一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置的制造方法
【专利摘要】一种基于Mach?Zehnder干涉的双光束元件表面粗糙度测量装置，涉及光干涉测量领域。它是为了解决传统单光源相移控制法测量元件表面粗糙度的测量范围小、不适用于台阶高度大于1/2波长材料表面的粗糙度测量的问题。本实用新型包括一号光源、二号光源、一号反射镜、一号分光镜、二号分光镜、透镜、一号双胶合透镜、二号反射镜、三号分光镜、二号透镜、二号双胶合透镜、待测材料、三号透镜、光阑、三号双胶合透镜、四号双胶合透镜、探测装置、微位移控制器、光强衰减器、待测元件固定台。其中，探测装置需与电脑相连，利用电脑显示探测装置拍摄的干涉图样，并结合相应算法可得到待测元件的表面粗糙度。本实用新型适用于精密光学干涉传感领域。
【专利说明】
一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糖度测量装置
技术领域
[0001 ] 本实用新型涉及光干涉测量领域。特别是一种基于Mach-Zehnder干涉的双光束元件表面粗糙度测量装置。
【背景技术】
[0002]对于元件表面粗糙度的高精度测量，利用Mach-Zehnder干涉原理设计的测量装置是一种有效的途径。这种装置由传感光路与参考光路构成，具有结构简单、测量灵敏度高等特点，可用于平面光学元件、球面光学元件及非球面光学元件表面粗糙度的测量。同时利用该原理制作的测量装置可对球面曲率半径及各种光学透镜、棱镜和光学系统光波传输质量进行测量。在Mach-Zehnder干涉技术原理设计的测量装置中，移相干涉法是一种十分精密的干涉测量方法，该种方法利用微位移控制装置在光路中控制参考光路的光程，使得传感光路与参考光路产生位相差以实现相位调制，并利用探测装置采集干涉图样，其测量精度可达1/50波长量级。但传统相移干涉法采用单一波长的光源，其测量范围小，不适用于待测元件表面台阶高度大于1/2波长的粗糙度测量。在测量过程中，若被测材料台阶高低相差过大，导致相邻像素的位相差大于η即光程差大于1/2波长，则无法精确地测量出台阶的高度。
[0003]因此，有必要将传统位相干涉法测量元件表面粗糙度的装置进行改进，设计出操作简便、精度高、测量范围大的元件表面粗糙度测量装置。
【发明内容】
[0004]本实用新型是为了解决在元件表面粗糙度的测量中，传统相移干涉法测量范围小、测量装置制作成本高且操作复杂的问题。在Mach-Zehnder干涉原理及相移干涉法的基础上开发实现新型的基于Mach-Zehnder干涉的双光束元件表面粗糙度测量装置。与现有测量设备相比，本实用新型提供了一种操作简便、测量范围大、精度高的基于Mach-Zehnder干涉的双光束元件表面粗糙度测量装置。
[0005]—种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，它包括一号光源(I)、二号光源(2)、一号反射镜(3)、一号分光镜(4)、二号分光镜(5)、透镜(6)、一号双胶合透镜
(7)、二号反射镜(8)、三号分光镜(9)、二号透镜(10)、二号双胶合透镜(11)、待测材料(12)、三号透镜(13)、光阑(14)、三号双胶合透镜(15)、四号双胶合透镜(16)、探测装置(17)、微位移控制器(18)、光强衰减器(19)、待测元件固定台(20);
[0006]一号反射镜(3)放置于与一号光源(I)相距300mm且与一号分光镜(4)相距200mmd的位置且三者之间位置正交，二号光源(2)与一号分光镜(4)相距300mm且位置与一号光源
(I)平行，二号分光镜(5)与一号分光镜(4)相距200mm且与一号透镜(6)相距200mm且与二号透镜(10)相距200mm且三者之间位置正交，一号透镜(6)与一号双胶合透镜(7)相距200mm，二号透镜(10)与二号双胶合透镜(11)相距200mm，二号反射镜(8)固定于微位移控制器(18)上且与双胶合透镜(7)相距200mm且与三号分光镜(9)相距609mm且三者之间位置正交，光强衰减器(19)放置于二号反射镜(8)和三号分光镜(9)之间并与二号反射镜(8)相距300mm，待测材料(12)放置在待测元件固定台(20)上且与双胶合透镜(11)相距200mm且与三号分光镜(9)相距609mm且三者之间位置正交，三号透镜(13)与三号分光镜(9)相距200mm且与光阑(14)相距200mm，三号双胶合透镜(15)与光阑(14)相距30mm且与四号双胶合透镜(16)相距20mm，四号双胶合透镜(16)与探测装置(17)相距44mm。
[0007]一号光源(I)的光波波长为632.8nm，二号光源的光波波长为543nm。
[0008]—号分光镜(4)、二号分光镜(5)、三号分光镜(9)的分光比均为1:1且材料均为BK7玻璃。
[0009]一号透镜(6)、二号透镜(10)的焦距为12.9mm且厚度为2mm且直径为3mm且材料为K9玻璃。
[0010]三号透镜(13)的焦距为200mm且厚度为4mm且直径为34mm且材料为K9玻璃。
[0011]—号双胶合透镜(7)、二号双胶合透镜(11)直径为3mm且前后两部分的材料分别是ZFl玻璃和K9玻璃。
[0012]光阑(14)的厚度为30mm。
[0013]三号双胶合透镜(15)和四号双胶合透镜(16)的直径分别是1mm和14mm且这两个双胶合透镜前后两部分的材料分别是K9玻璃、F3玻璃和F3玻璃、K9玻璃。
[0014]微位移控制器(18)为PZT。
[0015]光强衰减器(19)为透射光强度可调的透镜组。
[0016]待测元件固定台(20)为可方便放置待测材料(12)的金属或塑料制成的夹具。
[0017]探测装置(17)为CCD。
[0018]本实用新型的有益效果是:本实用新型通过将两个不同波长的双光源取代单光源并在Mach-Zehnder干涉仪及传统单一波长光源的相移干涉装置的基础上进行改进，设计出新型Mach-Zehnder干涉仪双光束元件表面粗糙度测量装置。该测量装置包含两个不同波长的光源，这样可使其测量范围扩大，可用于测量台阶高度大于1/2波长材料表面的粗糙度。该装置在测量过程中，若被测材料台阶高低相差过大，导致相邻像素的位相差大于η同样可精确地测量出台阶的高度，比传统的干涉测量装置具有更大的测量范围。同时，该装置基于的干涉原理保证了测量灵敏度高的优势，待测元件固定台方便待测元件的取放且操作简单。该Mach-Zehnder干涉的双光源元件表面粗糙度测量装置相比传统单光源测量装置具有灵敏度高、测量范围大、操作简便等优点。
【附图说明】
[0019]图1为一种基于Mach-Zehnder干涉的双光束元件表面粗糙度测量装置。
【具体实施方式】
[0020]下面结合说明书附图进一步说明本实用新型的【具体实施方式】。
[0021]如图1，本实施方式所述的一种基于Mach-Zehnder干涉的双光束元件表面粗糙度测量装置，它包括一号光源(I)、二号光源(2)、一号反射镜(3)、一号分光镜(4)、二号分光镜
(5)、透镜(6)、一号双胶合透镜(7)、二号反射镜(8)、三号分光镜(9)、二号透镜(10)、二号双胶合透镜(11)、待测材料(12)、三号透镜(13)、光阑(14)、三号双胶合透镜(15)、四号双胶合透镜(16)、探测装置(17)、微位移控制器(18)、光强衰减器(19)、待测元件固定台(20);—号反射镜(3)放置于与一号光源(I)相距300mm且与一号分光镜(4)相距200mm的位置且三者之间位置正交，二号光源(2)与一号分光镜(4)相距300mm且位置与一号光源(I)平行，二号分光镜(5)与一号分光镜(4)相距200mm且与一号透镜(6)相距200mm且与二号透镜(10)相距200mm且三者之间位置正交，一号透镜(6)与一号双胶合透镜(7)相距200mm，二号透镜(10)与二号双胶合透镜(11)相距200mm，二号反射镜(8)固定于微位移控制器(18)上且与双胶合透镜(7)相距200mm且与三号分光镜(9)相距609mm且三者之间位置正交，光强衰减器(19)放置于二号反射镜(8)和三号分光镜(9)之间并与二号反射镜(8)相距300mm，待测材料(12)放置在待测元件固定台(20)上且与双胶合透镜(11)相距200mm且与三号分光镜(9)相距609mm且三者之间位置正交，三号透镜(I 3)与三号分光镜(9)相距200mm且与光阑(14)相距200mm，三号双胶合透镜(15)与光阑(14)相距30mm且与四号双胶合透镜(16)相距20mm，四号双胶合透镜(16)与探测装置(17)相距44mm。
[0022]一号光源(I)的光波波长为632.8nm，二号光源的光波波长为543nm。
[0023]—号分光镜(4)、二号分光镜(5)、三号分光镜(9)的分光比均为1:1且材料均为BK7玻璃。
[0024]一号透镜(6)、二号透镜(10)的焦距为12.9mm且厚度为2mm且直径为3mm且材料为K9玻璃。
[0025]三号透镜(13)的焦距为200mm且厚度为4mm且直径为34mm且材料为K9玻璃。
[0026]—号双胶合透镜(7)、二号双胶合透镜(11)直径为3mm且前后两部分的材料分别是ZFl玻璃和K9玻璃。
[0027]光阑(14)的厚度为30mm。
[0028]三号双胶合透镜(15)和四号双胶合透镜(16)的直径分别是1mm和14mm且每个透镜的材料分别是K9玻璃、F3玻璃和F3玻璃、K9玻璃。
[0029]微位移控制器(18)为PZT。
[0030]光强衰减器(19)为透射光强度可调的透镜组。
[0031]待测元件固定台(20)为可方便放置待测材料(12)的金属或塑料制成的夹具。
[0032]探测装置(17)为(XD。
[0033]在进行元件表面粗糙度测量时，先搭建好实验光路，将探测装置(17)连接到电脑。在待测元件固定台(20)上放好待测材料(12)并调整待测材料(12)的位置，使得光刚好能从二号双胶合透镜(11)到达该待测材料(12)并由该待测材料(12)到三号分光镜(9)。电脑上显示的经探测装置(17)拍摄的图样即为光经过两路不同路径后发生耦合干涉时的图样。当微位移控制器(18)带动二号反射镜(8)发生移动时，两路光的光程发生改变，使得传感光路与参考光路产生位相差以实现相位调制。利用探测装置(17)采集干涉图样。通过采集到的图样信息，得到待测材料(12)的表面粗糙度。
[0034]工作原理:
[0035]基于Mach-Zehnder干涉的双波长元件表面粗糙度测量:
[0036]工作过程:如图1所示，将探测装置(17)与电脑相连，并搭建实验光路。
[0037]在对元件表面粗糙度测量的过程中，先将探测装置(17)与电脑连接，再依次打开一号光源(I)、二号光源(2)、探测装置(17)、电脑。由一号光源(I)经一号反射镜(3)反射和二号光源(2)发出的光在一号分光镜(4)中相遇，一号分光镜(4)的分光比为1:1。经过一号分光镜(4)后，光被分成光强比为1:1的两束光分别进入传感光路与参考光路。在传感光路中光依次经过二号透镜(10)、二号双胶合透镜(11)、待测材料(12)、三号分光镜(9 )。在参考光路中光依次经过一号透镜(6)、一号双胶合透镜(7)、二号反射镜(8)、光强衰减器(19)并在三号分光镜(9)中与另一路光相遇发生耦合。当参考光路的光程通过微位移控制器(18)带动二号反射镜(8)移动时，其光程会发生改变，从而使两路光的光程差发生改变。光程差的改变会导致两束光耦合时的位相发生改变。在三号分光镜(9)内相遇的两束光会因为位相不同的两束光的叠加而发生光强的重新分布，产生干涉现象。该干涉光依次经过三号透镜(13)、光阑(14)、三号双胶合透镜(15)、四号双胶合透镜(16)到达探测装置(17)。当干涉光因为参考光路的光程发生改变时，探测装置(17)所拍摄的干涉图样会发生变化。可根据干涉图样的变化及利用相应的算法计算出待测材料(12)的表面粗糙度。
【主权项】
1.一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:它包括一号光源(I)、二号光源(2)、一号反射镜(3)、一号分光镜(4)、二号分光镜(5)、透镜(6)、一号双胶合透镜(7)、二号反射镜(8)、三号分光镜(9)、二号透镜(10)、二号双胶合透镜(11)、待测材料(12)、三号透镜(13)、光阑(14)、三号双胶合透镜(15)、四号双胶合透镜(16)、探测装置(17)、微位移控制器(18)、光强衰减器(19)、待测元件固定台(20); 一号反射镜(3)放置于与一号光源(I)相距300mm且与一号分光镜(4)相距200mm且三者之间正交的位置，二号光源(2)与一号分光镜(4)相距300mm且位置与一号光源(I)平行，二号分光镜(5)与一号分光镜(4)相距200mm且与一号透镜(6)相距200mm且与二号透镜(10)相距200mm且三者之间位置正交，一号透镜(6)与一号双胶合透镜(7)相距200mm，二号透镜(10)与二号双胶合透镜(11)相距200mm，二号反射镜(8)固定于微位移控制器(18)上且与双胶合透镜(7)相距200mm且与三号分光镜(9)相距609mm且三者之间位置正交，光强衰减器(19)放置于二号反射镜(8)和三号分光镜(9)之间并与二号反射镜(8)相距300mm，待测材料(12)放置在待测元件固定台(20)上且与双胶合透镜(11)相距200mm且与三号分光镜(9)相距609mm且三者之间位置正交，三号透镜(13)与三号分光镜(9)相距200mm且与光阑(14)相距200mm，三号双胶合透镜(15)与光阑(14)相距30mm且与四号双胶合透镜(16)相距20mm，四号双胶合透镜(16)与探测装置(17)相距44mm。2.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:一号光源(I)的光波波长为632.8nm，二号光源的光波波长为543nm。3.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:一号分光镜(4)、二号分光镜(5)、三号分光镜(9)的分光比均为1:1且材料均为BK7玻璃，一号透镜(6)、二号透镜(10)的焦距为12.9mm且厚度为2mm且直径为3mm且材料为K9玻璃，三号透镜(13)的焦距为200mm且厚度为4mm且直径为34mm且材料为K9玻璃，一号双胶合透镜(7)、二号双胶合透镜(11)直径为3mm且前后两部分的材料分别是ZFl玻璃和K9玻璃。4.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:光阑(14)的厚度为30_。5.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:三号双胶合透镜(15)和四号双胶合透镜(16)的直径分别是1mm和14mm且每个透镜的前后两部分的材料分别是K9玻璃、F3玻璃及F3玻璃、K9玻璃。6.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:微位移控制器(18)为PZT。7.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:光强衰减器(19)为透射光强度可调的透镜组。8.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:待测元件固定台(20)为可方便放置待测材料(12)的金属或塑料制成的夹具。9.根据权利要求1所述的一种基于Mach-Zehnder的双光束元件表面粗糙度测量装置，其特征在于:探测装置(17)为CCD。
【文档编号】G01B11/30GK205482840SQ201620002225
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月5日
【发明人】沈涛, 周燕, 杨思博, 孙滨超
【申请人】哈尔滨理工大学