斐索式双波长干涉测试装置及其合成波长相位提取方法与流程

本发明属于光学测量技术领域，特别是一种斐索式双波长干涉测试装置及其合成波长相位提取方法。

背景技术：

光学干涉测试技术因具有高精度、快速、非接触式无损测量等优点，从而在光学元件面形、光学系统性能以及光学材料特性等检测应用方面中具有无可比拟的优越性，而光机、电子、计算机等技术的发展则进一步提高了光学干涉测试的精度和自动化程度。然而，传统的单波长移相干涉测试因测量范围受工作波长的限制，制约了其在大深度或大梯度的面形检测方面的应用。为解决单波长测试时的2π相位模糊问题，双波长干涉测试技术得以提出。双波长干涉检测是用两种或两种以上波长的光源进行检测，通过利用双波长相位恢复算法比较两者的相位差得到波长较长的合成波长相位,其合成波长远大于检测波长。

双波长移相干涉测试装置得到了不断的发展和改进，按移相方式主要有PZT移相、波长移相、光栅移相等，其中PZT移相的双波长干涉仪较为普遍和成熟。PZT移相方式的双波长干涉仪存在着不同波长下的移相误差问题，为此2006年哈里哈兰(Hariharan)在《Two-wavelength interferometric profilometry with a phase-step error-compensating algorithm》(Optical Engineering，45(11):115602-1～3，2006)提出了基于高阶移相的合成波长相位提取算法，通过采用高阶移相误差补偿算法来减小移相误差对于测量精度的影响，但仅在一定程度上补偿了不同波长下的PZT标定误差，并不能较好地抑制不同波长的移相误差。此外，双波长移相干涉测试装置按两种波长的工作状态分为双波长同步和异步干涉测试方式。双波长异步干涉测试需要两种波长依次分别工作，不能实现快速测量。双波长同步干涉测试通过处理两种波长干涉图叠加后的莫尔条纹求解合成波长相位，但其因直接得到合成波长相位因而精度不高。2015年张望平在《Principal component analysis based simultaneous dual-wavelength phase-shifting interferometry》(Optics Communications，341:276-283，2015)提出采用主成分分析的方法从莫尔条纹中分别提取出单波长相位，但其需要对不同波长下的光强进行调制，且需要移相步进量在一个周期内均匀分布。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种斐索式双波长干涉测试装置及其合成波长相位提取方法，解决不同波长下的移相误差的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种斐索式双波长干涉测试装置，包括工作波长为λ₁的第一激光器、工作波长为λ₂的第二激光器、反射镜、第一分光镜、扩束镜、第二分光镜、准直物镜组、参考平面镜、PZT移相器、待测平面镜、小孔光阑、二向色镜、第一成像透镜组、第一CCD探测器、第二成像透镜组和第二CCD探测器，其中λ₁<λ₂；共光轴依次设置工作波长为λ₁的第一激光器和反射镜，上述部件所处的光轴为第一光轴；共光轴依次设置工作波长为λ₂的第二激光器、第一分光镜、扩束镜、第二分光镜、准直物镜组、参考平面镜和待测平面镜，上述部件所处的光轴为第二光轴，第二光轴与第一光轴平行；反射镜和第一分光镜共光轴，且所述光轴分别垂直于第一光轴和第二光轴；共光轴依次设置第二分光镜、小孔光阑、截止波长为λ₃的二向色镜、第二成像透镜组和第二CCD探测器，上述部件所处的光轴为第三光轴，第三光轴与第二光轴垂直；共光轴依次设置二向色镜、第一成像透镜组、第一CCD探测器；参考平面镜设置在PZT移相器上，上述部件所处的光轴为第四光轴，第四光轴与第三光轴垂直；所有光学元件相对于基底同轴等高；第一激光器和第二激光器同时发射激光，由工作波长为λ₁的第一激光器发出的波长为λ₁的激光经反射镜，反射至第一分光镜，经第一分光镜反射至扩束镜，经扩束镜扩束后变成发散光束，透过第二分光镜后经准直物镜组后变成准直的大口径平行光束，该平行光束依次入射至参考平面镜和待测平面镜，形成了波长为λ₁的干涉测试光路；由工作波长为λ₂的激光器发出的波长为λ₂的激光透过第一分光镜入射至扩束镜，经扩束镜扩束后变成发散光束，透过第二分光镜后经准直物镜组后变成准直的大口径平行光束，该平行光束依次入射至参考平面镜和待测平面镜，形成了波长为λ₂的干涉测试光路；入射至参考平面镜和待测平面镜的光波在参考平面镜后表面和待测平面镜前表面之间反射，获得参考平面镜后表面和待测平面镜面型信息，携带参考平面镜后表面和待测平面镜面型信息的波长分别为λ₁和λ₂的光波经参考平面镜，透过准直物镜组后被第二分光镜反射聚焦至小孔光阑，通过小孔光阑后入射至二向色镜，经二向色镜后分为两束，一束波长为λ₁的反射光，另一束为波长为λ₂的透射光，波长为λ₁的反射光经第一成像透镜组后，被第一CCD探测器，采集获得波长λ₁对应的干涉图像；波长为λ₂的透射光经第二成像透镜组后，被 第二CCD探测器采集，获得波长λ₂对应的干涉图像。

所述第二分光镜与第三光轴逆时针夹角为135°±1°；二向色镜与第三光轴逆时针夹角为45°±1°。

一种基于斐索式双波长干涉测试装置的合成波长相位提取方法，步骤如下：

步骤一：搭建斐索式双波长干涉测试装置：

步骤二：采用上述斐索式双波长干涉测试装置测试待测平面镜时，控制PZT移相器，按照λ₁的π/2为相移步进量进行移相，同步实现对待测平面镜的双波长干涉检测；

步骤二：根据采集到的波长为λ₁的移相干涉图，求解λ₁的压包相位根据采集到的波长为λ₂的移相干涉图，求解λ₂的压包相位所述λ₂的压包相位含有移相误差；

步骤三：根据双波长测试原理，对两种波长下的压包相位差分，可以得到其包含移相误差的合成波长相位为且合成波长的相位恢复误差即为λ₂相位的相位恢复误差

步骤四：对包含移相误差的合成波长相位进行相位解包，得到其解包相位其包含的相位恢复误差仍为

步骤五：根据参考平面镜与待测平面镜在不同波长下光程差的一致性，即合成波长与单波长光程差数据重合的特点，利用包含移相误差的合成波长相位的解包相位结合不含相移误差的波长λ₁压包相位进行解包，得到校正后的相位值Φ_correct：

其中round为取整操作。

步骤一中，PZT移相器按照λ₂的π/2为相移步进量进行移相，其后的步骤中做相应的替换。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)与传统双波长干涉装置相比仅需要扩束准直光路进行两种波长的消色差设计，成像光路部分仅需要进行单波长设计；(2)针对传统双波长移相干涉测试装置采用PZT移相而引起的不同波长下移相误差的问题，采用合成波长结合单波长相位处理的方式，抑制了不同波长下 移相误差对合成波长相位的影响；(3)针对不同波长下的振动、多光束干涉等误差，只需采用相应算法确保其中某一波长下的测试精度，同样可以提高合成波长相位精度；(4)由于仅需控制单个波长下的测试精度，因此合成波长相位数据的提取过程快速简单。

附图说明

图1是斐索式双波长干涉测试装置示意图。

图2是基于斐索式双波长干涉测试装置的合成波长相位提取方法流程图。

图3是本发明实施例1中采用所发明的方法求解得到合成波长相位。

图4是本发明实施例2中采用所发明的方法求解得到合成波长相位。

图5是本发明实施例中采用传统方法求解得到合成波长相位。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种斐索式双波长干涉测试装置，包括工作波长为λ₁的第一激光器1、工作波长为λ₂的第二激光器2、反射镜3、第一分光镜4、扩束镜5、第二分光镜6、准直物镜组7、参考平面镜8、PZT移相器9、待测平面镜10、小孔光阑11、二向色镜12、第一成像透镜组13、第一CCD探测器14、第二成像透镜组15和第二CCD探测器16，其中λ₁<λ₂；共光轴依次设置工作波长为λ₁的第一激光器1和反射镜3，上述部件所处的光轴为第一光轴；共光轴依次设置工作波长为λ₂的第二激光器2、第一分光镜4、扩束镜5、第二分光镜6、准直物镜组7、参考平面镜8和待测平面镜10，上述部件所处的光轴为第二光轴，第二光轴与第一光轴平行；反射镜3和第一分光镜4共光轴，且所述光轴分别垂直于第一光轴和第二光轴；共光轴依次设置第二分光镜6、小孔光阑11、截止波长为λ₃的二向色镜12、第二成像透镜组15和第二CCD探测器16，上述部件所处的光轴为第三光轴，第三光轴与第二光轴垂直；共光轴依次设置二向色镜12、第一成像透镜组13、第一CCD探测器14；参考平面镜8设置在PZT移相器9上，上述部件所处的光轴为第四光轴，第四光轴与第三光轴垂直；所有光学元件相对于基底同轴等高；第一激光器1和第二激光器2同时发射激光，由工作波长为λ₁的第一激光器1发出的波长为λ₁的激光经反射镜3，反射至第一分光镜4，经第一分光镜4反射至扩束镜5，经扩束镜5扩束后变成发散光束，透过第二分光镜6后经准直物镜组7后变成准直的大口径平行光束，该平行光束依次入射至 参考平面镜8和待测平面镜10，形成了波长为λ₁的干涉测试光路；由工作波长为λ₂的激光器2发出的波长为λ₂的激光透过第一分光镜4入射至扩束镜5，经扩束镜5扩束后变成发散光束，透过第二分光镜6后经准直物镜组7后变成准直的大口径平行光束，该平行光束依次入射至参考平面镜8和待测平面镜10，形成了波长为λ₂的干涉测试光路；入射至参考平面镜8和待测平面镜10的光波在参考平面镜8后表面和待测平面镜10前表面之间反射，获得参考平面镜8后表面和待测平面镜10面型信息，携带参考平面镜8后表面和待测平面镜10面型信息的波长分别为λ₁和λ₂的光波经参考平面镜8，透过准直物镜组7后被第二分光镜6反射聚焦至小孔光阑11，通过小孔光阑11后入射至二向色镜12，经二向色镜12后分为两束，一束波长为λ₁的反射光，另一束为波长为λ₂的透射光，波长为λ₁的反射光经第一成像透镜组13后，被第一CCD探测器14，采集获得波长λ₁对应的干涉图像；波长为λ₂的透射光经第二成像透镜组15后，被第二CCD探测器16采集，获得波长λ₂对应的干涉图像。其中，第二分光镜6与第三光轴逆时针夹角为135°±1°；二向色镜12与第三光轴逆时针夹角为45°±1°。

结合图2，一种基于斐索式双波长干涉测试装置的合成波长相位提取方法，步骤如下：

步骤一：搭建斐索式双波长干涉测试装置：

步骤二：采用上述斐索式双波长干涉测试装置测试待测平面镜10时，控制PZT移相器9，按照λ₁的π/2为相移步进量进行移相，同步实现对待测平面镜10的双波长干涉检测；由于装置按照λ₁的π/2相移步进量进行移相，因此λ₂的移相干涉图序列包含有移相误差，且由于波长的差异性，一阶线性移相误差要大于高阶移相误差，即移相误差可近似为其中ε₁为线性误差系数，

步骤二：根据采集到的波长为λ₁的移相干涉图，求解λ₁的压包相位根据采集到的波长为λ₂的移相干涉图，求解λ₂的压包相位所述λ₂的压包相位含有移相误差，根据移相误差对相位恢复的影响一般表现为待测相位的两倍周期正弦函数形式，则波长λ₂的相位恢复误差为：

其中，为波长λ₂相位的相位恢复误差，为波长λ₂的理论相位。

步骤三：根据双波长测试原理，对两种波长下的压包相位差分，可以得到其包含移相误差的合成波长相位为根据上式，波长λ₂相位的相位恢复误差可以展开合成波长相位为理论合成波长相位与λ₂相位的相位恢复误差之和。

因此合成波长的相位恢复误差即为λ₂相位的相位恢复误差

步骤四：对包含移相误差的合成波长相位进行相位解包，得到其解包相位其包含的相位恢复误差仍为

步骤五：根据参考平面镜8与待测平面镜10在不同波长下光程差的一致性，即合成波长与单波长光程差数据重合的特点，利用包含移相误差的合成波长相位的解包相位结合不含相移误差的波长λ₁压包相位进行解包，得到校正后的相位值Φ_correct：

其中round为取整操作。上式中的包含相位恢复误差的合成波长相位值进行展开后可以得到：

上式中为理论上正确的合成波长相位，因此对进行取 整操作时其结果为整数。而将波长λ₂的相位恢复误差代入上式中相位恢复误差部分，并取整后得到：

展开上式中的移相误差线性系数ε₁和合成波长λ_s可以得到：

上式中明显＜1，即波长λ₂的相位恢复误差不会改变合成波长相位数据整数部分，可以有效地消除移相误差。

所述步骤一中，PZT移相器按照λ₂的π/2为相移步进量进行移相，其后的步骤中做相应的替换。

实施例1：

一种斐索式双波长干涉测试装置，采用工作波长为λ₁＝632.8nm的氦氖激光器和工作波长为λ₂＝532nm的半导体激光器作为光源，合成波长可以达到3.339μm；装置中的二向色镜口径25.4mm，在350-585nm波段反射率大于98％，在600-850nm波段透过率大于90％，因此透过λ₁＝632.8nm的红光同时反射λ₂＝532nm的绿光，CCD均采用JAI公司的数字CCD，像素大小1392*1020，工作波段覆盖近红外可见光波段。利用斐索式双波长干涉测试装置测试时，其合成波长相位提取方法步骤为：

步骤一：采用所搭建斐索式双波长干涉测试装置测试待测平面镜时，控制干涉测试装置中的PZT移相器电压输出，实现按照632.8nm波长下的π/2为相移步进量进行移相，利用CCD探测器分别采集得到一组632.8nm和532nm下的移相干涉图；

步骤二：根据采集得到的一组632.8nm的移相干涉图求解得到632.8nm波长下的压包相位根据一组包含移相误差的532nm移相干涉图，求解532nm 波长下的压包相位波长532nm的相位恢复误差为

步骤三：根据双波长测试原理，对两种波长下的压包相位差分，可以得到其包含移相误差的合成波长压包相位

步骤四：对包含移相误差的合成波长相位进行相位解包操作得到其解包相位其包含的相位恢复误差仍为

步骤五：利用合成波长与单波长光程差数据重合的特点，利用包含相位恢复误差的合成波长相位值结合不含相移误差的632.8nm波长下压包相位值进行解包得到校正后的相位值如图3所示。

实施例2：

采用实施例1中的一种斐索式双波长干涉测试装置测试时，其合成波长相位提取方法步骤为：

步骤一：采用所搭建斐索式双波长干涉测试装置测试待测平面镜时，控制干涉测试装置中的PZT移相器电压输出，实现按照532nm波长下的π/2为相移步进量进行移相，利用CCD探测器分别采集得到一组632.8nm和532nm下的移相干涉图；

步骤二：根据采集得到的一组532nm的移相干涉图求解得到532nm波长下的压包相位根据一组包含移相误差的632.8nm移相干涉图，求解632.8nm波长下的压包相位波长632.8nm的相位恢复误差为

步骤三：根据双波长测试原理，对两种波长下的压包相位差分，可以得到其包含移相误差的合成波长压包相位

步骤四：对压包的合成波长相位进行相位解包操作得到其解包相位其包含的相位恢复误差仍为

步骤五：利用合成波长与单波长光程差数据重合的特点，利用包含相位恢复 误差的合成波长相位值结合不含相移误差的532nm波长下压包相位值进行解包得到校正后的相位值如图4所示。

图5为直接求解的到合成波长相位分布，对比图3、图4以及图5可以发现，实施例1和实施例2中合成波长相位类似，且均优于直接求解的合成波长相位。

本发明的基于斐索式双波长干涉测试装置的合成波长相位提取方法的优点在于：(1)与传统双波长干涉装置相比仅需要扩束准直光路进行两种波长的消色差设计，成像光路部分仅需要进行单波长设计；(2)针对传统双波长移相干涉测试装置采用PZT移相而引起的不同波长下移相误差的问题，采用合成波长结合单波长相位处理的方式，抑制了不同波长下移相误差对合成波长相位的影响；(3)针对不同波长下的振动、多光束干涉等误差，只需采用相应算法确保其中某一波长下的测试精度，同样可以提高合成波长相位精度；(4)由于仅需控制单个波长下的测试精度，因此合成波长相位数据的提取过程快速简单。