專利名稱：具有一個微反射鏡的干涉儀及其中的濾光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光束測試系統(tǒng)，特別是涉及一種用于測試某一光束波陣面性質(zhì)的具有一個微反射鏡的干涉儀，以及在該系統(tǒng)中的濾光方法。
許多現(xiàn)有系統(tǒng)可以用來從被測光源光束中分離出一束參考光束。在諸如干涉度量等應(yīng)用中這種參考光束很有用。一些系統(tǒng)通過針孔，即一個很小的開口，從被測光源發(fā)出的光束中產(chǎn)生參考光束。從初始光源光束中產(chǎn)生的參考光束與初始光源光束具有相同的波長和固定的相位關(guān)系。通常，由針孔提供的參考光束相對地避免了源光束中的象差效果。眾所周知，當置于象差光束光路上的針孔足夠小時，可以產(chǎn)生相對純凈的光束，因為此時由于象差所產(chǎn)生的能量大部分不能通過。
一些現(xiàn)有的干涉儀系統(tǒng)已采用光束擴張器來消除參考光束中的象差。“A Phase Measuring Radial shear Interferometer forMeasuring the Wavefronts of Compact Disc Laser Pickups”B.E.Truax，Procedings of SPIE--The International Societyfor Optical Engineering，Vol，661(1986)，74(“Truax”)中描述了一種現(xiàn)有干涉儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)中干涉儀位于激光束光源的輸出端。分束器將源光束分離成測試光束和參考光束。一個小孔與光束擴張器一起用來消除準備作參考用的光束中的象差。
這些小孔/光束擴張器系統(tǒng)通常接收準直光束輸入并輸出準直光束。在這些系統(tǒng)中，小孔將經(jīng)過它的光束的象差能量過濾掉，這些象差能量離光束中心越遠就成比例地越大。所得到的變窄的過濾后光束隨后被擴張以恢復(fù)到源光束的寬度。
如所述，這些系統(tǒng)通常接收一束準直的光束輸入。由于光束是準直的，因此不象聚焦光束那樣能量集中于中心。在10％小孔-10X光束擴張器系統(tǒng)中，小孔直徑是光束的十分之一。這樣，小孔的面積約為源光束截面積的百分之一。當這種10％小孔系統(tǒng)應(yīng)用于準直光束的典型情況時，光束的絕大部分能量不能通過光圈。這種大的能量損失給該系統(tǒng)能夠測量的光源功率設(shè)定了下限。
在Truax所描述的系統(tǒng)中，從光束擴張器返回的測試光束和參考光束在分束器處合并，并且通過一系列透鏡組和反光鏡，在攝象機攝象管處形成干涉圖樣。對干涉圖樣分析后得到的數(shù)據(jù)反映了源光束對產(chǎn)生理想波陣面光束的偏差。
Truax所描述系統(tǒng)的缺點是為了對系統(tǒng)各元件和光源的對光和安置進行檢查和調(diào)整，干涉儀必須重新安排成與測試狀態(tài)不同的配置。例如，在Truax所述系統(tǒng)中，需要滑入一個反射鏡以擋住在測試時沿法向照射到攝象機的光束。來自光源的光束聚焦至針孔所處面的中心。一部分會聚光束被該面反射并由準直的透鏡組引導(dǎo)至滑動反光鏡反射到攝象機。
在測試過程中，用一個發(fā)光二極管從反方向照射針孔，然后對系統(tǒng)各元件進行調(diào)整和對光，這樣針孔的后照明像便覆蓋了由被測源產(chǎn)生的會聚點像。當對光完成后，滑動反光鏡滑出光路，干涉儀重新形成測試配置。
在對光操作時改變測試配置具有增加系統(tǒng)復(fù)雜性以及在將系統(tǒng)配置成測試狀態(tài)時不能進行對光的缺點。
本發(fā)明的一個目的是提供一種濾光器，可以在提供用于對光觀測目的的第二光束的同時提供相對消除了象差的第一光束。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有微反射鏡的干涉儀，用于產(chǎn)生相對消除了源光束中象差的參考光束。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種干涉儀，在對光操作過程中該干涉儀的配置不需改變。
用于產(chǎn)生相對消除了源光束中象差的參考光束的具有微反射鏡的干涉儀可以滿足這些及其他目的。干涉儀用于產(chǎn)生和探測一個干涉圖樣并輸出給干涉圖樣分析器。本發(fā)明所述干涉儀從被測光源接收源光束輸入。所述干涉儀提供一個分束器，用來將源光束分離成測試光束和參考光束。所述干涉儀在測試光路上放置一個反射鏡，用于向分束器反射測試光束。該反射鏡可以相對于測試光束作縱向移動，用于根據(jù)參考光束位相對測試光束位相進行改變。
一個放置于參考光束光路上的微反光鏡向分束器反射一部分參考光束。在參考光路分束器與微反射鏡之間的聚焦裝置，例如一組透鏡，用于將參考光束會聚到微反射鏡上。該微反射鏡具有一個其橫向尺寸不超過由聚焦裝置會聚的參考光束空間強度分布的中心波瓣橫向尺寸的反射器。微反射鏡的最佳橫向尺寸約為會聚參考光束空間強度分布中心波瓣橫向尺寸的三分之一。該干涉儀最好包含一個位于微反射鏡之后的對光探測器。
本發(fā)明所述的及射區(qū)小于會聚參考光束中心波瓣的微反射鏡也用作空間濾光器，用于降低光束的象差影響。
濾光器包括一個橫向尺寸不超過會聚在其上的光束中心波瓣橫向尺寸的反射器。反射器的橫向尺寸最好不超過會聚光束中心波瓣橫向尺寸的三分之一。
本發(fā)明也提供了一種濾光方法。光束會聚在反射-透射平面。光束的中心部分被反射而中心以外部分的光束被透射。中心反射部分的尺寸不超過會聚光束空間強度分布中心波瓣的大致橫向尺寸。
反射部分的尺寸最好為光束空間強度分布中心波瓣橫向尺寸的三分之一，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，反射光束的精確度和強度受所選擇反射部分尺寸的影響。選擇較小的反射部分將得到較好的精確度，也就是得到象差小的參考光束，而選擇較大的反射部分將獲得較高強度的參考光束。
該微反射鏡的功能是作為并提供一個空間濾光器，該濾光器提供用于與未經(jīng)濾光的入射測試光束發(fā)生干涉的稱作參考光束的反射束部分，同時提供準備被對光觀測系統(tǒng)接收的透射光束部分。
本發(fā)明所述的濾光方法允許對光觀測系統(tǒng)接收一部分過濾光束。所述方法允許在不改變波陣面測量系統(tǒng)，例如干涉儀，配置的情況下監(jiān)視其對準和對光調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明所述干涉儀的一個優(yōu)選實施例包括用于將源光束分離為測試光束和參考光束的分束器，用于探測干涉圖樣的成象裝置，用于向成象裝置反射測試光束的置于測試光路上的反射鏡，用于向成象裝置反射部分參考光束的置于參考光路上的微反射鏡，和用于將參考光束會聚于微反射鏡上的位于參考光路分束器和微反射鏡之間的聚焦機構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，微反射鏡的橫向尺寸不超過由聚焦機構(gòu)會聚在其上的參考光束中心波瓣的大致橫向尺寸，從而使測試光束被反射鏡反射，一部分參考光束被微反射鏡反射，這樣被反射的測試光束和一部分參考光束一起入射到成象裝置并形成可測量的干涉圖樣。本干涉儀的上述實施例還可以包括位于微反射鏡后部的對光探測器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個用于減小光束中象差效果的空間濾波器。該濾波器包括一個置于透明基體之上的反射器，該反射器的橫向尺寸不超過會聚在其上的光束空間強度分布中心波瓣的大致橫向尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種在波陣面測量系統(tǒng)中濾光的方法。該方法特別地包括以下步驟會聚光束；反射會聚光束的第一部分，該第一部分為光束的中心部分，其尺寸不超過會聚光束空間強度分布中心波瓣的大致橫向尺寸；透射會聚光束的第二部分，該第二部分包括位于第一部分會聚光束之外的部分。
參照附圖通過對本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述，本發(fā)明的進一步目的以及其他特征和優(yōu)點將明顯地體現(xiàn)出來。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的簡略框圖；圖2表示了非象差光束和象差光束的空間強度分布曲線；圖3是圖2曲線的對數(shù)曲線圖。
參照圖1，其中表示了用于對被測光源“SUT”12進行測量的干涉儀10。入射至干涉儀10輸入的是由被測光源12發(fā)射的光束14。干涉儀10將來自對光攝象機20的對光信號18和來自條紋攝象機24的條紋信號22作為輸出并輸入給波陣面分析器16。在被測光源內(nèi)有點放射源26，準直器28，和用于形成光束孔徑以得到被測光源12發(fā)射光束寬度的出射光瞳30。
在干涉儀10內(nèi)有分束器32，參考光路透鏡34，成象透鏡36，測試光路反射鏡38，微反射鏡44，適當?shù)膶鈭D象信號變換器，它可以是一個攝象機，在本實施例中是對光攝象機20，和條紋圖象信號變換器，它也可以是例如條紋攝象機24的攝象機。
如圖1所示，分束器32將來自被測光源12的光束14分成兩束，測試路光束40和參考路光束42。測試路光束40經(jīng)過分束器32到達測試路反射鏡38，在那里測試路光束被反射回分束器32并從那里反射到條紋攝象機24。被反射的測試路光束經(jīng)成象透鏡36聚焦，在條紋攝象機24上形成出射光瞳30的像。參考路光束42經(jīng)過分束器32，由參考路透鏡34會聚到微反射鏡44上。分束器32與測試路反射鏡38之間的距離最好等于分束器32與微反射鏡44之間的距離，這樣可以在從測試路反射鏡38和微反射鏡44返回的光束與入射到條紋攝象機24的光束之間互相保持相位平穩(wěn)，并可以形成用于波陣面分析器16分析的干涉條紋。
微反射鏡44只反射會聚光束中心部分的能量，允許其余能量透過透明基體46和對光成象透鏡48到達對光攝象機20。被微反射鏡44反射的參考光束42的一部分50經(jīng)過參考路透鏡34后變成準直光束，經(jīng)過分束器32和將出射光孔30成象于條紋攝象機24攝象管上的成象光路透鏡36。
對光攝象機20與對光成象透鏡48一起置于微反射鏡44和透明基體46之后。來自參考路光束42的，透過透明基體46而未透過微反射鏡44的光束在對光攝象機20上形成帶有陰影的會聚光斑，其中的陰影部分是微反射鏡44造成的。
從對光攝象機20向監(jiān)測器52發(fā)出對光信號18以確定微反射鏡44的合適瞄準。監(jiān)視器52顯示了會聚光斑及由微反射鏡44造成的影陰的圖像。觀看顯示屏的操作人員可以通過調(diào)節(jié)微反射鏡44的位置或者其他包括被測光源12在內(nèi)的元件來確保正確瞄準。水平對光，和將參考路光束34會聚到微反射鏡44上。通常將干涉儀10的元件調(diào)整到標準狀態(tài)，然后再進行被測光源12的瞄準和對光調(diào)節(jié)。對被測光源12的瞄準調(diào)節(jié)可以通過使點光源26相對于準直器28作橫向移動來進行。從上文的描述可以看出，不需要改變干涉儀10的配置就可以實現(xiàn)對光源瞄準和對光的觀察和調(diào)節(jié)。微反射鏡44可以采用任何已知工藝來制成，例如在諸如玻璃的透明基體上進行選擇電鍍和光刻。附錄A中列出了可以用來構(gòu)成本發(fā)明所述的空間濾波器和干涉儀的元件，包括可以購買到的項目。
微反射鏡44的作用是從源光束中產(chǎn)生相對消除了源光束中象差效果的參考光束。下文將參照圖2對微反射鏡大小的選擇進行描述。
圖2中，曲線202是消除了象差效果的會聚光束空間強度分布相對于橫向坐標的函數(shù)關(guān)系曲線。通過對非象差光束的瞄準和對光，使得強度峰值204出現(xiàn)在中線206上。強度最小值208出現(xiàn)在第一最小點210和212，也稱作零級衍射最小值或者第一零值。非象差光束202的空間強度分布也顯示第二最小點214和216。這些最小點也被稱作一級衍射最小值或者第二零值。
在第一最小點210和212之間的相對高強度區(qū)定義為強度分布的中心波瓣。中心波瓣的橫向尺寸由第一最小點210和212的間距218定義。通常在諸如會聚透鏡的孔徑數(shù)值和使用波長已知的條件下，空間強度分布中心波瓣的橫向尺寸可通過數(shù)學計算估出?；蛘?，中心波瓣的橫向尺寸218可以通過對相似光源和所使用的特定光學鏡片的測量用經(jīng)驗公式確定。
側(cè)波瓣220和222分別由第一最小點210、212與第二最小點214、216之間的面積確定。在會聚的非象差光束中，大部分能量集中在位于第一最小點210和212之間，曲線202以下區(qū)域所確定的中心波瓣。在側(cè)波瓣220和222內(nèi)只有相對少的能量存在。
曲線230表示的是具有所謂慧星形象差這一特殊類型象差的會聚光束的空間強度分布。此類象差造成光束強度不對稱分布，使得分布曲線一定程度地偏向一邊。在另一邊，側(cè)波瓣236比非象差光束側(cè)波瓣220具有相對高的強度值。因此，慧星形象差光束的側(cè)瓣236比非象差光束的側(cè)瓣220具有更多的能量。圖3是非象差光束302與具有慧星形象差光束304的空間強度分布的對數(shù)曲線。
象差光束中側(cè)波瓣具有的能量處于光學系統(tǒng)分辯能力的上限。如果側(cè)波瓣的能量過大，象差光束將不能會聚到足夠的程度使光學系統(tǒng)進行正常的分辯。在本發(fā)明中，微反射鏡44作為空間濾光器產(chǎn)生相對地消除了源光束中象差效果的參考光束。微反射鏡44的尺寸必須滿足能夠反射源光束強度分布中心波瓣所包含的能量，而允許側(cè)波瓣的能量通過。因此，微反射鏡44應(yīng)具有橫向尺寸不超過會聚光束空間強度分布中心波瓣的大致橫向尺寸218的反射器。
從微反射鏡44反射的能量形成相對消除了象差的參考光束。這樣，在對來自被測光源光束進行象差測量時，參考光束可用作對比的基礎(chǔ)。
熟練技術(shù)人員將會了解光束中選擇被反射的部分決定著反射參考光束的精確度和強度。通過微反射鏡44在本發(fā)明所述干涉儀中的應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光束中欲被反射部分的尺寸應(yīng)這樣選擇，使微反射鏡的橫向尺寸為會聚光束空間強度分布中心波瓣直經(jīng)的三分之一。圖2中間距240表示了這一尺寸?？臻g強度分布曲線202和具有慧星形象差光束的空間強度分布曲線230的交點242和244也表示了間距240。這表明當微反射鏡小于最佳尺寸240時，側(cè)波瓣236的能量將不會被反射。
再次參照圖1，測試光路的光束40和參考光路的光束42同時入射到條紋攝象機24的攝象管上(圖中未標出)，形成一條紋干涉圖。條紋攝象機24探測條紋圖象并將其轉(zhuǎn)換成條紋電信號22進一步傳輸給監(jiān)測器56和波陣面分析器16。監(jiān)測器56顯示該條紋圖象，該圖象可以用來監(jiān)測被測光源12與干涉儀的對光和瞄準。這種設(shè)置可使操作人員能根據(jù)干涉儀10來糾正被測光源12對光和瞄準過程中的剩余細微誤差。波陣面分析器16根據(jù)條紋信號22繪圖，并參照參考光束的理想波陣面來測量被測光源12的波陣面質(zhì)量。
波陣面分析器16可以是例如個人電腦的任何計算機以及合適的聯(lián)接裝置。來自條紋攝象機24的條紋信號22輸入到視頻信號數(shù)字轉(zhuǎn)換器(未示出)用來聯(lián)接到個人電腦上。從MU Tech可以得到許多例如“M Vision 1000 Frame Grabber”的標準視頻信號數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用來將條紋信號進行必需的數(shù)字化從而輸入給個人電腦。波陣面分析器16中的個人電腦依據(jù)該數(shù)字化的圖象信號進行操作以產(chǎn)生表示實際光束與理想?yún)⒖脊馐嚸娌町惖臄?shù)據(jù)。
波陣面分析器16通過數(shù)模轉(zhuǎn)換卡(未示出)和壓電轉(zhuǎn)換器(PZT)54來控制測試路反射鏡38的位置和移動。PZT54用來在測試光束40的波傳播方向使測試路反射鏡38移動小于一個波長的增量，從而根據(jù)反射的參考光束部分50來改變測試光束40的位相。采用這種方式，可以使被測光源12的波陣面與反射參考光路50的波陣面在數(shù)個不同位相處發(fā)生干涉，從而得到兩者間差異較為完全的描述。
波陣面分析器16的個人電腦通過運行軟件提供光束的波陣面測量數(shù)據(jù)，個人電腦中裝設(shè)了合適的軟件，可以根據(jù)以標準平面，幾何球面或者柱面?zhèn)鞑サ牟嚸娈a(chǎn)生反映來自被測光源12的波陣面變化數(shù)據(jù)。此外，軟件通過對數(shù)字化條紋信號22的處理可以產(chǎn)生以所謂Zernike polynomials數(shù)學函數(shù)表示的描述光源波陣面變化的數(shù)據(jù)。
例如，參照平面波陣面的測量數(shù)據(jù)表明了所觀測波陣面與平面方程Z＝Ax+By+C的差別。數(shù)據(jù)同時表明X和y軸的傾斜；波峰，波谷，和峰-谷值；以及剩余均方根誤差。以平面波陣面為參照的測量數(shù)據(jù)也包括由于x和y軸傾斜的減法及提取因子的操作引起的觀測變化。另外，參照球形波陣面的測量數(shù)據(jù)還包括所觀測波陣面的球面次方因子。參照柱形波陣面的測量數(shù)據(jù)包括所觀測波陣面的象散因子。
雖然通過一個最佳實施例對本發(fā)明進行了詳細介紹，但應(yīng)了解本發(fā)明不僅限于該具體實施例。鑒于目前公開的是本發(fā)明實際應(yīng)用的最佳狀態(tài)，因此在不偏離本發(fā)明范圍和精神的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以自行各種改進和變化。本發(fā)明的范圍由下文的權(quán)利要求表明，而不是根據(jù)上文的描述。所有在本權(quán)利要求等效的意義及范圍內(nèi)的改動，改型及變化均將認為屬于本發(fā)明的范圍。
附錄A微反射鏡干涉儀部件表計算機PC，PCI總線卡1 MU Tech，M-Vision 1000 FrameGrabber(用于條紋攝象機)1 Keithley，DAC-02模擬輸出板(為PZT高壓源提供5伏輸入)攝象機 2 Cohu，1100 RS-170，1/2″幀PZT1 Polytec PI，P-241.00，5微米壓電轉(zhuǎn)換器PZT高壓源 1 Polytec PI，P-261.20 OEM放大器模件光學元件測試路反射鏡 1 直徑1″，厚度3/8″(安裝于PZT上，移動該反射鏡可進行位相變化)50/50分束器1 直徑1.5″，厚度3/8″(將光束分束，其1/2給測試光路，另1/2給參考光路)微反射鏡 1 在直徑12.7mm的玻璃盤上20微米鉻點，耐酸(AR)涂層參考透鏡 1 200毫米焦距透鏡(用于將光束聚焦于微反光鏡上)成象透鏡(條紋攝像機) 1 330毫米聚焦透鏡(將激光源孔徑成象于條紋攝象機)成象透鏡(對光攝像機) 1 20倍顯微鏡物鏡(使微反射鏡和參考光路會聚光束成像，用于使激光源與干涉儀對光)對光監(jiān)測器1 標準B&W攝象機監(jiān)測器(用于實時觀察對光攝象機或條紋攝象機)
權(quán)利要求
1.一種干涉儀，包括用來將源光束分成測試光束與參考光束的分束器；用來探測干涉圖樣的圖象裝置；置于所述測試光束光路上的，用于向所述圖象裝置反射所述測試光束的反射鏡；置于所述參考光路上的，用于向所述圖象裝置反射部分所述參考光束的微反射鏡；置于所述參考光路上的，在所述分束器和所述微反射鏡之間的，用來將所述參考光束會聚于所述微反射鏡上的聚焦裝置；所述微反射鏡的橫向尺寸不大于由所述聚焦裝置聚焦其上的所述參考光束的中心波瓣的大致橫向尺寸；所述測試光束被所述反射鏡反射，所述參考光束的一部分被所述微反射鏡反射，這樣所述反射的測試光束與所述反射的部分參考光束一起入射到所述圖象裝置并在其上形成可測、的干涉圖樣。
2.一個用于減少光束象差影響的空間濾光器，該濾光器包括一個置于透明基體之上的反射器。其中所述反射器的橫向尺寸不超過會聚在所述反射器上的所述光束的空間強度分布中心波瓣的大致橫向尺寸。
3.一種在波陣面測量系統(tǒng)中對光束進行濾光的方法，所述方法包括的步驟為會聚所述光束；反射所述會聚光束的第一部分，所述第一部分包括一不超過所述會聚光束空間強度分布中心波瓣的大致橫向尺寸的中心部分；透射所述光束的第二部分，所述第二部分包括所述第一部分以外的部分。
全文摘要
一種光束測試干涉儀，包括將光源分為測試與參考光束的分束器，探測干涉圖樣的圖象裝置，測試光束反射鏡，參考光束微反射鏡，和參考光束聚焦裝置。微反射鏡的橫向尺寸小于參考光束中心波瓣的橫向尺寸，空間濾光器用以減少象差，包括置于透明基體上的反射器，反射器橫向尺寸小于會聚其上的光束空間強度分布中心波瓣的橫向尺寸。還提供一種在該測試系統(tǒng)中的濾光方法。本發(fā)明可消除象差影響，并且在對光操作中不必改變干涉儀的配置。
文檔編號G01J3/45GK1153297SQ9610299
公開日1997年7月2日 申請日期1996年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月7日
發(fā)明者伊凡·普里克里爾, 霍利斯·奧尼爾·霍爾Ii 申請人:迪維安公司