光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种移相干设测量装置及方法，具体设及一种光栅分光式同步移相干 设测量装置及方法，用于小量程、高精度的位移测量W及微结构器件的台阶高度等几何量 的测量，属于超精密测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 移相干设测量技术是一种高精度、非接触的测量方法，是光学检测、几何量测量领 域中测量微台阶、表面形貌、微小位移的重要技术手段之一。其基本思想是由J.H.化lining 于1974年提出，其将同步相位探测技术引入到光学干设测量技术当中，利用CCD采集具有 不同移相量的干设图像，该技术的不足在于其运用压电陶瓷实现移相功能，没有办法做到 同时采集不同移相量的干设图像。此后，在J.H.化lining提出的移相干设原理的基础上衍 生出了 =通道、四通道同步移相干设原理等方法与装置。
[0003] 多通道同步移相测量可W实现同时采集多幅干设图像，从而抑制外界环境等因素 对测量精度带来的影响，达到抗干扰和提高测量精度的目的。2008年左芬等提出一种二维 光栅分光和偏振阵列移相的同步移相干设测量抗震技术（左芬，陈磊，徐春生.基于二维 光栅分光的同步移相干设测量技术.光学学报，2007, 27 (4) :663-667)，该技术运用光栅分 光，一次性分出移相所需的四束光；运用四象限偏振片实现移相，保证用一个CCD即可采集 四幅干设图，保证了同步性。但是实验所用的光栅的利用率较低，0级聚集光能较大，干设图 的对比度较低；另外需要对干设图像进行条纹解算，影响测量精度，此外，四象限偏振片组 制作时光轴对准困难，容易引入移相误差。为了提高能量利用率，哈尔滨工程大学单明广等 提出了一种利用正交的两个一维光栅实现同步移相干设检测的方法和装置（专利公布号 CN102914256A，发明创造名称为基于正交双光栅的同步移相干设检测装置及检测方法），该 方法将双光栅分光技术与偏振调制技术相结合，解决了光能利用率低的问题，但是增加了 实验装置的调整难度，仍需进行条纹解算，并且两光栅的正交程度会引入新的误差来源。
【发明内容】
[0004] 在下文中给出了关于本发明的简要概述，W便提供关于本发明的某些方面的基本 理解。应当理解，该个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的 关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是W简化的形式给出某些概 念，W此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0005] 鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种光栅分光式同步移相干设测量装置 及方法，W至少解决现有的同步移相干设检测技术增加了实验装置的调整难度，需要进行 条纹解算，并且两光栅的正交程度会引入新的误差来源的问题。本发明的具有测量速度快、 抗干扰能力强、分辨力高和集成度高的特点。将光栅分光与移相装置放置在参考面前，保 证经过分光与移相回来的四路光再次经过PBS之后为平行光，消除了非平行光对测量的影 响；采用本发明所设计的四象限移相器可有效减小测量中的移相误差；采用四象限光强探 测器探测干设光强，排除了干设图像对比度低、W及条纹解算复杂等对测量的影响。该装置 即可W用来测量微小的距离变化，也可W用来对物体表面形貌进行检测。
[0006] 本发明的光栅分光式同步移相干设测量装置，包括激光器、检偏器、准直扩束镜、 1/2波片、偏振分光棱镜、参考反射镜、第一透镜、第一二维Ronchi光栅、四象限移相器、第 一 1/4波片、待测物、第二透镜、第二二维Ronchi光栅、第二1/4波片、第=1/4波片、收集 透镜、四象限探测器和计算机；
[0007] 其中激光器、检偏器、准直扩束镜和1/2波片组成光源部分；偏振分光棱镜、第一 1/4波片、四象限移相器、第一二维Ronchi光栅、第一透镜和参考反射镜组成参考光部分； 第二1/4波片、第二二维Ronchi光栅、第二透镜与待测物组成测量光部分；光源部分、参考 光部分与测量光部分一起构成泰曼格林干设装置；
[000引光学路径；激光器发射的光束经检偏器后依次通过准直扩束镜、1/2波片和偏振 分光棱镜5,经偏振分光棱镜分成物光和参考光；测量光依次经过第二1/4波片、第二二维 Ronchi光栅、第二透镜和待测物后，依次射向第二透镜、第二二维Ronchi光栅、第二1/4波 片和偏振分光棱镜；参考光依次经过第一 1/4波片、第一二维Ronchi光栅、第一透镜和参考 反射镜后，依次射向参考反射镜、第一透镜、第一二维Ronchi光栅、四象限移相器、第一 1/4 波片和偏振分光棱镜，再次合并的参考光与测量光通过第=1/4波片、收集透镜、四象限光 强探测器组成的光强采集部分，采集的干设光强信号输入计算机。
[0009] 进一步地；所述第一二维Ronchi光栅和第二二维Ronchi光栅作为分光元件，其偶 数级次衍射光为0;四象限移相器为2X2阵列，逆时针相位分别为0°、90°、180°、270°。
[0010] 进一步地：所述四象限移相器是在同一块石英玻璃上利用光刻技术制作形成。在 现有技术中，采用的四象限移相器是将四个偏振片粘接在一起，四个偏振片光轴方向相差 45°，由于制作工艺限制，各偏振片之间的光轴方向存在偏差，此外由于不是一次成型，使 用时间长时，胶接的位置会发生老化变形。本发明中采用的四象限移相器，是在同一块石英 玻璃上，利用光刻技术完成制作，按现有工艺水平厚度误差可控制在IOnm范围内，加工精 度高。因此本发明采用的移相器制作方法可有效减小移相误差，从而提高系统的测量精度。
[0011] 进一步地：所述激光器为化-Ne单频偏振激光器。
[0012]W参考光路为例，光源的平行光经PBS分光后，经四象限移相器的中间小孔后，由 第一二维Ronchi光栅分光，分成（±1，±1)四束倾斜平行光，再经第一透镜聚光后照射到 透镜焦面附近参考反射镜上，经参考反射镜反射后，再次经过第一透镜和第一二维Ronchi 光栅，每束光再经光栅分束后，对应只有一路光是平行于透镜光轴的，其它光均是向外的倾 斜平行光，受四象限移相器孔径限制均被挡在光路之外。由此四路测量光束与携带不同相 位的参考光束经PBS和第S1/4波片后，发生干设。
[0013] 该结构利用二维光栅进行两次分光，将倾斜平行光调整为平行于光路光轴的平行 光，使光路易于集成。
[0014]本发明的光栅分光式同步移相干设测量方法，其具体步骤为；激光器发出的光经 过光源部分后变成偏振方向与光轴成45°的线偏振光，随后经过偏振分光棱镜分成偏振 方向相互垂直、光强相等的参考光与测量光；参考光经过第一 1/4波片变成左旋圆偏振光， 通过第一二维Ronchi光栅和第一透镜分光形成四路等光强的子光束，为同步移相获取四 路特性完全一致的子光束组，经由参考反射镜6垂直反射再次经过第一透镜和第一二维 Ronchi光栅，根据衍射方程只有对称的四束子光平行出射，平行出射的四束参考光经过四 象限移相器，实现四束参考光的相位依次为0°、90°、180°、270°，再经过第一 1/4波片 和偏振分光棱镜；测量光通过第二1/4波片变成右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经历第二二 维Ronchi光栅与第二透镜选取与参考光对应的四束测量光，再由待测物反射回来，携带有 被测面信息的对应的四束测量光再次经过第二透镜和第二二维Ronchi光栅后也变成平行 光，第二次经过第二1/4波片和偏振分光棱镜与参考光汇合；汇合后的参考光与测量光即 发生干设，四路干设信号含有不同的光强信