空间移相菲索球面干涉仪

摘要

一种空间移相菲索球面干涉仪，特点是在标准镜的入射面上镀有双折射薄膜，而且该标准镜的入射面为平面，出射面为球面，在第一分束器的反射光路上，设有第二分束器、第二准直透镜、达曼光栅、检偏器阵列、第二图像传感器和计算机，在所述的第二分束器的反射光方向设有第一图像传感器，以方便待测球面的调节，所述的计算机便于图像数据处理，本发明在可以实现对球面被测元件的面形测量。该空间移相菲索球面干涉仪可以获得具有一定移相量的多幅移相干涉图像。该空间移相菲索球面干涉仪采用圆偏振参考光和测量光，减小准直透镜和标准镜的残余双折射的影响。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是一种空间移相菲索球面干涉仪。

背景技术

菲索干涉仪将参考臂包含在测量臂中，实现了测量光与参考光的共光路干涉而具有很高的测量精度，在光学测量中应用广泛。菲索干涉仪与空间移相器结合形成的空间移相菲索干涉仪可以实现抗振动测量，降低了对测量环境的要求，还可以进行波面的实时测量。

在先技术[1](参见Sanjib Chatterjeea，Y.Pawan Kumara，et al..Measurement of surface figure of plane optical surfaces with polarizationphase-shifting Fizeau interferometer.Optics & Laser Technology，39，268-274，2007)描述了一种空间移相菲索干涉仪。由光源产生的线偏振光经过滤波、扩束、准直后变成平行光束，它在标准镜输出端的参考面上形成两束光，一束光由于参考面的反射形成线偏振参考光，另一束透过参考面形成测量光。在标准镜与被测元件之间放置一块四分之一波片，则测量光经过被测面反射前后两次经过四分之一波片使其偏振方向旋转90°，即线偏振测量光的偏振方向与参考光的偏振方向垂直。两束偏振方向相互垂直的测量光与参考光经过准直后依次通过另一块四分之一波片、分光器、检偏器阵列和图像传感器可以同时形成具有一定移相量的多幅移相干涉图像。

在先技术[2](参见曾爱军，郭小娴，江晓军等，同步移相菲索干涉仪.专利号：CN 200820151412.5)描述了一种空间移相菲索干涉仪。该干涉仪在标准镜的出射面上镀制双折射薄膜代替先技术[1]中标准镜与被测元件之间的四分之一波片来改变测量光的偏振方向。标准镜与双折射薄膜的共同界面为参考面，利用它的反射和透射形成偏振方向相互垂直的线偏振测量光与线偏振参考光。参考光与测量光进入包含有四分之一波片的同步移相器后产生具有一定移相量的多幅移相干涉图像。

上述两种技术在标准镜与被测元件之间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，故只能实现面形为平面的被测元件的测量，即上述两种空间移相菲索干涉仪只能是菲索平面干涉仪。参考光和测量光均为线偏振光，其面测量误差与残余双折射成线性关系，故测量精度受分光镜、准直镜和标准镜的残余双折射的影响大。在移相器中必须使用四分之一波片，它的延迟量误差和快轴方位角误差都会降低测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种空间移相菲索球面干涉仪。该空间移相菲索球面干涉仪可以获得具有一定移相量的多幅移相干涉图像。该空间移相菲索球面干涉仪在标准镜的入射面上镀有双折射薄膜，标准镜的出射面为球面，可以实现球面被测元件的面形测量。该空间移相菲索球面干涉仪采用圆偏振参考光和测量光，减小准直透镜和标准镜的残余双折射的影响。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的测量精度。

本发明的技术解决方案：

一种空间移相菲索球面干涉仪，特点在于其由准直光源、圆起偏器、聚焦透镜、光阑、第一分束器、第一准直透镜、双折射薄膜型球面标准镜、第二分束器、第一图像传感器、第二准直透镜、达曼光栅、检偏器阵列、第二图像传感器和计算机组成，其位置关系是：沿所述的准直光源的光束前进方向，依次是所述的圆起偏器、聚焦透镜、光阑、第一分束器、第一准直透镜、双折射薄膜型球面标准镜，所述的光阑位于所述的聚焦透镜的后焦点和所述的第一准直透镜的前焦点。在所述的第一分束器垂直于上述光束的前进方向上放置第二分束器，第二分束器将光束分为两路，其中一路光被第一图像传感器接收，另外一路光经过第二准直透镜、达曼光栅、检偏器阵列、第二图像传感器与计算机。当待测球面位于所述的双折射薄膜型球面标准镜的出射方向上。待测球面的球心与双折射薄膜型球面标准镜的焦点重合。

所述的双折射薄膜型球面标准镜由双折射薄膜和球面标准镜组成，球面标准镜的入射面为平面，出射面为球面。双折射薄膜镀在球面标准镜的入射面上，其相位延迟量为90°。

所述的达曼光栅是二维消零级达曼光栅，它利用衍射效应将一束入射光形成四个光强相等的子光束。

所述的检偏器阵列由四个检偏器在同一个平面内组合形成，四个检偏器的透光轴方向分别为0°、45°、90°和135°。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、本发明空间移相菲索球面干涉仪，特点是在标准镜的入射面上镀有双折射薄膜，而且该标准镜的入射面为平面，出射面为球面，在第一分束器的反射光路上，设有第二分束器、第二准直透镜、达曼光栅、检偏器阵列、第二图像传感器和计算机，在所述的第二分束器的反射光方向设有第一图像传感器，以方便待测球面的调节，所述的计算机便于图像数据处理，本发明在可以实现对球面被测元件的面形测量。该空间移相菲索球面干涉仪可以获得具有一定移相量的多幅移相干涉图像。该空间移相菲索球面干涉仪采用圆偏振参考光和测量光，减小准直透镜和标准镜的残余双折射的影响。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的测量精度。

2、测量光与参考光为圆偏振光，其面形测量误差与残余双折射成平方关系。由于分光镜、准直镜和标准镜的残余双折射比较小，故面形测量误差显著小于线偏振测量光与线偏振参考光的测量误差。

3、移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的测量精度。

附图说明

图1为本发明空间移相菲索球面干涉仪的结构框图。

图2为本发明实施例中双折射薄膜型球面标准镜的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明空间移相菲索球面干涉仪的结构图。由图1可见，本发明所述的空间移相菲索球面干涉仪，由准直光源1、圆起偏器2、聚焦透镜3、光阑4、第一分束器5、第一准直透镜6、双折射薄膜型球面标准镜7、第二分束器8、第一图像传感器9、第二准直透镜10、达曼光栅11、检偏器阵列12、第二图像传感器13与计算机14组成。其位置关系是：沿所述的准直光源1的光束前进方向，依次是所述的圆起偏器2、聚焦透镜3、光阑4、第一分束器5、第一准直透镜6、双折射薄膜型球面标准镜7。所述的光阑4位于所述的聚焦透镜3的后焦点和所述的第一准直透镜6的前焦点。在所述的第一分束器5垂直于上述光束的前进方向放置第二分束器8，第二分束器8将光束分为两路，其中一路光被第一图像传感器9接收，另外一路光经过第二准直透镜10、达曼光栅11、检偏器阵列12、第二图像传感器13与计算机14。待测球面15位于所述的准直光束经过所述的双折射薄膜型球面标准镜7的出射方向上，待测球面15的球心与双折射薄膜型球面标准镜7的焦点重合。

本实施例中

所述的双折射薄膜型球面标准镜7的结构如图2所示，由双折射薄膜701和球面标准镜702组成，球面标准镜702的入射面为平面，出射面为球面。双折射薄膜701镀制在球面标准镜702的入射面上，其相位延迟量为90°。

所述的达曼光栅11是二维消零级达曼光栅，它利用衍射效应将一束入射光形成四个光强相等的子光束。

所述的检偏器阵列12由四个检偏器在同一个平面内组合形成，四个检偏器的透光轴方向分别为0°、45°、90°和135°。

本发明的测量过程如下：

准直光源1输出的光束经过圆起偏器2变成圆偏振光，圆偏振光由聚焦透镜3聚焦在光阑4上进行滤波，滤波后的光束通过第一分束器5、第一准直透镜6后扩束成平行光束。该平行光束通过双折射薄膜型球面标准镜7时，在双折射薄膜701的前表面上产生两束光，一束光由双折射薄膜701的前表面反射形成参考光，另一束光透过双折射薄膜701和球面标准镜702形成测量光。测量光由被测面反射后两次经过双折射薄膜701，该圆偏振光的旋向产生反转，测量光与参考光的偏振方向相互垂直。若参考光为右旋圆偏振光，则测量光为左旋圆偏振光。若参考光为左旋圆偏振光，则测量光为右旋圆偏振光。测量光与参考光由第一分束器5反射后进入第二分束器8分成两路，其中一路光入射到第一图像传感器9。

调整待测球面15的位置，使测量光的光斑和参考光的光斑在第一图像传感器9上重合，重合时，则待测球面15的球心与所述的双折射薄膜型球面标准镜7的焦点重合。

此时另一路光经过第二准直透镜10成为平行光束，该光束进入达曼光栅11后产生四个强度相等的子光束。该四个子光束经过检偏器阵列12后由第二图像传感器13接收，形成具有一定移相量的四幅移相干涉图像，并传输到计算机14中进行图像处理，得到待测球面的面形分布。其图像处理算法请参见在先技术[2](JamesMillerd，Neal Brock，John Hayes，et al..Pixelated Phase-Mask DynamicInterferometer.Proceedings of SPIE Vol.5531，2048-314，2004)。

本发明的最佳实施例的光路结构如图1所示，其具体结构和参数叙述如下：

所述的准直光源1为He-Ne激光器，所述的圆起偏器2为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10^-3的圆起偏器，所述的聚焦透镜3的焦距为15mm，所述的光阑4的直径为10μm，所述的第一分束器5和第二分束器8均为消偏振分光棱镜，所述的第一准直透镜6的焦距为300mm，所述的折射薄膜型球面标准镜7的结构如图2所示，双折射薄膜701为相位延迟量等于90°的TiO₂双折射薄膜，所述的第二准直透镜10的焦距为20mm，所述的达曼光栅11的栅线宽度为20μm、所述的检偏器阵列12中的四个检偏器为消光比优于10^-2的偏振片，所述的第一图像传感器9和第二图像传感器13均为CCD图像传感器。

将最佳实施例所述的空间移相菲索球面干涉仪对待测球面15进行面形测量，单次采集可以同时获得移相量分别为0°、90°、180°、270°的四幅移相干涉图像，进而得到待测球面的面形分布。