二準(zhǔn)直透鏡8的入射面與出射面均鍍有 增透膜。
所述的雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由標(biāo)準(zhǔn)平板701、雙折射 薄膜702、增透膜703和增透膜704所組成，雙折射薄膜702的相位延遲量為90°, 增透膜703位于標(biāo)準(zhǔn)平板701的入射面上，雙折射薄膜702與增透膜704依次位于標(biāo)準(zhǔn)平板701的出射面上。
所述的同步移相器9為衍射元件分光型同步移相器。
線偏振激光光源1輸出的線偏振光束經(jīng)過二分之一波片2后由聚焦透鏡3聚焦 在光闌4上進(jìn)行濾波，濾波后的光束通過分束器5、第一準(zhǔn)直透鏡6后變成平行光， 通過旋轉(zhuǎn)二分之一波片2可以使該平行光的偏振方向與雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7中雙 折射薄膜702的快軸方向成45。夾角。該平行光通過雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7時(shí)，在 標(biāo)準(zhǔn)平板701與雙折射薄膜702的界面上產(chǎn)生兩束光， 一束光由標(biāo)準(zhǔn)平板701與雙 折射薄膜702的界面反射形成參考光束，參考光束原路返回標(biāo)準(zhǔn)平板701。另一束 光從標(biāo)準(zhǔn)平板701與雙折射薄膜702的界面透射形成測(cè)量光束，測(cè)量光束通過雙折 射薄膜702、增透膜704后由待測(cè)面10反射，待測(cè)面10反射的測(cè)量光束再次經(jīng)過 雙折射薄膜702后與參考光束完全重合，但是其偏振方向被旋轉(zhuǎn)卯。，即偏振方向 與參考光束的偏振方向垂直。測(cè)量光束與參考光束依次經(jīng)過雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7、 第一準(zhǔn)直透鏡6后由分束器5反射進(jìn)入第二準(zhǔn)直透鏡8，測(cè)量光束與參考光束經(jīng)過 第二準(zhǔn)直透鏡8后成為平行光進(jìn)入同步移相器9。偏振方向相互垂直的測(cè)量光束與 參考光束將在同歩移相器9中形成依次具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。
本實(shí)用新型中測(cè)量光束經(jīng)過待測(cè)面10再次經(jīng)過雙折射薄膜702后與參考光束 完全重合，不存在產(chǎn)生原理性的回程誤差。本實(shí)用新型中的線偏振激光光源1可以 為高相干長(zhǎng)性激光，待測(cè)面10與雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7之間的距離高達(dá)數(shù)米甚至 更高都可以進(jìn)行測(cè)量。本實(shí)用新型不需要偏振分束、偏振合束單元與對(duì)準(zhǔn)監(jiān)視單元， 也不需要光程差調(diào)整單元，其光路結(jié)構(gòu)與常規(guī)菲索干涉儀的光路結(jié)構(gòu)基本相同，具 有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的完全共光路結(jié)構(gòu)保證了待測(cè)面10反射的測(cè)量光束與 雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7產(chǎn)生的參考光束能完全重合而產(chǎn)生干涉，無須調(diào)整待測(cè)面10 的傾斜而使測(cè)量過程易于操作。
本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)敘
述如下
線偏振激光光源1為直接輸出線偏振激光的He-Ne激光器。二分之一波片2 為相位延遲量誤差小于0.5。的零級(jí)二分之一波片。聚焦透鏡3的數(shù)值孔徑為0.2。 光闌4的大小為5pm。分束器5為消偏振分束立方棱鏡，其通光口徑為())20mm。第 一準(zhǔn)直透鏡6的焦距為1000mm。雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡7中的標(biāo)準(zhǔn)平板701的面形 精度優(yōu)于人/15，雙折射薄膜702為相位延遲量等于90。的TiO2雕塑雙折射薄膜。第二準(zhǔn)直透鏡8的焦距為50mm。同步移相器9為采用正交相位龍基光柵的衍射元件 分光型同步移相器。
將最佳實(shí)施例所述的同步移相菲索干涉儀對(duì)作為楔形平板前表面的待測(cè)面10 進(jìn)行實(shí)時(shí)面形測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單次采集可以同時(shí)獲得移相量分別為0°、 90°、 180°、 270。的四幅移相干涉圖像，在無抗振措施條件下的重復(fù)測(cè)量精度優(yōu)于X/500。
實(shí)驗(yàn)表明，本實(shí)用新型具有無原理性回程誤差、測(cè)量距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于 操作的特點(diǎn)。
權(quán)利要求1、一種同步移相菲索干涉儀，特征在于其由線偏振激光光源(1)、二分之一波片(2)、聚焦透鏡(3)、光闌(4)、分束器(5)、第一準(zhǔn)直透鏡(6)、雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)、第二準(zhǔn)直透鏡(8)與同步移相器(9)組成，其位置關(guān)系是沿所述的線偏振激光光源(1)的光束前進(jìn)方向上，依次是所述的二分之一波片(2)、聚焦透鏡(3)、光闌(4)、分束器(5)、第一準(zhǔn)直透鏡(6)、雙折射薄膜型標(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)，在所述的分束器(5)的垂直于上述光束前進(jìn)方向的方向上依次是第二準(zhǔn)直透鏡(8)與同步移相器(9)，待測(cè)面(10)處于所述的線偏振激光光源(1)的光束經(jīng)過所述的雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)的出射方向上，所述的雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)是一塊標(biāo)準(zhǔn)平板(701)并在該標(biāo)準(zhǔn)平板(701)的入射面有增透膜(703)，出射面具有雙折射薄膜(702)和增透膜(704)，所述的雙折射薄膜(702)的相位延遲量為90°。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步移相菲索干涉儀，其特征在于所述的分束器、第 一準(zhǔn)i透鏡、第二準(zhǔn)直透鏡的入射面和出射面均鍍有增透膜。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步移相菲索干涉儀，其特征在于所述的線偏振激光 光源為直接輸出線偏振激光的激光器，或者是由激光器與起偏器構(gòu)成的線偏振激光 組合體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的同歩移相菲索干涉儀，其特征在于所述 的同步移相器為分束棱鏡分光型同歩移相器、衍射元件分光型同步移相器、全息元 件分光型同步移相器或微偏振器陣列型同歩移相器。
專利摘要一種同步移相菲索干涉儀，其構(gòu)成是沿所述的線偏振激光光源的光束前進(jìn)方向上，依次是所述的二分之一波片、聚焦透鏡、光闌、分束器、第一準(zhǔn)直透鏡、雙折射薄膜型標(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)，在所述的分束器的垂直于上述光束前進(jìn)方向的方向上依次是第二準(zhǔn)直透鏡與同步移相器，待測(cè)面處于所述的線偏振激光光源的光束經(jīng)過所述的雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡的出射方向上，所述的雙折射薄膜型標(biāo)準(zhǔn)鏡是一塊標(biāo)準(zhǔn)平板并在該標(biāo)準(zhǔn)平板的入射面有增透膜，出射面具有雙折射薄膜和增透膜，所述的雙折射薄膜的相位延遲量為90°。本實(shí)用新型具有無原理性回程誤差、測(cè)量距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK201251428SQ20082015141
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者曾愛軍, 江曉軍, 王向朝, 謝承科, 郭小嫻, 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