[发明专利]光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种移相干涉测量装置及方法，具体涉及一种光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法，用于小量程、高精度的位移测量以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

移相干涉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.Bruning于1974年提出，其将同步相位探测技术引入到光学干涉测量技术当中，利用CCD采集具有不同移相量的干涉图像，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涉图像。此后，在J.H.Bruning提出的移相干涉原理的基础上衍生出了三通道、四通道同步移相干涉原理等方法与装置。

多通道同步移相测量可以实现同时采集多幅干涉图像，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涉测量抗震技术(左芬,陈磊,徐春生.基于二维光栅分光的同步移相干涉测量技术.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即可采集四幅干涉图，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，干涉图的对比度较低；另外需要对干涉图像进行条纹解算，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涉检测的方法和装置(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涉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

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这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。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

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涉测量装置及方法，以至少解决现有的同步移相干涉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涉光强，排除了干涉图像对比度低、以及条纹解算复杂等对测量的影响。该装置即可以用来测量微小的距离变化，也可以用来对物体表面形貌进行检测。

本发明的光栅分光式同步移相干涉测量装置，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、第三1/4波片、收集透镜、四象限探测器和计算机；

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涉装置；

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三1/4波片、收集透镜、四象限光强探测器组成的光强采集部分，采集的干涉光强信号输入计算机。