一种菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置及方法与流程

本发明属于光学检测领域，涉及一种干涉测量装置及方法，特别涉及一种菲索型同步相移干涉测量装置及方法。

背景技术：
干涉测量技术是一种公认的非接触式高精度测量手段，广泛应用于光学元件的面形检测、材料的微小变形、折射率均匀性等一系列包含有光程差概念的测量。相移干涉PSI(Phase-ShiftingInterferometry)测量技术最早由Burning等人提出，采用数字波面相位检测技术,实现了高精度、实时快速的自动化测试,大大扩展了干涉仪的测量功能,提高了测试效率,促进了现代光学制造水平的提高。但是相移干涉测量的一个最大弊端是对振动非常敏感，外界振动和空气扰动都会对测量结果造成很大的误差，这也限制了相移干涉的应用范围。而同步相移干涉测量技术(SimultaneousPhase-ShiftingInterferometry)，则能从根本上避免振动对干涉测量的影响，这使大型光学系统的在线检测成为可能，现已成为光学检测领域热门课题之一。同步相移干涉测量技术基于空间移相，在同一时刻采集三帧以上具有恒定移相步长(一般为90°)的干涉图，这样振动对所有干涉图的影响是相同的，经过算法的相减和相除运算能避免振动对检测结果的影响。现在基于泰曼格林型的分光路同步相移干涉技术研究较多，而菲索型共光路的同步相移干涉测量技术研究很少涉及，主要原因是基于偏光干涉原理的同步相移系统很难在菲索型共光路中实现物光和参考光的正交偏振分离，而泰曼格林型分光路系统则能通过一块儿偏振分光棱镜轻易实现。但是目前来看，市场上的干涉仪主要是菲索型结构，相对于泰曼型分光路结构来说，由于物光和参考光共光路，它们通过了相同的光学元件所以菲索型结构对外界振动和空气扰动有一定的抗干扰能力并且所占空间小易于组装。发展基于菲索型共光路的同步相移干涉测量装置是大势所趋。中国专利《可实时测量的同步相移菲索干涉装置》公开号为CN102580414A,公开日期为2012年8月，该专利利用一片四分之一波片代替标准平晶，使物光和参考光通过共同路径后产生干涉，可实现实时性测量，但是该方法需要一片高质量的四分之一波片，成本较高，且不易实现大口径球面或非球面镜的测量。美国专利《Interferometricsystemwithreducedvibrationsensitivityandrelatedmethod》公开号为：US00265017A1，公开日期为2012年2月，该专利利用一片具有双折射功能的Wollaston棱镜在菲索型光路中实现物光和参考光的正交偏振分离，但是为了实现偏振移相干涉，该专利方法还需再加一片四分之一波片，这增加了系统成本，加大了系统的操作难度。

技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置及方法，解决了同步相移干涉用于共光路干涉系统的难题；同时，用各向同性的旋光晶体可以得到严格的左旋右旋圆偏振光，这样不但避免了同步相移干涉系统中高质量四分之一波片的使用，也使系统中光学元件所存在的残余双折射所造成的相位测量误差大大降低。本发明技术解决方案：一种菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，包括：激光器、半波片、聚焦透镜、空间滤波器、圆偏振光分束器、分光镜、准直透镜、参考镜、小孔光阑、成像透镜、分光移相系统、计算机控制系统和CCD；所述聚焦透镜后焦平面和准直透镜的前焦平面重合；所述空间滤波器位于聚焦透镜的后焦平面处，同时位于准直透镜的前焦平面处；所述小孔光阑位于成像透镜的前焦平面处，且与准直透镜的前焦平面共轭；激光器发出一束线偏振光束，经过半波片后变为一束偏振方向可调的线偏振光；经过聚焦透镜聚焦后由空间滤波器滤波后通过一个圆偏振光分束器变为两束具有一定分束角的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，二者看成是在准直透镜的前焦平面处两个共轭的正交偏振点光源p,s所发出的光，其中p光源发出左旋圆偏振光，s光源发出右旋圆偏振光，通过一分光镜透射和准直透镜后，光束被扩束准直，然后左旋右旋圆偏振光都经由参考镜反射和被测镜反射再次经过准直透镜后被分光镜反射至小孔光阑处，将形成四个光斑Rp,Rs,Tp,Ts，Rp是左旋圆偏振光经参考镜反射又经由准直透镜聚焦和分光镜反射后形成的光斑；Rs是右旋圆偏振光经参考镜反射又经由准直透镜聚焦和分光镜反射后形成的光斑；Tp是左旋圆偏振光经被测镜反射又经由准直透镜聚焦和分光镜反射后形成的光斑；Ts是右旋圆偏振光经被测镜反射又经由准直透镜聚焦和分光镜反射后形成的光斑；通过调节参考镜和被测镜的相对位置可以使光斑Rp,Ts或者Rs,Tp重合，其它光斑则被滤掉，这样就得到了一对正交偏振的参考光和测试光；然后经过成像透镜后进入分光移相系统实现分光移相，通过计算机控制系统控制CCD同步采集大于三幅的相移干涉图并用相移算法恢复出被测镜的三维面形分布，实现同步相移干涉测量。所述圆偏振光分束器是一个由两片旋向相反且各向同性的直角棱镜型旋光晶体胶合而成的长方体。按一定的几何形态胶合而成。所述分束角为14-16分。所述聚焦透镜、准直透镜和成像透镜为消球差透镜。所述分光移相系统采用棱镜分光偏振片移相，或光栅分光偏振片移相，或微偏振分光阵列分光移相。所述半波片的初始快轴方向为水平方向，通过旋转半波片改变输出线偏振光的偏振方向，进而改变圆偏振分光器发出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光强。所述正交偏振点光源p,s看成传统菲索干涉光路中的两个光源，它们位于准直透镜的前焦平面处且以光轴为轴成对称分布；二者之间的距离d由圆偏振光分束器的分束角θ和准直透镜的焦距f决定:d≈tan(θ)·f。所述参考镜的前表面应有4－6°楔角，以保证前表面反射的光并没有进入光路。一种菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量方法，实现步骤如下：(1)调整参考镜和被测镜的相对位置，使小孔光阑处的四个光斑中的一对Rp,Ts或者Rs,Tp重合，另外一对光斑则被滤掉；这时得到一对正交偏振的测试光和参考光，用琼斯矩阵可表示为：其中Er代表参考光琼斯矢量，是参考光振幅，它是一左旋圆偏振光；Et代表测试光的琼斯矢量，是测试光振幅，它为一右旋圆偏振光；φ为参考光和测试光之间的相位差；(2)由计算机控制系统控制CCD同步采集大于三幅的相移干涉图，并记录；分光系统把复合光波(其中E表示复合光波琼斯矢量)分成大于3束(比如4束)完全相等的子复合光，然后分别经由四个偏振方向与水平方向夹角依次为θ＝0°，45°，90°，135°的偏振片，其琼斯矢量：(其中θ表示偏振片的透振方向与水平方向的夹角，A(θ)表示透振方向与水平方向的夹角为θ的偏振片的琼斯矢量)发生干涉，干涉光矢量可表示为：(其中E'表示参考光和测试光发生干涉后的琼斯矢量)该出射光为一个与偏振方向一致的线偏振光，其光强为：(其中I表示参考光和测试光发生干涉后的光强值)由计算机控制系统(13)控制CCD(14)同步采集四幅相移干涉图，光强分别为：(其中I1表示CCD采集的第一幅干涉图的光强，I2表示CCD采集的第二幅干涉图(相移90°)的光强，I3表示CCD采集的第三幅干涉图(相移180°)的光强，I4表示CCD采集的第四幅干涉图(相移270°)的光强)用四步相移算法，恢复出相位：(其中表示由四步相移算法恢复出的被测件的包裹相位)解包裹后得到真实的相位分布，再利用公式：可恢复出被测镜的实际面形。(其中φ(x,y)表示解包裹后被测件的真实相位，h(x,y)表示被测件的面形分布)本发明的原理：利用晶体的旋光效应，用一圆偏振光分束器把线偏振光分成两束夹角很小的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。这样两束具有一定离散角且偏振态正交的光束就可以都通过参考件和被测件，通过调整参考镜和被测镜的相对位置就可以得到一对含有参考镜信息和被测镜信息的正交偏振光，也就实现了物光和参考光的正交偏振分离，最后通过同步分光移相系统后实现具有固定相移的四幅干涉图同步采集，采用相移算法恢复出被测镜面形信息。传统的同步相移干涉测量系统一般都需要采用四分之一波片把正交偏振的线偏振光转化为左旋和右旋圆偏振光以实现相移干涉，而本发明则避免了四分之一波片的使用，不但简化了系统结构也降低了成本，更有效的解决了同步相移干涉用于菲索型共光路结构的难题。本发明与现有技术相比的优点在于：(1)相对于干涉测量而言：本发明将同步相移技术和菲索干涉方法相结合，解决了传统干涉仪稳定性差、不能实现动态测量的技术难题。(2)相对于泰曼型同步相移干涉测量而言：本发明采用菲索型结构不仅可以简化系统，更可以降低测量过程中振动的影响，提高了测量精度。(3)相对于其他菲索型同步相移干涉测量系统而言：①本发明不需要高质量四分之一波片就能实现偏光干涉，节省了成本，提高了系统紧凑型。②系统中任一晶体元件存在应力双折射都会造成共光路中不同偏振态的参考光和测试光之间产生相位误差，这对测量结果会产生很大的影响。研究表明：对于线偏振光来说，测量结果误差与应力双折射误差呈线性关系，而对于圆偏振光来说却成指数关系。这样，本发明采用的圆偏振光分束器所生成的左右旋圆偏振光用于干涉系统分别作为物光和参考光相对于Wollaston棱镜生成的正交线偏振光来说，对光路中的应力双折射对测量结果带来的误差显著降低，且当应力双折射所带来的相位误差不是很大时其对测量结果的影响甚至可以忽略。这是本发明区别与现有技术的主要创新点。附图说明图1为检测装置构成示意图；图2为两正交偏振态的虚光源生成示意图；图3为一种棱镜分光偏振片移相的分光移相系统示意图；图4为四个偏振片的偏振方向示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。如图1所示，本发明实施例的一种菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置包括：激光器1、半波片2、聚焦透镜3、空间滤波器4、圆偏振光分束器5、非偏振分光棱镜6、准直透镜7、参考镜8、被测镜9小孔光阑10、成像透镜11、分光移相系统12、计算机控制系统13、CCD相机14。本发明所包含的部件功能如下：1、激光器1，波长在可见光范围，输出一束线偏振光且功率稳定。2、聚焦透镜3，准直透镜7，成像透镜11要求为消球差透镜。且聚焦透镜3后焦平面和准直透镜7的前焦平面重合。成像透镜11的前焦平面位于小孔光阑10处，且为准直透镜7前焦平面的共轭位置。3、空间滤波器4，直径在10um-50um,用来对照明光进行空间滤波。位于聚焦透镜3的后焦平面和准直透镜7的前焦平面处。4、圆偏振光分束器5由旋向相反且各向同性的旋光晶体胶合而成，如NaBrO3晶体和NaClO3晶体，结构如图2所示。它能实现左旋圆偏振光和右旋圆偏振光约15分的分离。5、分光棱镜6，是非偏振分光棱镜，用于偏振光束的反射和透射。6、小孔光阑10，可以调节大小，使其能够透过具有正交偏振态的物光和参考光，其余的光斑被遮挡。位于成像透镜11的前焦平面处，且与准直透镜7的前焦平面共轭。7、分光移相系统12采用棱镜分光，偏振片移相系统，如图3所示：分光系统由3个性能一致的非偏振分光棱镜(NPBS)胶合组成，移相系统是由四个偏振方向依次为0゜，45゜，90゜，135゜的偏振片组成，由计算机控制系统13控制CCD14同步工作，通过一次曝光实现四幅具有固定相位差的干涉图同步采集。8、本发明所提出光路如图1所示：激光器1发出一束线偏振光束，经过半波片2后变为一束偏振方向可调的线偏振光，聚焦透镜3聚焦后由空间滤波器4滤波，通过一个圆偏振光分束器5，变为两束具有一定夹角的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。二者可以看成是在准直透镜7的前焦平面处两个共轭的正交偏振点光源p,s所发出的光。通过一非偏振分光棱镜6和准直透镜7后，光束被扩束准直，然后左旋右旋圆偏振光都经由参考镜8的后表面反射和被测镜前表面反射，再次经过准直透镜7后被非偏振分光棱镜6反射至小孔光阑10处，形成四个光斑Rp,Rs,Tp,Ts。通过调节参考镜8和被测镜9的相对位置可以使光斑Rp,Ts或者Rs,Tp重合，其它光斑则被滤掉。然后经过成像透镜12后进入分光移相系统12实现同步分光移相。最后通过计算机控制系统13控制CCD14同步采集大于三幅的相移干涉图并用相移算法恢复出被测镜的三维面形分布，实现同步相移干涉测量。假设在进入分光移相系统之前，测试光为左旋圆偏振光，其琼斯矩阵为：(其中为测试光振幅，Et为测试光琼斯矢量，i为虚数单位)参考光为右旋圆偏振光，琼斯矩阵为：(其中Er为参考光琼斯矢量，为参考光和测试光之间的相位差)则复合光束琼斯矩阵为：假设偏振片的偏振方向与水平夹角为θ，则其琼斯矩阵为：这样当复合光束经过第一个偏振片后(θ＝0)，其光矢量为：(其中r1为非偏振分光棱镜1(NPBS1)的反射系数，t2为非偏振分光棱镜2(NPBS2)的透过系数)这样CCD1上所采集到的干涉图光强为：同理，其它三个CCD上的光强分别为：(其中r2为非偏振分光棱镜2(NPBS2)的反射系数，t1为非偏振分光棱镜1(NPBS1)的透过系数，r3为非偏振分光棱镜3(NPBS3)的反射系数，t3为非偏振分光棱镜3(NPBS3)的透过系数)由于三个非偏振分光棱镜(NPBS)的性能一致，所以可以使：r1r2＝r1t2＝t1r3＝t1t3用四步相移算法得到相位分布为：解包裹后得到真实的相位分布，再利用公式：可恢复出被测镜的实际面形分布h(x,y)。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。