斐索型双波长激光调谐移相干涉测试装置及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光干涉测试领域，特别是一种斐索型双波长激光调谐移相干涉测试装 置及其方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。常见的移相方法有压电陶瓷（PZT)移相、旋转偏振器件（波片、 偏振片）移相、移动衍射光栅或者倾斜平板移相、波长移相等。
[0004] 移相干涉仪通常是采用单一波长作为光源，具有较高的测量精度和较好的测量重 复性，但是其测量范围较小，适用于连续表面和台阶高度小于0. 5波长的不连续表面。在台 阶面的面形检测过程中，被测台阶高低差较大，导致相邻像素的相位差大于n超过其测量 范围，无法正确恢复出台阶的高度。
[0005] 为了扩大单波长移相干涉仪的测试范围，Yeou-YenCheng等 人在《Two-waveIengthphaseshiftinginterferometry》（APPLIED OPTICS，24 (23) : 4539-4543, 1984)中提出了双波长移相干涉测试方法，利用合成波长 技术来检测误差较大的面形，解决了传统单波长干涉测试出现的2 模糊问题。针对 合成波长相位的误差放大效应，Yeou-YenCheng等人随后在其《Multiple-wavelength phase-shiftinginterferometry》（APPLIEDOPTICS, 24(6) :804-807, 1985) -文中提出 以合成波长相位数据修正单波长相位数据，在保证单波长移相干涉测试精度的前提下，扩 大了单波长移相干涉术的测量范围。传统的双波长移相干涉测试装置一般采用压电陶瓷 (PZT)移相，该方法存在不同波长下的PZT移相误差。针对不同波长下的移相误差问题， JoannaSchmit在〈〈Two-wavelengthinterferometricprofilometrywithaphase-step error-compensatingalgorithm)) (OpticalEngineering, 45 (11) : 115602_1-115602_3, 2 006)中针对双波长移相干涉测试过程中两种波长下的PZT移相校准误差问题，提出采用 对移相校准误差不敏感的8步移相算法来求解两种波长下的相位值，但计算过程复杂且 其移相误差补偿存在一定的范围。为了从硬件方面解决双波长移相误差问题，Michael B.North-Morris在《Phase-ShiftingMulti-WaveIengthDynamicInterferometer》 (ProceedingsofSPIE,Vol. 5531:64-75,Bellingham,WA, 2004))中设计了 一种双波长 动态干涉检测装置，直接在CCD前放置像素级的相位掩膜实现同步移相，通过对掩膜板 进行消色差设计实现不同波长下的同步移相，但其对掩膜板的设计加工要求很高，结构 安装复杂且后续信息处理繁琐。YouichiBitou在《Two-wavelengthphase-shifting interferometryusinganelectricallyaddressedliquidcrystalspatiallight modulator》（APPLIEDOPTICS，44(9):1577-1581, 2005)中设计了一种基于空间光调制 器（EA-SLM)移相的双波长干涉测试装置，实现了两种波长下相反方向的精确等步长移 相，采用传统移相算法直接提取合成波长相位数据，但其装置因包含大量偏振器件和衍射 兀件而结构显得复杂。D.G.Abdelsalam在《Two-wavelengthin-linephase-shifting interferometrybasedonpolarizingseparationforaccuratesurfaceprofiling)) (APPLIED0PTICS，55(33) :6153-6161,2011)中提出的双波长干涉仪采用偏振分光光路 设计，基于马赫泽德干涉光路结构，采用闭环控制的PZT实现在两种波长下的精确移相， 分辨率为lnm，解决了不同波长下移相校准误差问题，但其对PZT的要求极高且价格昂 贵。田爱玲等人在其专利《一种大范围高精度的面形检测装置及其检测方法》（申请号 201310044110. 3)中描述了一种双波长移相干涉测试装置，采用可调谐范围大于30nm的变 频激光器分别在两个中心波长处实现波长移相干涉，分别得到移相干涉图，基于莫尔条纹 理论相乘叠加干涉图，在频域内低通滤波得到包含合成波长相位的干涉光强图，最后采用 移相算法提取合成波长相位。由于采用的是一个变频激光器在两个中心波长处分别实现波 长移相干涉，因此这种方法比较耗时。另外，该装置需要对叠加的干涉光强图进行频谱低通 滤波处理，滤波器的选择会降低测试数据的精度，且处理过程复杂。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种斐索型双波长激光调谐移相干涉测试装置及其方法，能 够快速准确提取合成波长相位的大范围高精度的数字波面测试装置，以扩大单波长干涉测 试装置的测量范围和传统双波长移相干涉仪采用PZT移相时会引入不同波长下的移相误 差问题。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种斐索型双波长激光调谐移相干涉测试装 置包括中心波长为X1的可调谐激光器、第一扩束镜、第一分光棱镜、标准镜、被测镜、中心 波长为X1的可调谐激光器、第二扩束镜、第二分光棱镜、第一分光镜、第一成像透镜、第一 CXD探测器、第二成像透镜、第二CXD探测器、第三成像透镜、第三CXD探测器和截止波长为 入3的二向色镜，其中A1尹入2,min(X1，入，入2);依次设置中心波长为入1 的可调谐激光器、第一扩束镜和第一分光棱镜，它们所在的光轴为第一光轴；依次设置第二 分光棱镜、第一分光镜、截止波长为X3的二向色镜、第三成像透镜和第三(XD探测器，它们 所在的光轴为第二光轴；依次设置中心波长为X2的可调谐激光器、第二扩束镜、第二分光 棱镜、第一分光棱镜、标准镜和被测镜，它们所在的光轴为第三光轴；依次设置第一分光镜、 第一成像透镜和第一CXD探测器，它们所在的光轴为第四光轴；依次设置截止波长为入3 的二向色镜、第二成像透镜和第二CCD探测器，它们所在的光轴为第五光轴，第一光轴和第 二光轴分别与第三光轴垂直，第四光轴和第五光轴分别与第二光轴垂直，第一分光镜与垂 直方向的第二光轴夹角为45°，截止波长为A的二向色镜与垂直方向的第二光轴夹角为 135° ;由中心波长为八的可调谐激光器发出的波长为A:的激光经第一扩束镜扩束准直 后变成准直的大口径平行光束，该平行光束经第一分光棱镜反射至标准镜和被测镜，形成 了波长为八的激光调谐移相干涉测试光路；由中心波长为A2的可调谐激光器发出的波长 为A2的激光经第二扩束镜扩束准直后变成准直的大口径平行光束，该平行光束经第二分 光棱镜和第一分光棱镜入射至标准镜和被测镜，形成了波长为A2的激光调谐移相干涉测 试光路；入射至标准镜和被测镜的波长为^和A2的光波经标准镜和被测镜后反射，透过 第一分光棱镜后被第二分光棱镜反射至第一分光镜，经第一分光镜后分为两束，一束为第 一反射光，另一束为第一透射光，第一反射光最后经第一成像透镜被第一 (XD探测器所米 集形成了八和A2干涉光叠加后的莫尔条纹移相干涉图采集光路，第一透射光透过第一分 光镜后入射至截止波长为A3的二向色镜，第一透射光经截止波长为A3的二向色镜后分为 两束，一束波长为A2的第二反射光，另一束为波长为A1的第二透射光，第二反射光经第二 成像透镜最终被第二CCD探测器采集形成实现A2精确移相控制的信号采集光路，第二透 射光经第三成像透镜最终被第三CCD探测器采集形成实现Ai精确移相控制的信号采集光 路。
[0008] 上述的斐索型双波长激光调谐移相干涉测试装置，其特点在于当A1 <A3 <入2， 二向色镜为低通二向色镜，即小于截止波长A3的A:光波可以透过二向色镜而大于截止波 长入3的入 2光波会被二向色镜反射。当入2 <入3 <A1，二向色镜为高通二向色镜，即大 于截止波长A3的Ai光波可以透过二向色镜而小于截止波长A3的Ai光波会被二向色镜 反射。斐索型双波长激光调谐移相干涉测试装置采用中心波长为A1的可调谐激光器和入2 的可调谐激光器按照Ai和A2分别为/2和-/2的相移步进量进行波长移相，同步对 被测镜进行波长移相干涉检测，采用第一CCD探测器采集A:和A2干涉光叠加后