偏振条纹扫描数字干涉仪

摘要

偏振条纹扫描数字干涉仪是用于光学检验的仪器，它利用起偏器、偏振小孔、四分之一波片组成的位相偏振编码器将被测的位相分布φ(X、Y)编码为不同偏振角分布φ(X、Y)/2，通过旋转检编器进行条纹扫描，其干涉图由电视摄像机接收，送入微机进行数据处理。发明还提供了利用该仪器测量透镜，球面和平面等光学元件的实用光路。该发明的特点是结构简单，操作方便，在一般环境条件下工作，可获得高精密的测量。

说明书

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本发明属于干涉仪，主要用于各种光学元件的光学检验。

条纹扫描数字干涉仪是1974年首先由美国贝尔电话公司的J.H.Bruning等人提出的（Appl.Opt.1974，Vol，13，No.11，2693），以后相继被TROPEL.ZYGO公司发展为商品（M.Sohaham    SPIE，1981，Vol，306    183;VS4201473-A），现在条纹扫描数字干涉仪已成为高精度波面测量最有效的手段。

目前条纹扫描数字干涉仪，例如ZYGO干涉仪由光源、条纹扫描干涉装置，光电检测及数据处理系统组成。其中条纹扫描都是采用压电晶体改变一干涉臂的光程来实现，然而这种方法有下列缺点：

1.精密控制压电晶体不易做到;

2.必须采用双臂干涉方法，它对气流和震动极为敏感，使得系统对工作环境条件要求严格;

3.要求高精度参考面，其他光学元件要求也较高;

4.必须使用稳频激光器作光源;

5.干涉条纹不稳定，很难观察象差的零级干涉条纹;

6.系统结构复杂。

为了克服上述缺点，发明人曾于1984年8月在日本第13届国际光学会议上提出了一种新型的条纹扫描原理-偏振条纹扫描，并在中国光学学报上发表了“偏振条纹扫描干涉仪”一文（光学学报，1986，Vol.5，No.2），对偏振条纹扫描原理作了进一步阐述。

本发明的目的是基于发明人提出的原理，提供一种偏振条纹扫描数字干涉仪的实用仪器，并提供利用该仪器测量透镜，球面和平面等光学元件的实用光路和方法。

本发明的技术解决方案是：将波面测量归结为星点测量，并利用本发明的位相偏振编码器将被测的位相分布φ（X，Y）编码为不同偏振角的分布 (φ（X、y）)/2 ，再通过旋转检偏器来实现条纹扫描，其干涉图由电视摄象机接收，送入微机进行数据处理。

在（0，π）的检偏角区间内，取N个位置，测得N幅干涉条纹光强分布I（X、Y，K），利用数字同步检测原理可算得各点的相对位相φ（X，Y），即为测得的波面分布。

φ（X、Y）＝tg^-1(A)/(B)

本发明的位相偏振编码器（如图二）是由起偏器（12）、偏振板（13）上的偏振小孔（14）和四分之一波片（15）构成的，其相对位置如图三所示，Ep为起偏器（12）的偏振轴方向，E₁和E₁₁分别是偏振板（13）的偏振膜的透射方向和消光方向，Ef和Es分别是四分之一波片的快轴和慢轴，Ef与E₁₁，Es与E₁均成45°角。当被测波面会聚的星点通过起偏器落在偏振小孔（14）上时，这小孔（可视为标准点源）产生参考波面，其偏振方向为E_⊥，由于入射偏振Ep仍有E₁₁分量，故被测波面仍有透射分量，其偏振方向为E₁₁，通过调整起偏器（12）改变Ep与E_⊥的夹角α可使参考波面和被测波面的振幅相等，当它们通过四分之一波片（15）被分别转化为左旋偏振和右旋偏振，而它们的合成仍为线偏振，但偏振角为其两者位相差的一半，即φ（x、y）/2，因而实现了位相的偏振编码。

这一位相偏振编码器可用于任何波面，只要使该波面会聚成星点并落在偏振小孔（14）上即可。

本发明的偏振条纹扫描干涉仪与现有的条纹扫描干涉仪相比，具有下列优点：

1.由于扫描方式采用转动检偏器，旋转180°对应于1个波长，因此极易高精度控制，使位相测量灵敏度很高。

2.由于是共光路干涉，对气流和震动不敏感，所以在普通环境条件下即可工作。

3.系统对光学元件要求不高，特别是测透镜时将不要求任何高精度参考面，只要一标准微孔即可。

4.激光源不必使用稳频激光器。

5.干涉条纹极为稳定，很容易调整在零级干涉，测量象差和面形很直观。

6.结构简单，光学元件少。

7.该技术把所有波面测量归结为星点测量，而这种星点测量可以得到高精度定量结果，从而使传统的定性星点测量定量化。

附图说明：

图一是测量透镜、显微物镜的实用系统光路图。

图二是位相偏振编码器的结构示意图。

图三是位相偏振编码器各元件方向安排图。

图四是测量球面的实用系统光路图。

图五是测量平面的部分光路图。

下面结合附图进一步详细说明本发明及实施例。

图二中（12）是起偏器，（13）是偏振膜板，（14）是偏振膜板上的一微孔，即偏振小孔，（15）是四分之一波片，他们的安排方向如图三所示。起偏器（12）可调，以改变起偏器偏振轴方向Ep与偏振小孔透射方向E_⊥的夹角α，使干涉条纹对比度达到最大。起偏器（12）应尽量靠近偏振小孔，其理由是：使仪器不受被测元件（特别是对显微镜的测量）的消偏振效应影响;偏振片的使用面积极小，可避免对偏振片高质量面形要求;由于入射在偏振小孔上的光束孔径角很小，它也不致引入额外球差等。

波片（15）采用任何四分之一波片都行，但最好使用费涅尔相板作为四分之一波片。因为普通波片不易高精度加工，普通石英波片由于有胶合，怕热，不能镀高质量增透膜，而费涅尔相板容易实现高精度相移，其端面可以镀高质量增透膜，而且与波长无关，可以适用任意波长。

图一是测量透镜、显微物镜的实用系统的光路图。图中虚线框内是本发明偏振条纹扫描数字干涉仪最主要的部分-偏振条纹扫描检测系统（11），含有上述的位相偏振编码器（5），旋转检偏器（7），电视摄象机（9），微机（10）和微机控制的同步控制机构（8）。最好在位相偏振编码器和旋转检偏器之间加入成象透镜（6）以使干涉条纹清晰地成象在电视摄象机物面上。

在测量透镜或显微物镜中，偏振条纹扫描数字干涉仪的工作情况如下：

激光器（1）发出的激光束被聚光镜（2）聚焦在针孔（3）上，针孔处在被测透镜（4）的物面上，并作标准点光源，其象点落在位相偏振编码器（5）的偏振小孔（14）上（见图二），从而被测波面被偏振编码，通过成象透镜（6）和旋转检偏器（7），产生条纹扫描，干涉图落在电视摄象机（9）的物面上。干涉图被电视摄象机（9）接收，送入微机（10）进行数据处理，在测量过程中微机（10）按程序控制同步控制机构（8）（例如步进马达及齿轮机构组成），驱动旋转检偏器（7）同步旋转以实现同步偏振条纹扫描和同步检测。

图四是测量球面的实用系统的光路图。图中激光器（1）发出的光耦合入单模光纤（16）并引导到显微物镜（18）的一近轴象点（17）上形成点光源，被测球面（19）的球心处于显微物镜（18）的物面轴上，激光由被测球面（19）反射后经显微物镜（18）成象在与点源（17）对称的象面位置，形成星点（20）并落在偏振条纹扫描检测系统（11）的位相偏振编码器（5）的偏振小孔（14）上，利用所说的偏振条纹扫描检测系统（11）即可测量该球面。

实际上，在上述测量球面的实用系统光路中，激光器（1）发出的光只要引导到显微物镜（18）的一近轴象点（17）上形成点光源即可对球面进行测量，而与引导的方式无关，但是采用单模光纤（16）导光，并以其端面作为标准点源，可使激光器与干涉仪的连接更为灵活。

在此测量中，点源（17）和象点（20）必须足够近，例如5毫米，使得它们在显微物镜物方的共轭点离轴足够近，从而不使被测球面引入额外的慧差。

图五是测量平面的部分光路图。即在测量球面的实用系统光路中，将图五中的准直镜（21）代替图四的球面（19）即可测量平面（22）。