[发明专利]使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置

说明书

本发明公开了一种使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，包括沿光路依次设置的测试光路、4f系统光路、分光光路和移相光路。测试光路包括共光轴依次设置的激光器、扩束系统和被测样品，获得被测信息；4f系统光路包括两组分别位于干涉系统两臂的傅里叶透镜和反射镜，线偏振小孔衍射板设置在两个傅里叶透镜的共同焦点处，获得参考光和测试光；分光光路包括λ/4波片和三个分光棱镜组，将参考光和测试光等光程地分为四束；移相光路包括共光轴依次设置的缩束系统、偏振阵列和探测器，将光线缩束后用探测器接收，形成四幅干涉图像。本发明利用小孔形成球面波，测量精度高，并且为共光路系统，结构紧凑，抗振性好。

技术领域

本发明涉及光干涉计量测试领域，特别是一种使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置。

背景技术

点衍射干涉仪（Point Diffraction Interferometer，PDI）是Smartt在1972年提出的，其基本原理为带有被测信息的会聚波通过一个直径约为数个波长（小于艾里斑直径）的小孔之后，会发生衍射，形成一个近似标准的球面波，可作为干涉测试中的参考光，用来代替传统干涉仪中由标准球面镜产生的参考球面波。

移相干涉测量技术是指通过对干涉场的调制产生移相，再由所采集到的若干幅移相干涉图像利用一定算法，恢复待测物理量的一项测量技术。利用移相技术，可以通过干涉图之间简单的点对点计算来复原相位，不需要定位条纹中心，也不需要利用插值等算法拟合相位，因此移相干涉技术显著提高了干涉测量的精度和自动化程度。移相方式可以分为时域移相和空域移相。相对于时域移相，空域移相（即同步移相）的干涉测量技术可以很好的减轻环境振动和空气扰动对干涉测量的影响，提高测量的准确性和稳定性。

在先前的研究中，Robert M. Neal和James C. Wyant提出了一种基于偏振移相的点衍射干涉测量装置（Robert M. Neal and James C. Wyant, Polarization phase-shifting point-diffraction interferometer, Appl. Opt. 45, 3463-3476 (2006)），该装置利用偏振方法来分开参考光和测试光，具有结构紧凑、易于装调的优点。该装置中对点衍射板进行了重新设计，可使参考光和测试光具有正交的偏振态，用线偏振器移相。不过该装置的偏振移相并不是同时产生的，特别是高速测量中会产生较大误差。

在先前的研究中，Daodang Wang等人提出了一种利用光纤实现点衍射干涉的测量方法（Daodang Wang, Xixi Chen, Yangbo Xu, Fumin Wang, Ming Kong, Jun Zhao, andBaowu Zhang, High-NA fiber point-diffraction interferometer for three-dimensional coordinate measurement, Opt. Express 22, 25550-25559 (2014)），该方法将参考光和测试光耦合进光纤中，并通过光纤出射参考波面与测试波面相干涉获得干涉图像。该装置优点在于光纤在光纤中传输可以有效减少环境振动和空气扰动的影响，但该方法的移相需要通过放置在被测镜后面的PZT实现，因此会产生较大的移相误差，且无法实现高速测量。

在先前的研究中，Natan T. Shaked提出了一种基于点衍射干涉仪的相位显微镜（Natan T. Shaked, Quantitative phase microscopy of biological samples usinga portable interferometer, Opt. Lett. 37, 2016-2018 (2012)）。该方法的干涉结构是一个基于迈克尔逊干涉仪的4f系统，因此参考光与测试光相互分开。相对于共光路的干涉系统，该方法容易受到环境振动和空气扰动的影响，出现测量误差。

发明内容