專利名稱：可實時測量的同步相移斐索干涉裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種可實時測量物體表面三維形貌的同步相移斐索干涉裝置。
背景技術(shù)：
定量測量物體表面的三維形貌或表面平整度，對提高光學加工精度和加工質(zhì)量具有重要意義。傳統(tǒng)的光學干涉方法，如邁克爾遜干涉儀、泰曼格林干涉儀等，為物體表面形貌測量提供了高精度、快速、無損的測試手段。然而，在這些干涉儀中，物光和參考光在空間上歷經(jīng)了不同的路徑，所以環(huán)境振動對測量結(jié)果影響較大。斐索干涉儀，具有物參共路的光學結(jié)構(gòu)，可以克服傳統(tǒng)干涉儀對環(huán)境振動敏感的缺點。在斐索干涉儀中，平整度很高的玻璃平板和樣品表面平行放置，照明光在兩者表面反射回來的光束分別被用作參考光和物光。參考光和物光發(fā)生等厚干涉，形成的干涉圖樣反映了被測樣品表面的三維形貌。斐索干涉儀具有以下優(yōu)點1、測量精度高，因為大部分光學元件都放置在干涉單元(玻璃平板和被測樣品)之外，不會帶來附加相位畸變。2、對環(huán)境振動不敏感，因為物光和參考光經(jīng)歷完全相同的光路元件，環(huán)境的擾動不影響兩者之間的光程差。3、可以測量較大面積的樣品。德國萊卡公司的Heil和埃及國家標準研究所的Abdelsalam將離軸光路應用于斐索干涉，從得到的單幅載頻干涉圖樣中可以再現(xiàn)出被測物體的表面形貌。然而，由于目前 CCD和CMOS圖像傳感器的空間分辨率有限，限制了干涉儀中物參光的夾角不能太大，使得再現(xiàn)像分辨率不高。為了能充分利用CCD的空間帶寬積，提高成像的空間分辨能力，眾多學者在斐索干涉儀中采用同軸光路(即物參光的夾角為O度)。通過沿軸向移動參考玻璃平板 /樣品，或通過調(diào)諧照明光的中心波長來記錄多幅相移干涉圖樣，再現(xiàn)出被測樣品的振幅或相位分布。此外，日本新瀉大學的Sasaki教授通過周期性地移動斐索干涉儀中的玻璃平板，得到一系列相移干涉圖樣，然后，利用這些干涉圖樣來消除被測樣品的零級像、共軛像， 最后得到清晰的原始像。德國愛爾蘭根大學的Schwider教授將具有光頻梳的照明光應用于斐索干涉，該方法通過改變光頻梳的中心波長得到了一系列相移干涉圖樣，實現(xiàn)了對玻璃平板平整度的測量。總之，這些方法采用同軸光路充分利用CCD的空間帶寬積，具有較高的空間分辨能力。然而，相移操作需要耗費時間，因此不能用于測量運動物體或動態(tài)過程。在保證再現(xiàn)像空間分辨率的前提下，為了能實現(xiàn)測量的實時性，國內(nèi)外眾多學者開展了同步相移技術(shù)研究。同步相移又稱瞬時相移，是指在同一時間得到多幅相移干涉圖樣的方法或技術(shù)。目前常用的同步相移技術(shù)可以分為三類1、利用多個CCD同時記錄不同相移量的多幅干涉圖樣。該方法保證了 CCD的視場和分辨率被充分利用。然而，多個CCD 采集數(shù)據(jù)的時間統(tǒng)一性較難保證，且成本較高。2、利用偏振掩模板來覆蓋CCD的靶面，使得相鄰像素記錄的干涉圖樣之間具有不同的相移，再通過對整個干涉圖樣的重新抽樣實現(xiàn)同步相移。該方法雖然可以充分利用CCD的視場，但是由于每相鄰2 4個像素作為一相移單元，限制了該方法的空間分辨率。3、基于平行分光的同步相移方法。利用沃拉斯頓棱鏡在頻譜分光，分開的光束被透鏡準直成平行光后，結(jié)合偏振相移實現(xiàn)同步相移。然而，這些同步相移技術(shù)，大都要求物光和參考光具有正交的偏振方向。對于斐索干涉裝置來說，物光和參考光基本上經(jīng)歷了完全相同的光學元件，使得兩者具有正交偏振具有較大困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種能對物體表面形貌進行實時高精度測量的同步相移斐索干涉裝置。本發(fā)明將同步相移技術(shù)和斐索干涉方法相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)干涉儀穩(wěn)定性差、測量精度低、不能實時測量等技術(shù)問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為該可實時測量的同步相移斐索干涉裝置包括照明單元、干涉單元、同步相移單元， 干涉單元包括設置在光路上的非偏振分光棱鏡、第一 1/4波片和樣品，樣品平行于1/4波片的表面放置；第一 1/4波片的主軸方向和照明光的偏振方向成45°角；同步相移單兀包括依次設置在非偏振分光棱鏡反射光路方向的第二 1/4波片、平行分光單元、濾波單元、偏振單兀以及CCD相機；所述第二 1/4波片的主軸方向分別與物光和參考光偏振方向成45° 角。上述平行分光單元以采用包括平行放置在第二 1/4波片后的第一光柵和第二光柵的結(jié)構(gòu)形式為佳；上述濾波單元以采用包括由第三透鏡和第四透鏡組成的望遠鏡系統(tǒng)， 以及設置在第三透鏡后焦面上的光闌結(jié)構(gòu)形式為佳；偏振單元一般選擇放置在第四透鏡后的偏振掩膜板。上述偏振掩模板以米用由偏振方向依次成45°角的4片偏振片排列組成的2X2 陣列為佳。上述第一光柵和第二光柵是振幅型光柵或相位型光柵，第一光柵和第二光柵的周期相同。上述第一光柵和第二光柵以采用相位階為π的二進制二維相位光柵為佳。上照明單元包括激光器，由第一透鏡和第二透鏡組成的擴束準直系統(tǒng)，第一透鏡后焦平面上設置有針孔濾波器。上述第一 1/4波片的表面平整度要求小于1/50波長。本發(fā)明具有以下優(yōu)點I、本發(fā)明將同步相移技術(shù)和斐索干涉相結(jié)合，通過一次曝光得到四幅相移干涉圖樣，在保證高空間分辨率的前提下，實現(xiàn)了測量的實時性。2、本發(fā)明采用1/4波片代替?zhèn)鹘y(tǒng)斐索干涉儀中的玻璃平板，使得物光和參考光具有正交的偏振方向，在實現(xiàn)同步相移前提下保持裝置結(jié)構(gòu)的緊湊性。3、本發(fā)明具有物參共路的特點，物光和參考光經(jīng)歷了相同的光學元件，所以該裝置對環(huán)境振動不敏感。4、本發(fā)明采用同軸干涉光路，充分利用了 CCD的空間帶寬積，與離軸光路相比具有高的空間分辨率。


圖I為本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)為偏振掩膜板(14)的偏振方向結(jié)構(gòu)局部圖，(b)為相應的四幅相移干涉圖樣。圖3為對一個平凸透鏡樣品表面獲得的四幅同步相移干涉圖樣。圖4為數(shù)字再現(xiàn)的平凸透鏡表面的三維分布圖。圖5為對一個楔形玻璃板樣品表面獲得的四幅同步相移干涉圖樣。圖6為數(shù)字再現(xiàn)的楔形玻璃板表面的三維分布圖。附圖標記如下I-激光器,2-第一透鏡,3-針孔濾波器,4-第二透鏡,5-分光棱鏡,6_第一 1/4波片，7-樣品，8-第二 1/4波片，9-第一光柵，10-第二光柵，11-第三透鏡，12-光闌，13-第四透鏡，14-偏振掩模板,15-CXD相機。
具體實施例方式本發(fā)明所包含的部件功能如下I、激光器1，波長在可見光范圍，具有線偏振，輸出激光功率穩(wěn)定，用于照明待測樣品O2、第一透鏡2、第二透鏡4、第三透鏡11、第四透鏡12，要求為消球差透鏡。用于激光擴束或光學成像。3、針孔濾波器3，直徑為10 μ m 50 μ m，用來對照明光進行空間濾波，形成高質(zhì)量的平行平面波照明光。4、分光棱鏡5,為非偏振分光棱鏡,用于透射和反射光束。5、第一 1/4波片6，要求為高表面平整度的波片，其主軸方向與照明光的偏振方向成45°角。該1/4波片上表面用于反射照明光形成參考光，透過光經(jīng)被測樣品表面反射回來再次通過波片時作為物光，此時物光和參考光形成了正交的線偏振方向。6、第二 1/4波片8,其主軸方向分別與物光和參考光成45°角，使得物光和參考光分別形成正交的圓偏振光，用于后續(xù)形成同步偏振相移。7、第一光柵9和第二光柵10，均為二維光柵，可以為振幅光柵也可以為相位光柵。 為了提高光強利用率，最好選用二進制相位光柵(相位階為η的Ronchi相位光柵)。這兩個光柵通過兩次衍射，將物光和參考光分成沿軸向傳播且相互平行的四束光，用于后續(xù)形成四幅同步相移。8、光闌12，孔徑大小適宜，既能保證沿軸向傳播光束的頻譜，又可以濾掉沿其它方向傳播的高級衍射光束。9、偏振掩模板14，由偏振方向依次成45°角的四塊偏振片組成。這四塊偏振片分別處于四束平行的物光和參考光光路上，形成相移量分別為O、π/2、π、3π/2的四幅同步相移干涉圖樣。10、C⑶相機15，一般為黑白C⑶相機，具有合適灰度階、像素尺寸和像素數(shù)量。本發(fā)明所提出的光路如圖I所示。激光器I發(fā)出的線偏振(如豎直偏振)激光被一個由第一透鏡2和第二透鏡4組成的第一望遠鏡單元擴束準直成平行光。放置在第一透鏡2后焦面上的針孔濾波器3對光束進行空間濾波，用以形成平行平面波照明光束。經(jīng)擴束準直后的照明光經(jīng)過分光棱鏡5垂直入射在第一個1/4波片6上。一部分照明光經(jīng)該1/4 波片上表面反射沿原路反回，被用作參考光；另外一部分光穿過該1/4波片后照明樣品。由于該1/4波片的主軸方向與照明光的偏振方向成45°，所以經(jīng)過該1/4波片后的照明光變成了圓偏振光。該照明光經(jīng)樣品表面發(fā)射后沿原路返回，被用作物光。當圓偏振的物光再次經(jīng)過1/4波片6后變成線偏振光,其偏振方向與參考光偏振方向垂直。相互垂直的線偏振物光和參考光，經(jīng)過非偏振分光棱鏡5的反射后，同時沿軸向方向傳播。在分光棱鏡5之后，第二 1/4波片8被放置在物光和參考光的光路中，該1/4波片的主軸方向分別與物光和參考光的偏振方向各成45°。因此,物光和參考光經(jīng)過該1/4波片后變成了正交的圓偏振光。周期均為P的第一光柵9和第二光柵10平行放置在1/4波片8之后，兩者之間的距離為d。當正交圓偏振態(tài)的物光和參考光經(jīng)第一光柵9后,被分成傳播方向不同的多束衍射光。由于光柵9為Ronchi光柵,它在X和y方向上的± I級衍射光具有很高的衍射效率，而其它衍射級衍射效率很低，所以可以僅考慮±1級衍射光。方便起見，將入射光(物光或參考光)經(jīng)光柵9衍射后在X方向上+1級衍射光記為“a”，-I級衍射光記為“b”。光束“a”的傳播方向與光軸方向的夾角為Θ I = arcsin( λ/P) = θ，光束“b”的傳播方向與光軸方向的夾角為Θ 2 = -arcsin(A/P) = - Θ。光束“a”和“b”經(jīng)過第二光柵 1衍射后， 光束“a”的-I級衍射光和光束“b”的+1級衍射光重新沿軸向方向傳播。根據(jù)幾何關系可知兩平行光束之間的距離為2dtan Θ。因此，通過調(diào)節(jié)兩光柵之間的軸向距離d可以方便地調(diào)節(jié)兩平行光束之間的距離。同理，對于二維光柵9和10來說，y方向上被分開的兩平行光束之間的距離也為2dtan Θ。因此，通過調(diào)節(jié)兩光柵之間的軸向距離d，可以方便地調(diào)節(jié)四個平行光束之間的距離。除了這四個平行光束之外，這兩個光柵還產(chǎn)生了其它高級衍射光，它們沿不同的離軸方向傳播，最后將被光闌12濾除掉。在第二光柵10之后，由透鏡11和透鏡13組成的望遠鏡系統(tǒng)將被測物體沿著這四個光束分別成像到CCD上。由于沿軸向傳播的四個光束的頻譜分別在頻譜面的中心，而光柵其它衍射級出現(xiàn)在遠離頻譜中心位置，在透鏡11的后焦面頻譜中心位置放置了一個圓形光闌12，該光闌讓沿軸向方向傳播的四光束的頻譜通過，而擋掉光柵其它衍射級對應的頻譜。為了實現(xiàn)同步相移，在CCD前放置了一個偏振掩膜板14，如圖2(a)所示。該偏振掩膜板由四個偏振方向依次成45°的偏振片組成，并且這些偏振片分別置于四個平行光束之上。假設第i個偏振片的偏振方向與水平方向的夾角為CtiQ = 1，2，3，4)，那么它們的透過率函數(shù)可以表示為
COS
sm a, cosa,
sm當正交圓偏振的物光和參考光經(jīng)過偏振方向與水平方向成α
的復振幅分別變?yōu)?br> ⑴
i的偏振片后，它們
S\x,y) = T；
長a η
Ti
,exp(/>0)
exp(i(PR)
icosa,=A0 exp|>+00 -at)]IISinai
expD+O^； + a,)]
cosa,
sma
(2)
這里k0 (X，y)和Ar (x，y)分別表示物光和參考光的振幅分布，卿(1,乂)和妳(·^少)分別表不物光和參考光的相位分布。從(2)式可知，正交圓偏振的物光和參考光經(jīng)過偏振片后，變成了偏振方向相同的線偏振光，兩者在CCD平面上發(fā)生干涉。CCD記錄的干涉圖樣的強度分布為
權(quán)利要求
1.一種可實時測量的同步相移斐索干涉裝置，包括照明單元、干涉單元、同步相移單元，其特征在于所述干涉單元包括設置在光路上的非偏振分光棱鏡、第一 1/4波片和樣品，樣品平行于1/4波片的表面放置；所述第一 1/4波片的主軸方向和照明光的偏振方向成45°角；所述同步相移單元包括依次設置在非偏振分光棱鏡反射光路方向的第二 1/4波片、平行分光單元、濾波單元、偏振單元以及CCD相機；所述第二 1/4波片的主軸方向分別與物光和參考光偏振方向成45°角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的同步相移斐索干涉裝置，其特征在于所述平行分光單元包括平行放置在第二 1/4波片后的第一光柵和第二光柵；所述濾波單元包括由第三透鏡和第四透鏡組成的望遠鏡系統(tǒng)，以及設置在第三透鏡后焦面上的光闌；所述偏振單元是放置在第四透鏡后的偏振掩膜板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同步相移斐索干涉裝置，其特征在于所述偏振掩模板由偏振方向依次成45°角的4片偏振片排列組成的2X2陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同步相移斐索干涉裝置，其特征在于所述第一光柵和第二光柵是振幅型光柵或相位型光柵，所述第一光柵和第二光柵的周期相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的同步相移斐索干涉裝置，其特征在于所述第一光柵和第二光柵是相位階為π的二進制二維相位光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一所述的同步相移斐索干涉裝置，其特征在于所述照明單元包括激光器，由第一透鏡和第二透鏡組成的擴束準直系統(tǒng)，第一透鏡后焦平面上設置有針孔濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的同步相移斐索干涉裝置，其特征在于所述第一1/4波片的表面平整度要求小于1/50波長。
全文摘要
本發(fā)明目的是提供一種能對物體表面形貌進行實時高精度測量的同步相移斐索干涉裝置。本發(fā)明將同步相移技術(shù)和斐索干涉方法相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)干涉儀穩(wěn)定性差、測量精度低、不能實時測量等技術(shù)問題。該可實時測量的同步相移斐索干涉裝置包括照明單元、干涉單元、同步相移單元。本發(fā)明采用同軸干涉光路，充分利用了CCD的空間帶寬積，與離軸光路相比具有更高的空間分辨率；本發(fā)明采用1/4波片代替?zhèn)鹘y(tǒng)斐索干涉儀中的玻璃平板，使得物光和參考光具有正交的偏振方向，在實現(xiàn)同步相移前提下保持裝置結(jié)構(gòu)的緊湊性；本發(fā)明通過一次曝光可以得到四幅相移干涉圖樣，在保證高空間分辨率的前提下，實現(xiàn)了測量的實時性。
文檔編號G01B9/02GK102589414SQ20121003955
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者嚴紹輝, 葉彤, 姚保利, 楊延龍, 郜鵬, 閔俊偉, 雷銘 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所