專利名稱：移相橫向剪切干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光學(xué)干涉測量，是一種移相橫向剪切干涉儀，特別是一種等光 程干涉、剪切量連續(xù)可調(diào)的移相橫向剪切干涉儀。
背景技術(shù)：
橫向剪切干涉法是將待測波前與其復(fù)制波前進(jìn)行干涉，避免了采用標(biāo)準(zhǔn)波前時 所引入的系統(tǒng)誤差，具有簡單的結(jié)構(gòu)、低的環(huán)境要求與高的測量精度，以其獨到的 優(yōu)勢在波前測量中發(fā)揮著越來越重要的作用。在橫向剪切干涉儀中引入移相技術(shù)形 成移相橫向剪切干涉儀可以進(jìn)一步提高其性能，如提高靈敏度和測量精度、實現(xiàn)干 涉圖的自動化處理、給出波前三維形貌等。在先技術(shù)[l](參見劉曉軍，章明，李柱."共路移相剪切干涉測量儀的研制".華中 理工大學(xué)學(xué)報，vol.27, No.3， 16-18， 1999)描述了一種移相橫向剪切干涉儀，它利用 晶體的雙折射效應(yīng)來產(chǎn)生剪切量，采用偏振移相原理進(jìn)行移相。若采用等光程的組 合式雙折射晶體，它可以是等光程干涉的移相剪切干涉儀。若通過旋轉(zhuǎn)雙折射晶體 來改變其剪切量，則它不能保持等光程干涉條件。因此，該移相橫向剪切干涉儀不 能同時獲得等光程干涉和剪切量連續(xù)可調(diào)的特征。在先技術(shù)[2](參見DeVon W. Griffin. "Phase-shifting interferometer". Optics Letter， Vol.26, No.3, 140-141,2001)描述了采用單剪切元件的移相橫詢剪切干涉儀，它以夾 在平板之間的液晶延遲器作為移相元件，通過改變控制電壓產(chǎn)生連續(xù)可變的移相。 該移相剪切干涉儀不需要精密對準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)較為簡單，但它為非等光程干涉的移相剪 切干涉儀，且其橫向剪切量不能調(diào)整。在先技術(shù)[3](參見Jae Bong Song, Yun Woo Lee, In Won Lee, Yong-Hee Lee. "Simple phase-shifting method in a wedge-plate lateral-shearing interferometer". Applied Optics, Vol43, No.20, 3989-39929, 2004)中描述了一種單楔板作為剪切元件 的移相橫向剪切干涉儀，它通過在水平面內(nèi)平行移動楔板產(chǎn)生移相，移相精度較高。 但其剪切量不可調(diào)，同時也是一種非等光程干涉的移相剪切干涉儀。在先技術(shù)[4](參見Sanjib Chatterjee. "Measurement of single-pass wavefront distortion of optical components with phase shifting Jamin interferometer". OpticalEngineering, Vol.43, No.4, 872-8799, 2004)描述了一種基于雅敏干涉儀的移相橫向剪 切干涉儀，它將雙楔板中的一塊楔板進(jìn)行微量移動以產(chǎn)生移相，但是該干涉儀的剪 切量同樣不可調(diào)，且在移相過程中它只是近似等光程相干。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種移相橫向剪切干涉 儀。該移相橫向剪切干涉儀為等光程干涉光學(xué)系統(tǒng)，非常適合于短相干長度光束的 波前測量，剪切量可以連續(xù)改變，能滿足不同光束口徑和測量精度要求的波前檢測。本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種移相橫向剪切干涉儀，由第一起偏器、輸入平行平板、第二起偏器、第三 起偏器、第一剪切平板、第二剪切平板、輸出平行平板、四分之一波片、檢偏器、 CCD相機和計算機組成，其位置關(guān)系如下第一起偏器處于輸入平行平板的一側(cè)且在入射光路中，入射光束與所述的輸入平行平板成45°，所述的輸出平行平板與所述的輸入平行平板的材料與厚度相同且平行放置，在所述的輸入平行平板和輸出平行平板之間，在所述的輸入平行平板的第 一介質(zhì)面的反射光路中設(shè)置第二起偏器和第一剪切平板，在所述的輸入平行平板的 第二介質(zhì)面的反射光路中設(shè)置第三起偏器和第二剪切平板，所述的第一剪切平板和第二剪切平板的材料與厚度相同且傾斜方向相反地對稱放置，該第一剪切平板和第 二剪切平板具有繞公共軸同時進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)，所述的第二起偏器和第三起偏 器的材料與厚度相同，在所述的輸出平行平板的出射光路中依次是四分之一波片、檢偏器和CCD相機，該CCD相機的輸出端與所述計算機的輸入端相連。所述的第一起偏器具有連續(xù)改變其透光軸方向的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所述的檢偏器具有連續(xù)改變其透光軸方向的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。所述的輸入平行平板的入射面處于水平面內(nèi)，所述的第二起偏器與第三起偏器的透光軸相互垂直，且與輸入平行平板的入射面平行或者垂直。所述的四分之一波片的快軸方向與水平面成45°。所述的四分之一波片的快軸方向與第二起偏器、第三起偏器的透光軸方向分別成45°角。所述的第一剪切平板和第二剪切平板可以是光學(xué)平行平板，則它們的光學(xué)材料 和厚度相同。所述的第一剪切平板和第二剪切平板若是光學(xué)楔形平板，則它們的光學(xué)材料、厚度與楔角相同。所述的第一剪切平板和第二剪切平板的傾斜方向相反，可以繞垂直于入射面的公共軸同時反向旋轉(zhuǎn)以改變剪切量。所述的第一起偏器、第二起偏器、第三起偏器和檢偏器可以是偏光棱鏡，或者偏振片，或者其它線偏振光產(chǎn)生器。所述的輸入平行平板與輸出平行平板的光學(xué)材料相同且厚度相等。 所述的四分之一波片可以是雙折射晶體波片或者棱體型相位延遲器。 所述的計算機為具有移相剪切干涉條紋處理軟件的計算機。 本實用新型的技術(shù)效果如下1、本實用新型移相橫向剪切干涉儀，移相技術(shù)的引入使剪切干涉儀能進(jìn)一步提 高其性能，如提高靈敏度和測量精度、實現(xiàn)干涉圖的自動化處理、給出波前三維形 貌等。2、 可適用于不同光束口徑和測量精度要求的波前檢測。本實用新型所述移相橫 向剪切干涉儀的第一剪切平板和第二剪切平板可以繞公共軸同時反向旋轉(zhuǎn)，使剪切 量連續(xù)可調(diào)。剪切量的變化可以滿足不同光束口徑和測量精度的要求。3、 能對短相干長度的光束進(jìn)行波前檢測。本實用新型所述移相橫向剪切干涉儀 中為等光程干涉光學(xué)系統(tǒng)，能對短相干長度的光束甚至白光進(jìn)行波前檢測。


圖1為本實用新型所述移相橫向剪切干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型在被測光束口徑為0>=10rnm，剪切量為2.5mm時，當(dāng)檢偏器 依次旋轉(zhuǎn)45°時獲得的移相干涉圖。圖3為本實用新型在被測光束口徑為O=10mm，剪切量為4mm時，當(dāng)檢偏器 依次旋轉(zhuǎn)45。時獲得的移相干涉圖。
具體實施方式
首先參閱圖1，圖1是本實用新型移相橫向剪切干涉儀實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 由圖可見，本實用新型所述移相橫向剪切干涉儀由第一起偏器l，輸入平行平板2，、 第二起偏器3、第三起偏器4、第一剪切平板5、第二剪切平板6、輸出平行平板7、 四分之一波片8、檢偏器9、 CCD相機10和計算機處理系統(tǒng)11組成。第一起偏器1處于輸入平行平板2的一側(cè)且在其入射光路中。入射光束與輸入 平行平板2成45。。輸入平行平板2與輸出平行平板7的材料與厚度相同且平行放置。第一剪切平板5與第二剪切平板6的材料與厚度相同且對稱放置于輸入平行平板2 與輸出平行平板7的之間，第一剪切平板5和第二剪切平板6的傾斜方向相反，可 以繞公共軸同時進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，如圖l中箭頭所示方向。第二起偏器3和第三起偏 器4的材料與厚度相同，均處于輸入平行平板2之后，第一剪切平板5和第二剪切 平板6之前。四分之一波片8和檢偏器9置于輸出平行平板7之后且在其出射光路 中。在檢偏器9后放置CCD相機10，該CCD相機的輸出端與所述處理計算機系統(tǒng) 11的輸入端相連。第一起偏器1可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)以改變其透光軸方向。輸入平行平板2的入射面處 于水平面內(nèi)。第二起偏器3、第三起偏器4的透光軸分別平行、垂直于水平面。四 分之一波片8的快軸方向與水平面成45°角。檢偏器9可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)以改變其透光 軸方向。本實用新型的工作過程如下待測光束經(jīng)過第一檢偏器1后成為線偏振光，以45°入射角入射在輸入平行平 板2上，經(jīng)過輸入平行平板2的第一介質(zhì)表面21和第二介質(zhì)表面22的反射后分成 兩路，兩路光束分別經(jīng)過偏振方向相互垂直的第二起偏器3和第三起偏器4后形成 偏振方向相互垂直的線偏振光，然后分別經(jīng)過傾斜方向相反的第一剪切平板5和第 二剪切平板6后產(chǎn)生橫向剪切，最后兩路光束經(jīng)過輸出平行平板7的第一介質(zhì)表面 71和第二介質(zhì)表面72的反射后進(jìn)行合束，合束后的光束經(jīng)過四分之一波片8和檢 偏器9后產(chǎn)生干涉，分步旋轉(zhuǎn)檢偏器9形成移相干涉圖，圖像由CCD10采集并輸入 計算機ll進(jìn)行圖像處理。對應(yīng)于干涉圖像中的一點，通過第二起偏器3與第三起偏器4的兩路光束的波 前可以用復(fù)振幅表示為Aexp(Pa)和Bexp(jeb)，其中A、 B分別為兩路光束的振幅， ea和9b分別為兩路光束的相位。不妨將檢偏器9的透光軸方向與四分之一波片8的 快軸方向之間的夾角即方位角表示為f則對應(yīng)的干涉光強可以表示為<formula>formula see original document page 7</formula> (1)在上述干涉光強計算公式中，2-為旋轉(zhuǎn)檢偏器9時產(chǎn)生的附加相位，因此當(dāng)檢偏器 9旋轉(zhuǎn)時就可以進(jìn)行移相調(diào)節(jié)，其移相變化量為檢偏器9的方位角的兩倍。在旋轉(zhuǎn) 檢偏器9的過程中采集一系列移相干涉圖像，計算機11利用干涉圖像處理軟件可以 求解出干涉圖像中每一點對應(yīng)相位差，經(jīng)計算機11進(jìn)一步處理即可獲得高精度的波圖1是本實用新型最佳實施例的結(jié)構(gòu)圖，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)敘述如下 輸入平行平板2與輸出平行平板7的尺寸均為155mmx70mmx40mm，其材料均 為K9玻璃。第一剪切平板5與第二剪切平板6均為光學(xué)楔形平板，其厚度均為40mm， 其材料均為K9玻璃。第一剪切平板5與第二剪切平板6可在0 30°范圍內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)， 可實現(xiàn)剪切量的連續(xù)可調(diào)。第一起偏器l、第二起偏器3與第三起偏器4均為消光 比為100:1的偏振片，其口徑為OM0mm。檢偏器9為消光比為100:1的偏振片，其 口徑為①50mm。四分之一波片8是相位延遲量精度為X/30Q(其中X為632.8nm)的石 英波片，其口徑為cD50mm。本實施例對口徑為O10mm、波長為632.8nm的待測光束進(jìn)行波前檢測，其干涉 圖像由CCD相機10接收。在本實施例中，當(dāng)剪切量為2.5mm，檢偏器9的透光軸 方向與四分之一波片8的快軸方向相同即小=0°時，待測光束進(jìn)入本實施例后由CCD 相機10采集的干涉圖像如圖2(a)所示。檢偏器9依次轉(zhuǎn)動45°使+依次為45°、 90°、 135°時，即逐次移相90。時，CCD相機IO采集的干涉圖像如圖2(b) (d)所示。當(dāng)剪 切量為4mm時，檢偏器9的透光軸與四分之一波片8的快軸之間的夾角為0。、 45°、 90°、 135。時，可得到如圖3(a) (d)所示的移相干涉圖。從圖2、 3可以明顯地看出干 涉條紋各自在四幅干涉圖像中依次發(fā)生了位移，可見本實施例不僅剪切量可調(diào)，而 且能很好地實現(xiàn)橫向剪切干涉圖像的移相。
權(quán)利要求1. 一種移相橫向剪切干涉儀，其特征在于由第一起偏器(1)、輸入平行平板(2)、第二起偏器(3)、第三起偏器(4)、第一剪切平板(5)、第二剪切平板(6)、輸出平行平板(7)、四分之一波片(8)、檢偏器(9)、CCD相機(10)和計算機(11)組成，其位置關(guān)系如下第一起偏器(1)處于輸入平行平板(2)的一側(cè)且在其入射光路中，入射光束與所述的輸入平行平板(2)成45°，所述的輸出平行平板(7)與所述的輸入平行平板(2)的材料與厚度相同且平行放置，在所述的輸入平行平板(2)和輸出平行平板(7)之間，在所述的輸入平行平板(2)的第一介質(zhì)面(21)的反射光路中設(shè)置第二起偏器(3)和第一剪切平板(5)，在所述的輸入平行平板(2)的第二介質(zhì)面(22)的反射光路中設(shè)置第三起偏器(4)和第二剪切平板(6)，所述的第一剪切平板(5)和第二剪切平板(6)傾斜方向相反地對稱放置，該第一剪切平板(5)和第二剪切平板(6)具有繞公共軸同時進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)，所述的第二起偏器(3)和第三起偏器(4)的材料與厚度相同，在所述的輸出平行平板(7)的出射光路中依次是四分之一波片(8)、檢偏器(9)和CCD相機(10)，該CCD相機(10)的輸出端與所述計算機(11)的輸入端相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的移相橫向剪切干涉儀，其特征在于所述的第一起偏器 (1)具有連續(xù)改變其透光軸方向的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所述的檢偏器(9)具有連續(xù)改變其透光軸方向的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相橫向剪切干涉儀，其特征在于所述的輸入平行平 板(2)的入射面處于水平面內(nèi)，所述的第二起偏器(3)和第三起偏器(4)的透光 軸相互垂直，且與輸入平行平板(2)的入射面平行或者垂直，所述的四分之一波片(8)的快軸方向與水平面成45。。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相橫向剪切干涉儀，其特征在于所述的第一剪切平 板(5)和第二剪切平板(6)為光學(xué)平行平板，所述的第一剪切平板和第二剪切平 板若是光學(xué)平行平板，則它們的光學(xué)材料和厚度相同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的移相橫向剪切干涉儀，其特征在于所述的第一剪切平 板(5)和第二剪切平板(6)為光學(xué)楔形平板，則它們的光學(xué)材料、厚度與楔角相 同，所述的第一剪切平板(5)和第二剪切平板(6)的傾斜方向相反。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相橫向剪切千涉儀，其特征在于所述的第一起偏器 (1)、第二起偏器(3)、第三起偏器(4)和檢偏器(9)是偏光棱鏡，或者偏振片，或者其它線偏振光產(chǎn)生器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相橫向剪切干涉儀，其特征在于所述的四分之一波 片(8)是雙折射晶體波片，或者棱體型相位延遲器。
專利摘要一種移相橫向剪切干涉儀，由第一起偏器、輸入平行平板、第二起偏器、第三起偏器、第一剪切平板、第二剪切平板、輸出平行平板、四分之一波片、檢偏器、CCD相機和計算機組成，該移相橫向剪切干涉儀為等光程干涉光學(xué)系統(tǒng)，剪切量連續(xù)可調(diào)，非常適合于短相干長度光束的波前測量，能滿足不同光束口徑和測量精度要求的波前檢測。
文檔編號G01J9/02GK201096526SQ20072007397
公開日2008年8月6日 申請日期2007年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月22日
發(fā)明者劉立人, 煜 周, 孫建鋒, 王利娟 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所