基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置的制作方法

本发明涉及光干涉测试领域，特别是一种基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置。

背景技术：

斐索型干涉仪是一种常用的等厚型干涉仪，具有参考光与测试光共光路的特点，可以用于平面、球面及非球面的面形测量，球面曲率半径的测量以及各种透镜、棱镜、光学系统的波面传输质量的测量。

移相干涉是一种精密光学干涉测量技术，采用精密的移相器件在参考光路中有序地引入特定移相值，改变参考光与测试光的相位差来实现相位调制，利用探测器(如CCD)采集数字化的干涉图，通过不同的波面求解算法准确计算出干涉图中所包含的波面信息，测量精度可达到 1/50 波长。移相方法可以分为时域移相和空域移相，空域移相干涉术通过空间移相组件将干涉图的采集方式从时域采集转换到空域采集，在同一时刻、空间的不同位置得到多幅移相干涉图，因此又称为同步移相干涉术。该技术一般基于偏振移相原理，将干涉仪的参考光与测试光分为多路，每一路通过偏振器件（偏振片或波片）引入不同移相量，因此能够“瞬时”采集到所需的移相干涉图，从根本上避免了振动这类时变误差因素对干涉测量的影响。同步移相干涉术是目前抗振效果最好的干涉测试技术，也代表了移相干涉仪的发展趋势。根据分光方式的不同，同步移相干涉术可以分为棱镜分光结构、衍射元件分光结构和微像素掩膜结构三类。

基于棱镜分光的同步移相方案有很多，该类方案在干涉系统中得到一对正交偏振光作为参考光和测试光后，使用各种偏振和非偏振的分光棱镜将其分为几路，在每一路的参考光与测试光之间引入不同的相位差，从而实现空间移相。中国专利101776488A公开了一种利用同步移相干涉方法测量光学相位的方法及实现光路，用于测量光学相位，其中也使用了多个BS进行分光。此方案使用了六个CCD对各幅移相干涉图进行分别采集，其优点是每一幅干涉图都具有很高的空间分辨率，缺点是由于各CCD的响应不完全相同，空间一致性较难控制，装置体积大、成本高，且由不同CCD带来系统误差很难控制。

Hagyong Kihm（Fiber-diffraction interferometer for vibration desensitization Opt. Lett. , 2005, 36: 2059-2061.Vol.31,No.16）等人构建了一种同步移相的光纤点衍射干涉仪，该方案同样使用多个BS和PBS的组合器件实现分光，该组合器件令4路相干光处于同一方向，使各幅移相干涉图都被同一个CCD的四个象限所接收。该方案采用了泰曼型的干涉结构，整个装置结构复杂，系统误差大且调试难度大，特别是参考光测试光分光之后的合束很难精确对准。Liang-chia Chen（3-D surface profilometry using simultaneous phase-shifting interferometry, Opt. Commu. 2010, 283: 3376–3382.）等人提出的另一种基于PBS与BS组合的方案。此方案采用了一块平行平板进行分光，由于光在参考臂内的多次反射，干涉图像的光强很难控制，光能的利用率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置，能够实现棱镜的分光移相，并且适用于斐索型的共光路结构，减小干涉仪的系统误差，同时能够实现同步移相，减小环扰动带来的影响。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置，其包括沿光路方向依次设置的干涉系统、棱镜分光移相系统和成像系统；其中，所述干涉系统包括共光轴依次设置的激光器、扩束准直系统、第三BS分光棱镜和第一四分之一波片，待测平面设置于第一四分之一波片的后方。

所述棱镜分光移相系统包括第一BS分光棱镜、第二BS分光棱镜、第一PBS偏振分光棱镜、第二PBS偏振分光棱镜、第三PBS偏振分光棱镜、第四PBS偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第一玻璃片、第二玻璃片、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、第四直角棱镜、第五直角棱镜和第六直角棱镜；共光轴设置第一BS分光棱镜和第二BS分光棱镜，第一BS分光棱镜和第二BS分光棱镜所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置第一直角棱镜、第一PBS偏振分光棱镜、第二四分之一波片和第二PBS偏振分光棱镜，所述光学元件所在的光轴为第二光轴；共光轴依次设置第二直角棱镜、第一玻璃片和第三直角棱镜，所述光学元件所在的光轴为第三光轴；共光轴依次设置第四直角棱镜、第三PBS偏振分光棱镜和第四PBS偏振分光棱镜，所述光学元件的光轴为第四光轴；共光轴依次设置第五直角棱镜和第六直角棱镜，第五直角棱镜和第六直角棱镜所在的光轴为第五光轴；依次平行设置第三光轴、第二光轴、第一光轴、第四光轴和第五光轴，第一直角棱镜设置在第二BS分光棱镜的反射光路上，第二直角棱镜设置在第一PBS偏振分光棱镜的反射光路上，第二PBS偏振分光棱镜设置在第三直角棱镜的反射光路上；第四直角棱镜设置在第一BS分光棱镜的反射光路上，第五直角棱镜位于第三PBS偏振分光棱镜的反射光路，且五直角棱镜和第三PBS偏振分光棱镜之间设有第二玻璃片；第四PBS偏振分光棱镜位于第六直角棱镜的反射光路，且第四PBS偏振分光棱镜和第六直角棱镜之间设有第三四分之一波片；第一BS分光棱镜设置在第三BS分光棱镜的反射光路上。

成像系统包括共光轴依次设置的缩束系统、偏振片、成像透镜和CCD探测器；。

上述所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。

进一步的，所述激光器发出激光束，进入扩束准直系统，经扩束准直系统准直扩束后入射至第三BS分光棱镜，经第三BS分光棱镜透射，进入第一四分之一波片，经第一四分之一波片分别反射和透射，经第一四分之一波片前表面反射的第一反射光射入第三BS分光棱镜；经第一四分之一波片透射的光入射至待测平面，获取待测平面面型信息，并反射至第一四分之一波片，经第一四分之一波片将其偏振方向旋转90°为第二反射光，并射入第三BS分光棱镜，第一反射光和第二反射光形成带有被测面信息的正交偏振光，带有待测面型信息的正交偏振光经第三BS分光棱镜反射至棱镜分光移相系统的第一BS分光镜，分成带有待测面型信息的第一正交偏振透射光和第一正交偏振反射光，第一正交偏振透射光进入第二BS分光镜，经第二BS分光镜分成第二正交偏振透射光和第二正交偏振反射光；第一正交偏振反射光经过直角棱镜反射进入第三PBS分光棱镜分光，其中P光透射至第四PBS偏振分光棱镜，S光反射至第二玻璃片，经第二玻璃片进入第五直角棱镜，经第五直角棱镜反射进入第六直角棱镜，经第六直角棱镜反射至第三四分之一波片，产生π/2的相位延迟，进入第四PBS偏振分光棱镜，经第四PBS偏振分光棱镜反射后与其中的透射P光汇合形成相位差为-π/2的正交偏振光，相位差为-π/2的正交偏振光进入成像系统的缩束系统；第二正交偏振透射光进入成像系统的缩束系统，第二正交偏振反射光反射至第一直角棱镜，经第一直角棱镜反射进入第一PBS分光棱镜，分为P光和S光，P光透射，S光反射，透射的P光经过第二四分之一波片产生π/2的相位延迟，并射入第二PBS偏振分光棱镜；反射的S光依次经第二直角棱镜反射至第一玻璃片，经第一玻璃片入射至第三直角棱镜，经第三直角棱镜反射至第二PBS偏振分光棱镜，经第二PBS偏振分光棱镜反射后与透射的P光汇合形成相位差为π/2的正交偏振光，相位差为π/2的正交偏振光进入成像系统的缩束系统；三束光经缩束系统后减小了口径，再经偏振片产生干涉，经成像透镜成像，在CCD探测器上获得三幅移相干涉图。

进一步的，所述第一四分之一波片的快轴方向与入射光偏振方向成45°；所述第二四分之一波片的快轴方向与入射光偏振方向相同；第三四分之一波片的快轴方向与入射光偏振方向相同。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

（1）本装置采用斐索型共光路结构，系统误差小，结构简单易于装调。

（2）可同时获得三幅移相干涉图，由单个CCD即可采集，抗振及抗干扰能力强。

（3）棱镜分光移相系统采用反射棱镜，光线在反射面发生全反射，没有光能损失。

附图说明

图1为本发明基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置结构示意图。

图2为本发明的棱镜分光移相系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

结合图1和图2，一种基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置：包括沿光路方向依次设置的干涉系统1、棱镜分光移相系统2和成像系统3；其中，所述干涉系统1包括共光轴依次设置的激光器4、扩束准直系统5、第三BS分光棱镜6和第一四分之一波片7，待测平面8设置于第一四分之一波片7的后方；扩束准直系统5由倒置的伽利略望远镜或者开普勒望远镜结构组成，其扩束倍率由系统的口径与激光束的口径共同决定。

所述棱镜分光移相系统2包括第一BS分光棱镜9、第二BS分光棱镜10、第一PBS偏振分光棱镜11、第二PBS偏振分光棱镜12、第三PBS偏振分光棱镜13、第四PBS偏振分光棱镜14、第二四分之一波片15、第三四分之一波片16、第一玻璃片17、第二玻璃片18、第一直角棱镜19、第二直角棱镜20、第三直角棱镜21、第四直角棱镜22、第五直角棱镜23和第六直角棱镜24；共光轴设置第一BS分光棱镜9和第二BS分光棱镜10，第一BS分光棱镜9和第二BS分光棱镜10所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置第一直角棱镜19、第一PBS偏振分光棱镜11、第二四分之一波片15和第二PBS偏振分光棱镜12，所述光学元件所在的光轴为第二光轴；共光轴依次设置第二直角棱镜20、第一玻璃片17和第三直角棱镜21，所述光学元件所在的光轴为第三光轴；共光轴依次设置第四直角棱镜22、第三PBS偏振分光棱镜13和第四PBS偏振分光棱镜14，所述光学元件的光轴为第四光轴；共光轴依次设置第五直角棱镜23和第六直角棱镜24，第五直角棱镜23和第六直角棱镜24所在的光轴为第五光轴；依次平行设置第三光轴、第二光轴、第一光轴、第四光轴和第五光轴，第一直角棱镜19设置在第二BS分光棱镜10的反射光路上，第二直角棱镜20设置在第一PBS偏振分光棱镜11的反射光路上，第二PBS偏振分光棱镜12设置在第三直角棱镜21的反射光路上；第四直角棱镜22设置在第一BS分光棱镜9的反射光路上，第五直角棱镜23位于第三PBS偏振分光棱镜13的反射光路，且五直角棱镜23和第三PBS偏振分光棱镜13之间设有第二玻璃片18；第四PBS偏振分光棱镜14位于第六直角棱镜24的反射光路，且第四PBS偏振分光棱镜14和第六直角棱镜24之间设有第三四分之一波片16；第一BS分光棱镜9设置在第三BS分光棱镜6的反射光路上；第一玻璃片17、第二玻璃片18、第二四分之一波片15和第三四分之一波片16的外形尺寸相同。

成像系统3包括共光轴依次设置的缩束系统25、偏振片26、成像透镜27和CCD探测器28。由于入射光为平行光，缩束系统25是开普勒望远镜的结构，该结构由共光轴的一片焦距相对较长正透镜与另一片焦距相对较短的正透镜组成，这二片透镜的焦点重合，通过调节二片正透镜的焦距之比可以得到不同的缩放倍率。由于需要达到缩束目的，棱镜分光移相系统2出来的三束光先入射到焦距相对较长正透镜上。

上述所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。

所述系统内光路走向为：激光器4发出激光束，进入扩束准直系统5，经扩束准直系统5准直扩束后入射至第三BS分光棱镜6，经第三BS分光棱镜6透射，进入第一四分之一波片7，经第一四分之一波片7分别反射和透射，经第一四分之一波片7前表面反射的第一反射光射入第三BS分光棱镜6；经第一四分之一波片7透射的光入射至待测平面8，获取待测平面8面型信息，并反射至第一四分之一波片7，经第一四分之一波片7将其偏振方向旋转90°为第二反射光，并射入第三BS分光棱镜6，第一反射光和第二反射光形成带有被测面信息的正交偏振光，带有待测面型信息的正交偏振光经第三BS分光棱镜6反射至棱镜分光移相系统2的第一BS分光镜9，分成带有待测面型信息的第一正交偏振透射光和第一正交偏振反射光，第一正交偏振透射光进入第二BS分光镜10，经第二BS分光镜10分成第二正交偏振透射光和第二正交偏振反射光；第二正交偏振透射光直接入射到成像系统3的缩束系统25中，由于没有经过移相器件，因此第二正交偏振透射光的附加相位差为0；第一正交偏振反射光经过直角棱镜22反射进入第三PBS分光棱镜13分光，其中P光透射至第四PBS偏振分光棱镜14，S光反射至第二玻璃片18，经第二玻璃片18进入第五直角棱镜23，经第五直角棱镜23反射进入第六直角棱镜24，经第六直角棱镜24反射至第三四分之一波片16，产生π/2的相位延迟，进入第四PBS偏振分光棱镜14，经第四PBS偏振分光棱镜14反射后与其中的透射P光汇合形成相位差为-π/2的正交偏振光，相位差为-π/2的正交偏振光进入成像系统3的缩束系统25；第二正交偏振透射光进入成像系统3的缩束系统25，第二正交偏振反射光反射至第一直角棱镜19，经第一直角棱镜19反射进入第一PBS分光棱镜11，分为P光和S光，P光透射，S光反射，透射的P光经过第二四分之一波片15产生π/2的相位延迟，并射入第二PBS偏振分光棱镜12；反射的S光依次经第二直角棱镜20反射至第一玻璃片17，经第一玻璃片17入射至第三直角棱镜21，经第三直角棱镜21反射至第二PBS偏振分光棱镜12，经第二PBS偏振分光棱镜12反射后与透射的P光汇合形成相位差为π/2的正交偏振光，相位差为π/2的正交偏振光进入成像系统3的缩束系统25；三束正交偏振光经缩束系统25后减小了口径，再经偏振片26产生干涉，经成像透镜27成像在CCD探测器28上，获得三幅移相量分别为π/2，0，-π/2的移相干涉图。

所述第一四分之一波片7的快轴方向与入射光偏振方向成45°；所述第二四分之一波片15的快轴方向与入射光偏振方向相同；第三四分之一波片16的快轴方向与入射光偏振方向相同。

实施例1

一种基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置，包括沿光路方向依次设置的干涉系统1、棱镜分光移相系统2和成像系统3。其中，所述干涉系统1包括共光轴依次设置的波长为632.8nm的线偏振光激光器4，光束直径为2.54mm；干涉系统的通光孔径为25.4mm，因此扩束准直系统5的放大倍率为10^X；第三BS分光棱镜6分光比为50%；第一四分之一波片7前表面作为参考面，面型为λ/10，后表面镀增透膜，透射率为99.9%，待测平面8设置于第一四分之一波片7的后方；所述棱镜分光移相系统2包括第一BS分光棱镜9、第二BS分光棱镜10、第一PBS偏振分光棱镜11、第二PBS偏振分光棱镜12、第三PBS偏振分光棱镜13、第四PBS偏振分光棱镜14、第二四分之一波片15、第三四分之一波片16、第一玻璃片17、第二玻璃片18、第一直角棱镜19、第二直角棱镜20、第三直角棱镜21、第四直角棱镜22、第五直角棱镜23和第六直角棱镜24。棱镜分光移相系统2的参数要求为：第一BS分光棱镜9透射光强为总光强的66.6%，反射光强为33.3%，即分光比为2:1；第二BS分光棱镜10的分光比为1:1；所述第二四分之一波片15的快轴方向与入射光偏振方向相同；第三四分之一波片16的快轴方向与入射光偏振方向相同。棱镜分光移相系统2中的所有器件通光孔径都应大于或等于25.4mm，工作波长为632.8nm。

成像系统3包括共光轴依次设置的缩束系统25、偏振片26、成像透镜27和CCD探测器28。缩束系统25的二个正透镜焦距之比为6:1，焦距相对较长的正透镜焦距为180mm，通光孔径大于或等于76.2mm，焦距相对较短的正透镜焦距为30mm，通光孔径大于或等于12.7mm；偏振片26的通光孔径大于或等于12.7mm，其偏振方向与正交偏振光的其中一束偏振光成45°角；成像透镜27的焦平面与CCD探测器重合，通光孔径大于或等于12.7mm，CCD探测器28的尺寸为1/2英寸，即12.7mm。

所述激光器4发出激光束，进入扩束准直系统5，经扩束准直系统5准直扩束后入射至第三BS分光棱镜6，经第三BS分光棱镜6透射，进入第一四分之一波片7，经第一四分之一波片7分别反射和透射，经第一四分之一波片7前表面反射的第一反射光射入第三BS分光棱镜6；经第一四分之一波片7透射的光入射至待测平面8，获取待测平面8面型信息，并反射至第一四分之一波片7，经第一四分之一波片7将其偏振方向旋转90°，为第二反射光，并射入第三BS分光棱镜6，第一反射光和第二反射光形成带有被测面信息的正交偏振光，带有待测面型信息的正交偏振光经第三BS分光棱镜6反射至棱镜分光移相系统2的第一BS分光镜9，分成带有待测面型信息的第一正交偏振透射光和第一正交偏振反射光，第一正交偏振透射光进入第二BS分光镜10，经第二BS分光镜10分成第二正交偏振透射光和第二正交偏振反射光；第一正交偏振反射光经过直角棱镜22反射进入第三PBS分光棱镜13分光，其中P光透射至第四PBS偏振分光棱镜14，S光反射至第二玻璃片18，经第二玻璃片18进入第五直角棱镜23，经第五直角棱镜23反射进入第六直角棱镜24，经第六直角棱镜24反射至第三四分之一波片16，产生π/2的相位延迟，进入第四PBS偏振分光棱镜14，经第四PBS偏振分光棱镜14反射后与其中的透射P光汇合形成相位差为-π/2的正交偏振光，相位差为-π/2的正交偏振光进入成像系统3的缩束系统25；第二正交偏振透射光进入成像系统3的缩束系统25，第二正交偏振反射光反射至第一直角棱镜19，经第一直角棱镜19反射进入第一PBS分光棱镜11，分为P光和S光，P光透射，S光反射，透射的P光经过第二四分之一波片15产生π/2的相位延迟，并射入第二PBS偏振分光棱镜12；反射的S光依次经第二直角棱镜20反射至第一玻璃片17，经第一玻璃片17入射至第三直角棱镜21，经第三直角棱镜21反射至第二PBS偏振分光棱镜12，经第二PBS偏振分光棱镜12反射后与透射的P光汇合形成相位差为π/2的正交偏振光，相位差为π/2的正交偏振光进入成像系统3的缩束系统25；三束光经缩束系统25后减小了口径，再经偏振片26产生干涉，经成像透镜27成像，在CCD探测器28上获得三幅移相干涉图。

本发明基于棱镜分光移相的斐索型同步移相干涉测试装置提供一种稳定的结构能够实现棱镜的分光移相，并且适用于斐索型的共光路结构，减小干涉仪的系统误差，同时能够实现同步移相，减小环扰动带来的影响。能够同时获得三幅不同移相的干涉图，图像对比度好，没有光能损失。