斐索型雙波長激光調(diào)諧移相干涉測試裝置及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光干涉測試領(lǐng)域，特別是一種斐索型雙波長激光調(diào)諧移相干涉測試裝 置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 斐索型干涉儀是一種常用的等厚型干涉儀，具有參考光與測試光共光路的特點(diǎn)， 可以用于平面、球面及非球面的面形測量，球面曲率半徑的測量以及各種透鏡、棱鏡、光學(xué) 系統(tǒng)的波面?zhèn)鬏斮|(zhì)量的測量。
[0003] 移相干涉是一種精密光學(xué)干涉測量技術(shù)，采用精密的移相器件在參考光路中有序 地引入特定移相值，改變參考光與測試光的相位差來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，利用探測器（如CCD) 采集數(shù)字化的干涉圖，通過不同的波面求解算法準(zhǔn)確計(jì)算出干涉圖中所包含的波面信息， 測量精度可達(dá)到1/50波長。常見的移相方法有壓電陶瓷（PZT)移相、旋轉(zhuǎn)偏振器件（波片、 偏振片）移相、移動(dòng)衍射光柵或者傾斜平板移相、波長移相等。
[0004] 移相干涉儀通常是采用單一波長作為光源，具有較高的測量精度和較好的測量重 復(fù)性，但是其測量范圍較小，適用于連續(xù)表面和臺(tái)階高度小于0. 5波長的不連續(xù)表面。在臺(tái) 階面的面形檢測過程中，被測臺(tái)階高低差較大，導(dǎo)致相鄰像素的相位差大于n超過其測量 范圍，無法正確恢復(fù)出臺(tái)階的高度。
[0005] 為了擴(kuò)大單波長移相干涉儀的測試范圍，Yeou-YenCheng等 人在《Two-waveIengthphaseshiftinginterferometry》（APPLIED OPTICS，24 (23) : 4539-4543, 1984)中提出了雙波長移相干涉測試方法，利用合成波長 技術(shù)來檢測誤差較大的面形，解決了傳統(tǒng)單波長干涉測試出現(xiàn)的2 模糊問題。針對(duì) 合成波長相位的誤差放大效應(yīng)，Yeou-YenCheng等人隨后在其《Multiple-wavelength phase-shiftinginterferometry》（APPLIEDOPTICS, 24(6) :804-807, 1985) -文中提出 以合成波長相位數(shù)據(jù)修正單波長相位數(shù)據(jù)，在保證單波長移相干涉測試精度的前提下，擴(kuò) 大了單波長移相干涉術(shù)的測量范圍。傳統(tǒng)的雙波長移相干涉測試裝置一般采用壓電陶瓷 (PZT)移相，該方法存在不同波長下的PZT移相誤差。針對(duì)不同波長下的移相誤差問題， JoannaSchmit在〈〈Two-wavelengthinterferometricprofilometrywithaphase-step error-compensatingalgorithm)) (OpticalEngineering, 45 (11) : 115602_1-115602_3, 2 006)中針對(duì)雙波長移相干涉測試過程中兩種波長下的PZT移相校準(zhǔn)誤差問題，提出采用 對(duì)移相校準(zhǔn)誤差不敏感的8步移相算法來求解兩種波長下的相位值，但計(jì)算過程復(fù)雜且 其移相誤差補(bǔ)償存在一定的范圍。為了從硬件方面解決雙波長移相誤差問題，Michael B.North-Morris在《Phase-ShiftingMulti-WaveIengthDynamicInterferometer》 (ProceedingsofSPIE,Vol. 5531:64-75,Bellingham,WA, 2004))中設(shè)計(jì)了 一種雙波長 動(dòng)態(tài)干涉檢測裝置，直接在CCD前放置像素級(jí)的相位掩膜實(shí)現(xiàn)同步移相，通過對(duì)掩膜板 進(jìn)行消色差設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同波長下的同步移相，但其對(duì)掩膜板的設(shè)計(jì)加工要求很高，結(jié)構(gòu) 安裝復(fù)雜且后續(xù)信息處理繁瑣。YouichiBitou在《Two-wavelengthphase-shifting interferometryusinganelectricallyaddressedliquidcrystalspatiallight modulator》（APPLIEDOPTICS，44(9):1577-1581, 2005)中設(shè)計(jì)了一種基于空間光調(diào)制 器（EA-SLM)移相的雙波長干涉測試裝置，實(shí)現(xiàn)了兩種波長下相反方向的精確等步長移 相，采用傳統(tǒng)移相算法直接提取合成波長相位數(shù)據(jù)，但其裝置因包含大量偏振器件和衍射 兀件而結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。D.G.Abdelsalam在《Two-wavelengthin-linephase-shifting interferometrybasedonpolarizingseparationforaccuratesurfaceprofiling)) (APPLIED0PTICS，55(33) :6153-6161,2011)中提出的雙波長干涉儀采用偏振分光光路 設(shè)計(jì)，基于馬赫澤德干涉光路結(jié)構(gòu)，采用閉環(huán)控制的PZT實(shí)現(xiàn)在兩種波長下的精確移相， 分辨率為lnm，解決了不同波長下移相校準(zhǔn)誤差問題，但其對(duì)PZT的要求極高且價(jià)格昂 貴。田愛玲等人在其專利《一種大范圍高精度的面形檢測裝置及其檢測方法》（申請(qǐng)?zhí)?201310044110. 3)中描述了一種雙波長移相干涉測試裝置，采用可調(diào)諧范圍大于30nm的變 頻激光器分別在兩個(gè)中心波長處實(shí)現(xiàn)波長移相干涉，分別得到移相干涉圖，基于莫爾條紋 理論相乘疊加干涉圖，在頻域內(nèi)低通濾波得到包含合成波長相位的干涉光強(qiáng)圖，最后采用 移相算法提取合成波長相位。由于采用的是一個(gè)變頻激光器在兩個(gè)中心波長處分別實(shí)現(xiàn)波 長移相干涉，因此這種方法比較耗時(shí)。另外，該裝置需要對(duì)疊加的干涉光強(qiáng)圖進(jìn)行頻譜低通 濾波處理，濾波器的選擇會(huì)降低測試數(shù)據(jù)的精度，且處理過程復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種斐索型雙波長激光調(diào)諧移相干涉測試裝置及其方法，能 夠快速準(zhǔn)確提取合成波長相位的大范圍高精度的數(shù)字波面測試裝置，以擴(kuò)大單波長干涉測 試裝置的測量范圍和傳統(tǒng)雙波長移相干涉儀采用PZT移相時(shí)會(huì)引入不同波長下的移相誤 差問題。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種斐索型雙波長激光調(diào)諧移相干涉測試裝 置包括中心波長為X1的可調(diào)諧激光器、第一擴(kuò)束鏡、第一分光棱鏡、標(biāo)準(zhǔn)鏡、被測鏡、中心 波長為X1的可調(diào)諧激光器、第二擴(kuò)束鏡、第二分光棱鏡、第一分光鏡、第一成像透鏡、第一 CXD探測器、第二成像透鏡、第二CXD探測器、第三成像透鏡、第三CXD探測器和截止波長為 入3的二向色鏡，其中A1尹入2,min(X1，入，入2);依次設(shè)置中心波長為入1 的可調(diào)諧激光器、第一擴(kuò)束鏡和第一分光棱鏡，它們所在的光軸為第一光軸；依次設(shè)置第二 分光棱鏡、第一分光鏡、截止波長為X3的二向色鏡、第三成像透鏡和第三(XD探測器，它們 所在的光軸為第二光軸；依次設(shè)置中心波長為X2的可調(diào)諧激光器、第二擴(kuò)束鏡、第二分光 棱鏡、第一分光棱鏡、標(biāo)準(zhǔn)鏡和被測鏡，它們所在的光軸為第三光軸；依次設(shè)置第一分光鏡、 第一成像透鏡和第一CXD探測器，它們所在的光軸為第四光軸；依次設(shè)置截止波長為入3 的二向色鏡、第二成像透鏡和第二CCD探測器，它們所在的光軸為第五光軸，第一光軸和第 二光軸分別與第三光軸垂直，第四光軸和第五光軸分別與第二光軸垂直，第一分光鏡與垂 直方向的第二光軸夾角為45°，截止波長為A的二向色鏡與垂直方向的第二光軸夾角為 135° ;由中心波長為八的可調(diào)諧激光器發(fā)出的波長為A:的激光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直 后變成準(zhǔn)直的大口徑平行光束，該平行光束經(jīng)第一分光棱鏡反射至標(biāo)準(zhǔn)鏡和被測鏡，形成 了波長為八的激光調(diào)諧移相干涉測試光路；由中心波長為A2的可調(diào)諧激光器發(fā)出的波長 為A2的激光經(jīng)第二擴(kuò)束鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直后變成準(zhǔn)直的大口徑平行光束，該平行光束經(jīng)第二分 光棱鏡和第一分光棱鏡入射至標(biāo)準(zhǔn)鏡和被測鏡，形成了波長為A2的激光調(diào)諧移相干涉測 試光路；入射至標(biāo)準(zhǔn)鏡和被測鏡的波長為^和A2的光波經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)鏡和被測鏡后反射，透過 第一分光棱鏡后被第二分光棱鏡反射至第一分光鏡，經(jīng)第一分光鏡后分為兩束，一束為第 一反射光，另一束為第一透射光，第一反射光最后經(jīng)第一成像透鏡被第一 (XD探測器所米 集形成了八和A2干涉光疊加后的莫爾條紋移相干涉圖采集光路，第一透射光透過第一分 光鏡后入射至截止波長為A3的二向色鏡，第一透射光經(jīng)截止波長為A3的二向色鏡后分為 兩束，一束波長為A2的第二反射光，另一束為波長為A1的第二透射光，第二反射光經(jīng)第二 成像透鏡最終被第二CCD探測器采集形成實(shí)現(xiàn)A2精確移相控制的信號(hào)采集光路，第二透 射光經(jīng)第三成像透鏡最終被第三CCD探測器采集形成實(shí)現(xiàn)Ai精確移相控制的信號(hào)采集光 路。
[0008] 上述的斐索型雙波長激光調(diào)諧移相干涉測試裝置，其特點(diǎn)在于當(dāng)A1 <A3 <入2， 二向色鏡為低通二向色鏡，即小于截止波長A3的A:光波可以透過二向色鏡而大于截止波 長入3的入 2光波會(huì)被二向色鏡反射。當(dāng)入2 <入3 <A1，二向色鏡為高通二向色鏡，即大 于截止波長A3的Ai光波可以透過二向色鏡而小于截止波長A3的Ai光波會(huì)被二向色鏡 反射。斐索型雙波長激光調(diào)諧移相干涉測試裝置采用中心波長為A1的可調(diào)諧激光器和入2 的可調(diào)諧激光器按照Ai和A2分別為/2和-/2的相移步進(jìn)量進(jìn)行波長移相，同步對(duì) 被測鏡進(jìn)行波長移相干涉檢測，采用第一CCD探測器采集A:和A2干涉光疊加后