專利名稱：空間移相菲索球面干涉儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學測量技術領域，特別是一種空間移相菲索球面干涉儀。
背景技術：
菲索干涉儀將參考臂包含在測量臂中，實現(xiàn)了測量光與參考光的共光路干涉而具有很高的測量精度，在光學測量中應用廣泛。菲索干涉儀與空間移相器結合形成的空間移相菲索干涉儀可以實現(xiàn)抗振動測量，降低了對測量環(huán)境的要求，還可以進行波面的實時測量。在先技術[1](參見 Sanjib Chatter jeea, Y. Pawan Kumara, et al. . Measurement of surface figure of plane optical surfaces with polarization phase-shifting Fizeau interferometer. Optics & Laser Technology，39，洸8_274，2007)描述了一種空間移相菲索干涉儀。由光源產生的線偏振光經過濾波、擴束、準直后變成平行光束，它在標準鏡輸出端的參考面上形成兩束光，一束光由于參考面的反射形成線偏振參考光，另一束透過參考面形成測量光。在標準鏡與被測元件之間放置一塊四分之一波片，則測量光經過被測面反射前后兩次經過四分之一波片使其偏振方向旋轉90°，即線偏振測量光的偏振方向與參考光的偏振方向垂直。兩束偏振方向相互垂直的測量光與參考光經過準直后依次通過另一塊四分之一波片、分光器、檢偏器陣列和圖像傳感器可以同時形成具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。在先技術[2](參見曾愛軍，郭小嫻，江曉軍等，同步移相菲索干涉儀.專利號CN 200820151412. 5)描述了一種空間移相菲索干涉儀。該干涉儀在標準鏡的出射面上鍍制雙折射薄膜代替先技術[1]中標準鏡與被測元件之間的四分之一波片來改變測量光的偏振方向。標準鏡與雙折射薄膜的共同界面為參考面，利用它的反射和透射形成偏振方向相互垂直的線偏振測量光與線偏振參考光。參考光與測量光進入包含有四分之一波片的同步移相器后產生具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。上述兩種技術在標準鏡與被測元件之間使用了四分之一波片或等效四分之一波片，而四分之一波片只能使用在平行光束中，故只能實現(xiàn)面形為平面的被測元件的測量，即上述兩種空間移相菲索干涉儀只能是菲索平面干涉儀。參考光和測量光均為線偏振光，其面測量誤差與殘余雙折射成線性關系，故測量精度受分光鏡、準直鏡和標準鏡的殘余雙折射的影響大。在移相器中必須使用四分之一波片，它的延遲量誤差和快軸方位角誤差都會降低測量精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出了一種空間移相菲索球面干涉儀。該空間移相菲索球面干涉儀可以獲得具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。該空間移相菲索球面干涉儀在標準鏡的入射面上鍍有雙折射薄膜，標準鏡的出射面為球面，可以實現(xiàn)球面被測元件的面形測量。該空間移相菲索球面干涉儀采用圓偏振參考光和測量光，減小準直透鏡和標準鏡的殘余雙折射的影響。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測量精度。本發(fā)明的技術解決方案一種空間移相菲索球面干涉儀，特點在于其由準直光源、圓起偏器、聚焦透鏡、光闌、第一分束器、第一準直透鏡、雙折射薄膜型球面標準鏡、第二分束器、第一圖像傳感器、 第二準直透鏡、達曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器和計算機組成，其位置關系是沿所述的準直光源的光束前進方向，依次是所述的圓起偏器、聚焦透鏡、光闌、第一分束器、第一準直透鏡、雙折射薄膜型球面標準鏡，所述的光闌位于所述的聚焦透鏡的后焦點和所述的第一準直透鏡的前焦點。在所述的第一分束器垂直于上述光束的前進方向上放置第二分束器，第二分束器將光束分為兩路，其中一路光被第一圖像傳感器接收，另外一路光經過第二準直透鏡、達曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器與計算機。當待測球面位于所述的雙折射薄膜型球面標準鏡的出射方向上。待測球面的球心與雙折射薄膜型球面標準鏡的焦點重
I=I O所述的雙折射薄膜型球面標準鏡由雙折射薄膜和球面標準鏡組成，球面標準鏡的入射面為平面，出射面為球面。雙折射薄膜鍍在球面標準鏡的入射面上，其相位延遲量為 90°。所述的達曼光柵是二維消零級達曼光柵，它利用衍射效應將一束入射光形成四個光強相等的子光束。所述的檢偏器陣列由四個檢偏器在同一個平面內組合形成，四個檢偏器的透光軸方向分別為0°、45°、90°和135°。與在先技術相比，本發(fā)明的技術效果如下1、本發(fā)明空間移相菲索球面干涉儀，特點是在標準鏡的入射面上鍍有雙折射薄膜，而且該標準鏡的入射面為平面，出射面為球面，在第一分束器的反射光路上，設有第二分束器、第二準直透鏡、達曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器和計算機，在所述的第二分束器的反射光方向設有第一圖像傳感器，以方便待測球面的調節(jié)，所述的計算機便于圖像數(shù)據(jù)處理，本發(fā)明在可以實現(xiàn)對球面被測元件的面形測量。該空間移相菲索球面干涉儀可以獲得具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。該空間移相菲索球面干涉儀采用圓偏振參考光和測量光，減小準直透鏡和標準鏡的殘余雙折射的影響。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測量精度。2、測量光與參考光為圓偏振光，其面形測量誤差與殘余雙折射成平方關系。由于分光鏡、準直鏡和標準鏡的殘余雙折射比較小，故面形測量誤差顯著小于線偏振測量光與線偏振參考光的測量誤差。3、移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測量精度。


圖1為本發(fā)明空間移相菲索球面干涉儀的結構框圖。圖2為本發(fā)明實施例中雙折射薄膜型球面標準鏡的結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明空間移相菲索球面干涉儀的結構圖。由圖1可見，本發(fā)明所述的空間移相菲索球面干涉儀，由準直光源1、圓起偏器2、聚焦透鏡3、光闌4、第一分束器5、第一準直透鏡6、雙折射薄膜型球面標準鏡7、第二分束器8、第一圖像傳感器9、第二準直透鏡10、達曼光柵11、檢偏器陣列12、第二圖像傳感器13與計算機14組成。其位置關系是沿所述的準直光源1的光束前進方向，依次是所述的圓起偏器2、聚焦透鏡3、光闌4、第一分束器5、第一準直透鏡6、雙折射薄膜型球面標準鏡7。所述的光闌4位于所述的聚焦透鏡3的后焦點和所述的第一準直透鏡6的前焦點。在所述的第一分束器5垂直于上述光束的前進方向放置第二分束器8，第二分束器8將光束分為兩路，其中一路光被第一圖像傳感器9接收，另外一路光經過第二準直透鏡10、達曼光柵11、檢偏器陣列12、第二圖像傳感器13與計算機14。待測球面15位于所述的準直光束經過所述的雙折射薄膜型球面標準鏡7的出射方向上，待測球面15的球心與雙折射薄膜型球面標準鏡7的焦點重合。本實施例中所述的雙折射薄膜型球面標準鏡7的結構如圖2所示，由雙折射薄膜701和球面標準鏡702組成，球面標準鏡702的入射面為平面，出射面為球面。雙折射薄膜701鍍制在球面標準鏡702的入射面上，其相位延遲量為90°。所述的達曼光柵11是二維消零級達曼光柵，它利用衍射效應將一束入射光形成四個光強相等的子光束。所述的檢偏器陣列12由四個檢偏器在同一個平面內組合形成，四個檢偏器的透光軸方向分別為0°、45°、90°和135°。本發(fā)明的測量過程如下準直光源1輸出的光束經過圓起偏器2變成圓偏振光，圓偏振光由聚焦透鏡3聚焦在光闌4上進行濾波，濾波后的光束通過第一分束器5、第一準直透鏡6后擴束成平行光束。該平行光束通過雙折射薄膜型球面標準鏡7時，在雙折射薄膜701的前表面上產生兩束光，一束光由雙折射薄膜701的前表面反射形成參考光，另一束光透過雙折射薄膜701和球面標準鏡702形成測量光。測量光由被測面反射后兩次經過雙折射薄膜701，該圓偏振光的旋向產生反轉，測量光與參考光的偏振方向相互垂直。若參考光為右旋圓偏振光，則測量光為左旋圓偏振光。若參考光為左旋圓偏振光，則測量光為右旋圓偏振光。測量光與參考光由第一分束器5反射后進入第二分束器8分成兩路，其中一路光入射到第一圖像傳感器 9。調整待測球面15的位置，使測量光的光斑和參考光的光斑在第一圖像傳感器9上重合，重合時，則待測球面15的球心與所述的雙折射薄膜型球面標準鏡7的焦點重合。此時另一路光經過第二準直透鏡10成為平行光束，該光束進入達曼光柵11后產生四個強度相等的子光束。該四個子光束經過檢偏器陣列12后由第二圖像傳感器13接收， 形成具有一定移相量的四幅移相干涉圖像，并傳輸?shù)接嬎銠C14中進行圖像處理，得到待測球面的面形分布。其圖像處理算法請參見在先技術[2] (James Millerd,Neal Brock, John Hayes, et al. . Pixelated Phase-Mask Dynamic Interferometer. Proceedings of SPIE Vol.5531，2048-314，2004)。
本發(fā)明的最佳實施例的光路結構如圖1所示，其具體結構和參數(shù)敘述如下所述的準直光源1為He-Ne激光器，所述的圓起偏器2為利用方解石晶體和石英晶體制作成的消光比優(yōu)于10_3的圓起偏器，所述的聚焦透鏡3的焦距為15mm，所述的光闌4 的直徑為10 μ m，所述的第一分束器5和第二分束器8均為消偏振分光棱鏡，所述的第一準直透鏡6的焦距為300mm，所述的折射薄膜型球面標準鏡7的結構如圖2所示，雙折射薄膜 701為相位延遲量等于90°的TW2雙折射薄膜，所述的第二準直透鏡10的焦距為20mm，所述的達曼光柵11的柵線寬度為20 μ m、所述的檢偏器陣列12中的四個檢偏器為消光比優(yōu)于 ΙΟ"2的偏振片，所述的第一圖像傳感器9和第二圖像傳感器13均為CXD圖像傳感器。將最佳實施例所述的空間移相菲索球面干涉儀對待測球面15進行面形測量，單次采集可以同時獲得移相量分別為0°、90°、180°、270°的四幅移相干涉圖像，進而得到待測球面的面形分布。
權利要求
1.一種空間移相菲索球面干涉儀，包括準直光源(1)、圓起偏器O)、聚焦透鏡(3)、光闌G)、第一分束器(5)、第一準直透鏡(6)、第一圖像傳感器(9)、第二準直透鏡(10)、達曼光柵(11)、檢偏器陣列(12)、第二圖像傳感器(1 和計算機(14)，其特征是在所述的第一準直透鏡(6)和待測球面(1 之間設有雙折射薄膜型球面標準鏡(7)，其位置關系是沿所述的準直光源(1)發(fā)出的光束前進方向，依次是所述的圓起偏器O)、聚焦透鏡(3)、光闌 G)、第一分束器(5)、第一準直透鏡(6)、雙折射薄膜型球面標準鏡(7)而達到所述的待測球面(1 上，經該待測球面(1 反射后在所述的第一分束器( 的反射光路上，依次是第二分束器(8)、第二準直透鏡(10)、達曼光柵(11)、檢偏器陣列(12)、第二圖像傳感器(11) 和計算機(14)，在所述的第二分束器(8)的反射光方向設有第一圖像傳感器(9)，所述的光闌(4)位于所述的聚焦透鏡(3)的后焦點和所述的第一準直透鏡(6)的前焦點，待測球面 (15)位于所述的準直光束經過所述的雙折射薄膜型球面標準鏡(7)的出射方向上。
2.根據(jù)權利要求1所述的空間移相菲索球面干涉儀，其特征是所述的雙折射薄膜型球面標準鏡(7)由雙折射薄膜和球面標準鏡組成，球面標準鏡的入射面為平面，出射面為球面，所述的雙折射薄膜鍍在球面標準鏡的入射面上，其相位延遲量為90°。
3.根據(jù)權利要求1所述的空間移相菲索球面干涉儀，其特征是所述的達曼光柵(11)是二維消零級達曼光柵，它利用衍射效應將一束入射光形成四個光強相等的子光束。
4.根據(jù)權利要求1所述的空間移相菲索球面干涉儀，其特征是所述的檢偏器陣列(12) 由四個檢偏器在同一個平面內組合形成，四個檢偏器的透光軸方向分別為0°、45°、90° 和 135° 。
全文摘要
一種空間移相菲索球面干涉儀，特點是在標準鏡的入射面上鍍有雙折射薄膜，而且該標準鏡的入射面為平面，出射面為球面，在第一分束器的反射光路上，設有第二分束器、第二準直透鏡、達曼光柵、檢偏器陣列、第二圖像傳感器和計算機，在所述的第二分束器的反射光方向設有第一圖像傳感器，以方便待測球面的調節(jié)，所述的計算機便于圖像數(shù)據(jù)處理，本發(fā)明在可以實現(xiàn)對球面被測元件的面形測量。該空間移相菲索球面干涉儀可以獲得具有一定移相量的多幅移相干涉圖像。該空間移相菲索球面干涉儀采用圓偏振參考光和測量光，減小準直透鏡和標準鏡的殘余雙折射的影響。移相光路中不再使用四分之一波片，提高面形的測量精度。
文檔編號G02B5/30GK102401630SQ20111036317
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權日2011年11月16日
發(fā)明者劉龍海, 徐傲, 方瑞芳, 曾愛軍, 熊超, 陳貝特, 黃惠杰 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所