专利名称：瞬时相移横向剪切干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学干涉测量仪器技术领域，具体涉及一种相移横向剪切干涉仪，特
别涉及一种瞬时相移横向剪切干涉仪。
背景技术：
横向剪切干涉法是通过一定的光机系统，将待测波前分为完全相同的两束待测波 前，形成的两束待测波前在空间上产生一定的位移。横向剪切技术的应用，避免了在光学干 涉中采用标准波前时所引入的系统误差。横向剪切干涉在一定程度上简化测量系统的结 构，降低测试系统中光学元件的精度要求，也在一定程度上提高系统的测量精度。在横向剪 切仪中引入相移技术形成相移横向剪切干涉仪可以进一步提高性能，可以实现干涉图的处 理过程的自动化和波前三维分布的重构性等。 在现有的相移横向剪切干涉仪中，经常采用PZT改变干涉光之间的光程差，实现 测量系统的相移。但在相移的实现过程中，PZT需要一些机械运动来保证，且相移的实现是 按照一定的时间顺序进行的。由于相移过程是在时域实现的，测量结果必然受到外界环境 的影响。同时，由于形成干涉的两束光是通过分束棱镜或分光镜形分束，剪切过程和相移过 程分别在两束光中通过光机系统实现，因此，分束后两束光通过的光学元件的差异性将会 在一定程度上影响系统的测量精度。现有技术给出了以下的一些各具特点的相移横向剪切 干涉仪，分别叙述如下 —种采用单剪切元件的相移横向剪切干涉仪(Devon W. Griffin. "Phase-shifting interferometer" . Optics Letter,Vol. 26，No. 3，140-141， 2001)，它以液晶体作为相移元件，通过改变控制电压实现不同的相移量。该种仪器结构简
单，但其多幅干涉图的获取是在时间域进行的，对外界环境的影响比较敏感。 —种单楔板作为剪切元件的相移横向剪切干涉仪(Jae Bong Song， etc, "Simple
phase-shifting method in a wedge-plate lateral-shearing interferometer".
Applied Optics, Vol. 43， No. 20， 3989-3992， 2004)，通过在水平面内平移移动楔板产生相
移，移相精度较高。但其相移的实现需要机械运动部件，对运动部件的精度要求很高，且多
幅干涉图的获取是在时间域进行的，对外界环境的影响比较敏感。 在专利"移相横向剪切干涉仪(200710045147. 2)"，"偏振移相双剪切干涉 波面测量仪及其检测方法(200710047254. 9)"和"偏振移相双剪切干涉波面测量仪 (200720075604. 8)"中描述了一种偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法，它通过 固定的波片和旋转的检偏器组成相移系统，通过两块平行平板实现剪切。该仪器对于平行 平板的定位精度要求非常高，且通过一定的机械运动机构实现相移，因此，多幅干涉图的获 取是在时域完成的，对系统环境的变化比较敏感。 在专利"马赫_曾德尔型剪切波面测量系统及其剪切波面测量方法 (200810039115. 6)"和"马赫_曾德尔型剪切波面测量系统(200820059890. 3)"中描述了一 种剪切波面测量系统，主要用于测量大口径，衍射极限下的波面。在该系统中采用PZT实现相移，需要一定的运动机构支撑，同时，由于PZT运动需要在时间上按照一定的方式运动， 因此，对于相移干涉图的获取需要在时间域进行，环境的变化将对测量结果产生影响。系统 中剪切的实现通过四个反射平板在一定的空间姿态下，反射平板的反射表面面形误差和空 间定位误差将降低系统的测量精度。 —种相移剪切干涉仪(刘晓军著、"共路移相剪切干涉测量仪的研制"，华中理工大 学学报，vol. 27， No. 316-18， 1999)，包括偏振片P、平行偏振分束器、四分之一波片、CCD和 计算机，它利用晶体的双折射效应实现剪切，采用偏振相移原理实现相移，具体的工作过程 是激光器发出的光经过偏振片P形成线偏振光，再经过空间滤波器SF和透镜扩束准直， 成为平面光波，该平面光波经分光镜BS工和透镜L2入射到被测光学表面0，反射回来的光波 即带有被测表面面形的信息。此光波经分光镜转向90。进入平行偏振分束器横向剪切成两 束线偏振光，再经1/4波片P形成为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，在经过偏振片P工就可以 形成干涉，由CCD获取干涉图。在该系统中，相移的实现通过转动偏振片Pi来实现。现有技 术存在的问题是(l)操作麻烦在测试过程中需要机械运动机构不断改变偏振片的位置， 以获取不同相移下的干涉图，在实际应用时需要转动定位一次偏振片Pi才能采集一幅干涉
图，(2)系统对环境的要求较高环境对采集结果影响较大在干涉测量中，测量过程对外界
环境变化是很敏感的，由于测试获得的多幅相移干涉图是在不同时刻得到的，而外界环境 对每幅干涉图的影响是不同的，在后续的算法中也无法消除影响，因此环境对采集结果影 响较大，系统对环境的要求较高。
发明内容
本发明要提供一种瞬时相移横向剪切干涉仪，以克服现有技术存在的操作麻烦和 系统对环境要求较高的问题。 为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案如下一种瞬时相移横向 剪切干涉仪，包括在主光轴上依次同心设置的平行偏振分束器2、四分之一波片3和CCD9， CCD9与计算机1相接，其特征在于还包括在主光轴上四分之一波片3和CCD9之间依次同 心设置的二维矩形光栅4、第一凸透镜5、空间滤波器6、第二凸透镜7、偏振片阵列8，其中 平行偏振分束器2晶体光轴方向与入射表面之间的夹角为45° ，四分之一波片3的快轴方 向位于与平行偏振分束器2的晶体光轴方向和主光轴构成的平面成45。角的平面上；空间 滤波器6设置于第一凸透镜5的后焦平面和第二凸透镜7的前焦平面上，空间滤波器6上 有4个按照矩形分布的针孔，实现对二维矩形光栅衍射光中(-l，-l)， (-l，l)， (l，-l)， (1， 1)级衍射光的选择性通过；所述偏振片阵列8上设置有四个偏振片，四个偏振片的透光轴 之间的夹角依次相差45。。 上述方案中的平行光分束器2采用双折射晶体。
与现有技术相比，本发明的优点是 (1)操作简便本发明中不需要任何机械运动就可以在CCD采集一次的情况下获 得四幅不同相移量下的干涉图，这是因为本发明中采用二维矩形光栅、透镜和滤波器实现 光束的再次分束，同时可以获取多幅相移剪切干涉图，在偏振片阵列上设置四个偏振片，同 时分别对(-l，-l)， (-l，l)， (l，-l)， (l，l)级衍射光获得0。 、45° 、90°和135°的相移 量，避免了通过旋转偏振片的方法获得不同的相移量，因此操作简单；
(2)系统对环境要求降低本发明中提出的测试方法中多幅干涉图是在同一时刻 获取的，外界环境对每幅干涉图的影响相同，可以在后续的算法中消除，因此大大降低了对 环境的要求； (3)提高了测量精度本发明在偏振片阵列上设置了四个偏振片，避免了采用旋 转偏振片实现相移过程中定位误差的影响，从而提高了测量精度。
图l是系统结构示意图；
图2是滤波器的示意图；
图3是偏振片阵列8的示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。 —种瞬时相移横向剪切干涉仪，包括在主光轴上依次同心设置的平行偏振分束器 2、四分之一波片3、二维矩形光栅4、第一凸透镜5、空间滤波器6、第二凸透镜7、偏振片阵 列8和CCD9， CCD9与计算机1相接。其中平行偏振分束器2 (采用双折射晶体)晶体光轴 方向与入射表面之间的夹角为45° ，四分之一波片3的快轴方向位于与平行偏振分束器2 的晶体光轴方向和主光轴构成的平面成45。角的平面上。所说的空间滤波器6设置于第一 凸透镜5的后焦平面和第二凸透镜7的前焦平面上，空间滤波器6上有4个按照矩形分布 的针孔，实现对二维矩形光栅衍射光中(-l，-l)， (-l，l)， (l，-l)， (l，l)级衍射光的选择性 通过。所说的偏振片阵列8上设置有四个偏振片，四个偏振片的透光轴之间的夹角依次相 差45° 。 本设备工作的过程如下 由测试光学表面返回的测试波前，垂直入射到平行偏振分束器2上，由于平行偏 振分束器2具有双折射特性，且可以使寻常光和非寻常光在横向产生一定的相对位移，因 此经过平行偏振分束器2后，测试波面分为两束， 一束为寻常光形成的波面，另一束为非寻 常光形成的波面，且两束光均为线偏振光，振动方向垂直，同时两个波面有一定的横向剪 切，横向剪切距离的大小可通过倾斜平行偏振分束器实现。两束光经过入/4波片，该入/4 波片的快轴方向与两束光的偏振方向的夹角都为45。，因此，入射的两束线偏振光分别变 成为左旋和右旋圆偏振光。该圆偏振光垂直照射到二维光栅4上，经过二维光栅4后产生 了 (±m， ±n)级次的衍射光，其中m、n分别为非负整数。衍射光经过滤波系统(包括第一 凸透镜5、滤波器6和第二凸透镜7)，仅仅让(±1， ±1)级衍射光通过，实现测试波面的再 次分束，形成为四部分，每部分都包含寻常光波面和非寻常光波面。分束后的测试波面通过 一个偏振片阵列8。偏振片阵列8上四个偏振片中每两个相邻偏振片的透光轴之间的夹角 为45° ，实现左旋和右旋圆偏振光通过偏振片阵列8的不同区域时有不同的光程差，从而 产生不同的相移量。经过偏振片阵列8相移后的偏振光进入CCD9中，从CCD9上可以同时 获得具有不同光程差的寻常光测试波面和非寻常光测试波面的四幅干涉图像。使用计算机 通过采用四步相移算法和泽尼克拟合技术，由干涉图像提取出测试波前的相位分布。
因此发明具有下述的独有特点
5
(1)可以同步获取四幅相移剪切干涉图； (2)在相移剪切干涉图获取的过程中，相移的实现不需要机械运动机构；是通过 四分之一波片、滤波器和偏振片阵列实现的，对于所需的相移量，可通过调节偏振片阵列的 透光轴方向实现。 (3)在相移剪切干涉图获取的过程中，剪切的实现是通过共光路光学系统实现 的； (4)在相移剪切干涉图获取的过程中，在同一个采集图像上包含多幅相移剪切干 涉图。
(5)横向剪切距离的大小可在测试前通过倾斜平行偏振分束镜实现。
权利要求
本发明涉及一种瞬时相移横向剪切干涉仪，包括在主光轴上依次同心设置的平行偏振分束器(2)、四分之一波片(3)和CCD(9)，CCD(9)与计算机(1)相接，其特征在于还包括在主光轴上四分之一波片(3)和CCD(9)之间依次同心设置的二维矩形光栅(4)、第一凸透镜(5)、空间滤波器(6)、第二凸透镜(7)、偏振片阵列(8)，其中平行偏振分束器(2)晶体光轴方向与入射表面之间的夹角为45°，四分之一波片(3)的快轴方向位于与平行偏振分束器(2)的晶体光轴方向和主光轴构成的平面成45°角的平面上；空间滤波器(6)设置于第一凸透镜(5)的后焦平面和第二凸透镜(7)的前焦平面上，空间滤波器(6)上有4个按照矩形分布的针孔，实现对二维矩形光栅衍射光中(-1，-1)，(-1，1)，(1，-1)，(1，1)级衍射光的选择性通过；所述偏振片阵列(8)上设置有四个偏振片，四个偏振片的透光轴之间的夹角依次相差45°。
2. 根据权利要求1所述的一种瞬时相移横向剪切干涉仪，其特征在于平行光分束器 (2)采用双折射晶体。
全文摘要
本发明涉及一种瞬时相移横向剪切干涉仪，以克服现有技术存在的操作麻烦、系统对环境的要求较高且环境对采集结果影响较大的问题。本发明提供的一种瞬时相移横向剪切干涉仪，包括在主光轴上依次同心设置的平行偏振分束器2、四分之一波片3、二维矩形光栅4、第一凸透镜5、空间滤波器6、第二凸透镜7、偏振片阵列8和CCD9，CCD9与计算机1相接，其中平行偏振分束器2晶体光轴方向与入射表面之间的夹角为45°，四分之一波片3的快轴方向位于与平行偏振分束器2的晶体光轴方向和主光轴构成的平面成45°角的平面上；空间滤波器6设置于第一凸透镜5的后焦平面和第二凸透镜7的前焦平面上。本发明操作简便、对系统对环境要求降低，同时提高了测量精度。
文档编号G01J9/02GK101788344SQ20101013075
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者刘丙才, 王春慧, 王红军, 田爱玲 申请人:西安工业大学