[发明专利]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

权利要求书

1.一种菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于包括：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)、分光镜(6)、准直透镜(7)、参考镜(8)、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)和CCD(14)；所述聚焦透镜(3)后焦平面和准直透镜(7)的前焦平面重合；所述空间滤波器(4)位于聚焦透镜(3)的后焦平面处，同时位于准直透镜(7)的前焦平面处；所述小孔光阑(10)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；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；经过聚焦透镜(3)聚焦后由空间滤波器(4)滤波后通过一个圆偏振光分束器(5)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(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，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(6)透射和准直透镜(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)反射和被测镜(9)反射再次经过准直透镜(7)后被分光镜(6)反射至小孔光阑(10)处，将形成四个光斑Rp,Rs,Tp,Ts，其中Rp是左旋圆偏振光经参考镜(8)反射又经由准直透镜(7)聚焦和分光镜(6)反射后形成的光斑；Rs是右旋圆偏振光经参考镜(8)反射又经由准直透镜(7)聚焦和分光镜(6)反射后形成的光斑；Tp是左旋圆偏振光经被测镜(9)反射又经由准直透镜(7)聚焦和分光镜(6)反射后形成的光斑；Ts是右旋圆偏振光经被测镜(9)反射又经由准直透镜(7)聚焦和分光镜(6)反射后形成的光斑；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，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(11)后进入分光移相系统(12)实现分光移相，通过计算机控制系统(13)控制CCD(14)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。

2.根据权利要求1所述的菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于：所述圆偏振光分束器(5)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。

3.根据权利要求1所述的菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于：所述分束角为14-16分。

4.根据权利要求1所述的菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于：所述聚焦透镜(3)、准直透镜(7)和成像透镜(11)为消球差透镜。

5.根据权利要求1所述的菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于：所述分光移相系统(12)可以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。

6.根据权利要求1所述的菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于：所述半波片(2)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。

7.根据权利要求1所述的菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于：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(5)的分束角θ和准直透镜(7)的焦距f决定:d≈tan(θ)·f。

8.根据权利要求1所述的菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量装置，其特征在于：所述参考镜(8)的前表面应有2－4°楔角，以保证前表面反射的光并没有进入光路。

9.一种菲索型准共光路结构的同步相移干涉测量方法，其特征在于：采用权利要求1所述的测量装置，实现步骤如下：

(1)调整参考镜(8)和被测镜(9)的相对位置，使小孔光阑(10)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：

Er=a2-i1,Et=b21-iexp(iφ)]]>

其中E_r代表参考光琼斯矢量，是参考光振幅，它是一左旋圆偏振光；E_t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(13)控制CCD(14)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：

E=Er+Et=12b·exp(iφ)-i·aa-b·i·exp(iφ)]]>

其中E表示复合光波琼斯矢量分成大于3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：

A(θ)=cos2θcosθsinθcosθsinθsin2θ]]>

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：

h(x,y)=λ4·π·φ(x,y)]]>

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。