專(zhuān)利名稱(chēng)：對(duì)于平板表面形貌的干涉測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種對(duì)于平板表面形貌的干涉測(cè)量裝置，特別是涉及到測(cè)量透明平板表面形貌的相位共軛干涉的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在測(cè)量透明平板的表面形貌時(shí)，除了被測(cè)前外表面的反射光外，還存在透明平板后內(nèi)表面的反射光。因此，干涉信號(hào)中除了被測(cè)前外表面反射光與參考光Gc所產(chǎn)生的干涉信號(hào)外，還包括了被測(cè)前外表面反射光與透明平板后內(nèi)表面反射光所產(chǎn)生的干涉信號(hào)，以及后內(nèi)表面反射光與參考光Gc所產(chǎn)生的干涉信號(hào)，這些噪音使得難以正確得到透明平板被測(cè)前外表面的表面形貌。為解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)的Peter de Groot提出使用波長(zhǎng)可調(diào)半導(dǎo)體激光移相干涉儀實(shí)現(xiàn)了透明平板外表面形貌的測(cè)量(參見(jiàn)在先技術(shù)[1]Peter de Groot，“Measurement of transparent plates with wavelength-tuned phase-shiftinginterferometry，”Appl.Opt.2001，39(16)，2658-2663)。其干涉儀如圖1所示。激光光源7為半導(dǎo)體激光器，它的波長(zhǎng)由驅(qū)動(dòng)電源8改變激光光源7的注入電流來(lái)調(diào)制。激光光源7發(fā)出的光束由第一分束器3反射，反射光經(jīng)過(guò)第二透鏡4后準(zhǔn)直為平行光束；平行光束透過(guò)參考平板5照在透明平板6被測(cè)前外表面601和后內(nèi)表面602上。它們的反射光透過(guò)同光軸依次放置的參考平板5、第二透鏡4、第一分束器3、第一透鏡2后成像到二維光電探測(cè)器1上，二維光電探測(cè)器1將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器10輸送到計(jì)算機(jī)9上，計(jì)算機(jī)根據(jù)移相算法求出透明平板6被測(cè)前外表面601的表面形貌。
由于透明平板6后內(nèi)表面602反射光的存在，圖1中二維光電探測(cè)器1探測(cè)到的干涉信號(hào)可以表示為I=2R[32-cos(θ)-cos(φ)+cos(θ+φ)]+O(R2),---(1)]]>θ＝2k(h1-h0)+2kL，(2)φ＝2kn(h2-h1)+2knT， (3)其中，θ和φ為參考變量；I為干涉信號(hào)強(qiáng)度；k為波矢；h1，h2和h3分別是參考平板5后外表面，透明平板6被測(cè)前外表面601和后內(nèi)表面602的表面形貌；L為參考平板5后外表面與透明平板6前外表面601之間的距離；T為透明平板6的厚度；n為透明平板6的折射率；R為光在參考平板5的前外表面，透明平板6前外表面601和后內(nèi)表面602的反射率。O(R2)表示省略包含R的高次因子的項(xiàng)。
在沒(méi)有透明平板6后內(nèi)表面602反射光存在的情況下，干涉信號(hào)I只包含直流分量和一次諧波。否則，將存在高次諧波分量，這會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差。在先技術(shù)[1]中定義變量Γ＝nT/L，隨著Γ的不同，高次諧波的分布也將不同。在先技術(shù)[1]認(rèn)為Γ取值在2到5范圍內(nèi)比較合適。在先技術(shù)[1]使用以下的移相算法求出被測(cè)表面的相位分布 s＝(-3 -4 012 21 16 0 -16 -21 -12 0 4 3)，(5)c＝(0 -4 -12 -12 0 16 24 16 0 -12 -12 -4 0)，(6)式中，為透明平板6被測(cè)前外表面601的相位分布；Ij表示移項(xiàng)進(jìn)行到第j步時(shí)二維光電探測(cè)器1探測(cè)到的干涉信號(hào)強(qiáng)度；公式(4)中的s(j)和c(j)相應(yīng)的值從公式(5)和(6)中第j項(xiàng)得到。
透明平板6被測(cè)前外表面601的表面形貌h2可由下式求得 式中λ為激光光源7的輸出波長(zhǎng)。在先技術(shù)[1]的缺點(diǎn)在于外界環(huán)境的振動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型為克服在先技術(shù)[1]中所存在的缺點(diǎn)，提供一種使用波長(zhǎng)可調(diào)半導(dǎo)體激光器作光源測(cè)量透明平板表面形貌的相位共軛干涉儀，包括帶有驅(qū)動(dòng)電源8的激光光源7，激光光源7發(fā)射的激光束經(jīng)第三透鏡11和第二透鏡4準(zhǔn)直為平行激光束射到待測(cè)透明平板6上，在第三透鏡11和第二透鏡4之間的光路上置有第一分束器3；由物光Gw和參考光Gc產(chǎn)生的干涉光束經(jīng)第一透鏡2會(huì)聚在光電探測(cè)器1的接收面上，光電探測(cè)器1的輸出經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器10輸進(jìn)計(jì)算機(jī)9里；所說(shuō)的物光Gw是由待測(cè)透明平板6反射回來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)第二透鏡4和第一分束器3的反射后，再透過(guò)第四透鏡12、第二分束器13、第三分束器14和第五透鏡15聚焦于光折變晶體16內(nèi)，由光折變晶體16返回的光束再透過(guò)第五透鏡15至第三分束器14上；所說(shuō)的參考光Gc是由待測(cè)透明平板6反射回來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)第二透鏡4和第一分束器3的反射后，再透過(guò)第四透鏡12射到第二分束器13上，由第二分束器13反射的光束經(jīng)過(guò)置于平移臺(tái)21上光程差調(diào)節(jié)器22內(nèi)的反射鏡20的反射，再透過(guò)光程差調(diào)節(jié)器22內(nèi)的第七透鏡19和第六透鏡18后經(jīng)第二反射鏡17的反射至第三分束器14上，與上述物光Gw相遇產(chǎn)生干涉光束射向第一透鏡2。
如上所述的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括帶有驅(qū)動(dòng)電源8的激光光源7發(fā)出的光束由第三透鏡11和第二透鏡4準(zhǔn)直為平行光束，并照在待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601和后內(nèi)表面602上。待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601由第二透鏡4和第四透鏡12成像于第四透鏡12和第二分束器13之間的像面A上。待測(cè)透明平板6的反射光束被第一分束器3反射。該反射光透過(guò)第四透鏡12后變?yōu)槠叫泄馐?，再由第二分束?3分束。從第二分束器13透射的光束(物光Gw)經(jīng)過(guò)第三分束器14和第五透鏡15會(huì)聚后照在光折變晶體16上。從第二分束器13反射的光束(參考光Gc)經(jīng)第一反射鏡20、第七透鏡19、第六透鏡18和第二反射鏡17后透過(guò)第三分束器14。待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601由第二透鏡4，第四透鏡12，第五透鏡15，光折變晶體16和第一透鏡2成像于二維光電探測(cè)器1上。待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601由第二透鏡4，第四透鏡12，第七透鏡19，第六透鏡18和第一透鏡2也成像于二維光電探測(cè)器1上。通過(guò)調(diào)節(jié)光程差調(diào)節(jié)器22改變物光Gw與參考光Gc之間的光程差L，使得待測(cè)透明平板6厚度T與其折射率n的乘積約為此光程差L的不小于2的整數(shù)倍。光程差調(diào)節(jié)器22由微平移臺(tái)21以及固定在它上面的第一反射鏡20，第二反射鏡17，第七透鏡19，和第六透鏡18組成。二維光電探測(cè)器1將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器10被計(jì)算機(jī)9收集并處理。
上面所說(shuō)的激光光源7為波長(zhǎng)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器，或者是波長(zhǎng)可調(diào)的固體激光器，或者是波長(zhǎng)可調(diào)的氣體激光器。
所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)電源8提供直流信號(hào)給激光光源7。
所說(shuō)的分束器3，13和14是指能夠?qū)⑷肷涔獍捶止獗?透射率與反射率之比)分成兩束光的分光元件。如分光棱鏡、或一面鍍有析光膜的平行平板等。第一分束器3，第二分束器13，第三分束器14的分光比分別為1∶1，7∶3和3∶7。
所說(shuō)的光折變晶體16是能產(chǎn)生相位共軛光的晶體，產(chǎn)生的相位共軛光與入射光功率之比約為60％。相位共軛光是與入射光波在相位(即波陣面)及偏振態(tài)上互為時(shí)間反演的光波。光折變晶體可以是鈮酸鋰(LiNbO3)晶體，或者是鈦酸鋇(BaTiO3)晶體，或者是鈮酸鍶鋇(KNSBN)晶體等。
所說(shuō)的光電探測(cè)器1是能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的二維探測(cè)器，如二維電荷耦合器(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)探測(cè)器。
所說(shuō)的平移臺(tái)21為能手動(dòng)或自動(dòng)實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)移動(dòng)的平臺(tái)。
具體的描述是設(shè)待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601某點(diǎn)相位為，由于外界振動(dòng)將導(dǎo)致該點(diǎn)相位為+Δ，其中Δ為外界振動(dòng)引起的誤差。由于第二透鏡4，第四透鏡12，第七透鏡19，第六透鏡18和第一透鏡2的成像作用，參考光Gc成像到二維光電探測(cè)器1上，其相位為+Δ。物光+Δ射入光折變晶體16中，由于光折變晶體16的特性，其產(chǎn)生的相位共軛光的相位為-+Δ。因此，對(duì)應(yīng)于上面所說(shuō)的待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601上相位為的點(diǎn)的物光Gw和參考光Gc的干涉信號(hào)的相位為(+Δ)-(-+Δ)＝2。顯然，外界振動(dòng)引起的誤差Δ被消除了。
計(jì)算機(jī)9采集到干涉信號(hào)I后，按下面17步移相算法計(jì)算出 s＝(0 sinπ/8 sinπ/4 sin3π/8 1 sin5π/8 sin3π/4 sin7π/8 0sin9π/8 sin5π/4 sin11π/8 -1 sin13π/8 sin7π/4 sin15π/8 0)，(9)c＝(-1/2-cosπ/8-cosπ/4-cos3π/8 0 -cos5π/8-cos3π/4 -cos7π/8 1-cos9π/8-cos5π/4-cos11π/8 0 -cos13π/8-cos7π/4-cos15π/8 -1/2)，(10)其中Ij表示移項(xiàng)進(jìn)行到第j步時(shí)，二維光電探測(cè)器1探測(cè)到的干涉信號(hào)強(qiáng)度；公式(8)中的s(j)和c(j)相應(yīng)的值從公式(9)和(10)中第j項(xiàng)可得。
待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601上相位為的點(diǎn)對(duì)應(yīng)表面高度h2可由下式求得 本實(shí)用新型與在先技術(shù)[1]相比采用了相位共軛技術(shù)，在物光Gw的光路上置有光折變晶體16，使得干涉儀對(duì)外界振動(dòng)不敏感，降低了由于外界振動(dòng)引起的測(cè)量誤差。相位的測(cè)量精度達(dá)到0.01rad是較容易實(shí)現(xiàn)的。若采用常用的波長(zhǎng)λ為785nm的半導(dǎo)體激光器，那么表面高度h2的測(cè)量精度為0.3nm。若相位的測(cè)量精度提高到0.001rad，那么表面高度h2的測(cè)量精度可以提高到0.03nm。而且，由公式(7)和(11)的對(duì)比可知，本實(shí)用新型與在先技術(shù)[1]相比，測(cè)量靈敏度提高了一倍。


圖1為在先技術(shù)[1]的裝置示意圖；圖2為本實(shí)用新型的對(duì)于平板表面形貌的干涉測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖3為具體實(shí)施方式
中二維電荷耦合器的光電探測(cè)器探測(cè)的干涉信號(hào)強(qiáng)度分布圖。
圖4為具體實(shí)施方式
中計(jì)算機(jī)9計(jì)算出的待測(cè)透明平板6的被測(cè)前外表面601的表面形貌圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示的結(jié)構(gòu)，其中，激光光源7采用波長(zhǎng)為785nm的半導(dǎo)體激光器。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源8改變半導(dǎo)體激光器的注入電流。激光光源7發(fā)出的光束經(jīng)第三透鏡11，第一分束器3和第二透鏡4后準(zhǔn)直為平行光束照射在待測(cè)透明平板6被測(cè)前外表面601和后內(nèi)表面602上。待測(cè)透明平板6的厚度T≈6厘米，折射率n≈1.5的玻璃平板。待測(cè)透明平板6的被測(cè)前外表面601由第二透鏡4和第四透鏡12成像于第四透鏡12和第二分束器13之間的像面A上。第一分束器3的分束比為1∶1。待測(cè)透明平板6的被測(cè)前外表面601的反射光由第一分束器3反射后照在第二分束器13上，有70％的光束透過(guò)，30％的光束反射，即第二分束器13的分束比為7∶3。透射光同光軸地依次通過(guò)第三分束器14和第五透鏡15，第三分束器14的分束比為3∶7；第五透鏡15將光束聚焦于摻鈰鈦酸鋇晶體(CeBaTiO3)的光折變晶體16中，CeBaTiO3晶體產(chǎn)生相位共軛光的反射率約為60％。相位共軛光沿光折變晶體16內(nèi)的入射光原路返回。待測(cè)透明平板6的被測(cè)前外表面601由第二透鏡4，第四透鏡12，第五透鏡15，光折變晶體16和第一透鏡2成像于二維電荷耦合器的光電探測(cè)器1上。該被測(cè)前外表面601同時(shí)由第二透鏡4，第四透鏡12，第七透鏡19，第六透鏡18，和第一透鏡2成像于二維CCD的光電探測(cè)器1上。第一反射鏡20，第七透鏡19、第六透鏡18和第二反射鏡17固定于平移臺(tái)21上。平移臺(tái)21移動(dòng)量的分辨率為微米量級(jí)。第一反射鏡20，第七透鏡19、第六透鏡18、第二反射鏡17和平移臺(tái)21構(gòu)成光程差調(diào)節(jié)器22。調(diào)節(jié)光程差調(diào)節(jié)器22使物光Gw與參考光Gc之間的光程差L＝4.5厘米，此時(shí)變量Γ為2。干涉信號(hào)(如圖3所示)由二維CCD的光電探測(cè)器1轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器10后由計(jì)算機(jī)9采集。計(jì)算機(jī)9按公式(8)，(9)，(10)和(11)計(jì)算出待測(cè)透明平板6的被測(cè)前外表面601的表面形貌，其結(jié)果如圖4所示，它的峰谷值(最大值與最小值之差)為69.96nm。
權(quán)利要求1.一種對(duì)于平板表面形貌的干涉測(cè)量裝置，包括<1>帶有驅(qū)動(dòng)電源(8)的激光光源(7)，由激光光源(7)發(fā)射的激光束經(jīng)第三透鏡(11)和第二透鏡(4)準(zhǔn)直為平行激光束射到待測(cè)透明平板(6)上，在第三透鏡(11)和第二透鏡(4)之間的光路上置有第一分束器(3)；<2>由物光(Gw)和參考光(Gc)產(chǎn)生的干涉光束經(jīng)第一透鏡(2)會(huì)聚在光電探測(cè)器(1)的接收面上，光電探測(cè)器(1)的輸出經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(10)輸進(jìn)計(jì)算機(jī)(9)里；其特征在于<3>所說(shuō)的物光(Gw)是由待測(cè)透明平板(6)反射回來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)第二透鏡(4)和第一分束器(3)的反射后，再透過(guò)第四透鏡(12)、第二分束器(13)、第三分束器(14)和第五透鏡(15)聚焦于光折變晶體(16)內(nèi)，由光折變晶體(16)返回的光束再透過(guò)第五透鏡(15)至第三分束器(14)上；<4>所說(shuō)的參考光(Gc)是由待測(cè)透明平板(6)反射回來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)第二透鏡(4)和第一分束器(3)的反射后，再透過(guò)第四透鏡(12)射到第二分束器(13)上，由第二分束器(13)反射的光束經(jīng)過(guò)置于平移臺(tái)(21)上光程差調(diào)節(jié)器(22)內(nèi)的反射鏡(20)的反射，再透過(guò)光程差調(diào)節(jié)器(22)內(nèi)的第七透鏡(19)和第六透鏡(18)后經(jīng)第二反射鏡(17)的反射至第三分束器(14)上，與上述物光(Gw)相遇產(chǎn)生干涉光束射向第一透鏡(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)于平板表面形貌的干涉測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的第一分束器(3)的分光比為1∶1，第二分束器(13)的分光比為7∶3，第三分束器(14)的分光比為3∶7。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)于平板表面形貌的干涉測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的光折變晶體(16)是能夠產(chǎn)生相位共軛光的鈮酸鋰晶體，或是鈦酸鋇晶體，或是鈮酸鍶鋇晶體。
專(zhuān)利摘要一種對(duì)于平板表面形貌的干涉測(cè)量裝置，包括產(chǎn)生干涉光束的物光和參考光。物光是由激光光源發(fā)射的激光束經(jīng)第三透鏡和第二透鏡的平行光束射到待測(cè)透明平板上后反射回來(lái)的光束經(jīng)第二透鏡和第一分束器的反射，透過(guò)第四透鏡、第二分束器、第三分束器、第五透鏡至光折變晶體，由光折變晶體返回再經(jīng)第五透鏡至第三分束器。參考光是由第二分束器反射的光束經(jīng)第一反射鏡、第七透鏡、第六透鏡和第二反射鏡至第三分束器與物光相遇產(chǎn)生干涉。與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型在物光的光路上置有光折變晶體產(chǎn)生共軛光，使得測(cè)量靈敏度提高了一倍。
文檔編號(hào)G01B11/24GK2577238SQ02260949
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2002年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月24日
發(fā)明者錢(qián)鋒, 王向朝, 王學(xué)鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所