光柵分光式同步移相干涉測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種移相干設(shè)測(cè)量裝置及方法，具體設(shè)及一種光柵分光式同步移相干 設(shè)測(cè)量裝置及方法，用于小量程、高精度的位移測(cè)量W及微結(jié)構(gòu)器件的臺(tái)階高度等幾何量 的測(cè)量，屬于超精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 移相干設(shè)測(cè)量技術(shù)是一種高精度、非接觸的測(cè)量方法，是光學(xué)檢測(cè)、幾何量測(cè)量領(lǐng) 域中測(cè)量微臺(tái)階、表面形貌、微小位移的重要技術(shù)手段之一。其基本思想是由J.H.化lining 于1974年提出，其將同步相位探測(cè)技術(shù)引入到光學(xué)干設(shè)測(cè)量技術(shù)當(dāng)中，利用CCD采集具有 不同移相量的干設(shè)圖像，該技術(shù)的不足在于其運(yùn)用壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)移相功能，沒有辦法做到 同時(shí)采集不同移相量的干設(shè)圖像。此后，在J.H.化lining提出的移相干設(shè)原理的基礎(chǔ)上衍 生出了 =通道、四通道同步移相干設(shè)原理等方法與裝置。
[0003] 多通道同步移相測(cè)量可W實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集多幅干設(shè)圖像，從而抑制外界環(huán)境等因素 對(duì)測(cè)量精度帶來的影響，達(dá)到抗干擾和提高測(cè)量精度的目的。2008年左芬等提出一種二維 光柵分光和偏振陣列移相的同步移相干設(shè)測(cè)量抗震技術(shù)（左芬，陳磊，徐春生.基于二維 光柵分光的同步移相干設(shè)測(cè)量技術(shù).光學(xué)學(xué)報(bào)，2007, 27 (4) :663-667)，該技術(shù)運(yùn)用光柵分 光，一次性分出移相所需的四束光；運(yùn)用四象限偏振片實(shí)現(xiàn)移相，保證用一個(gè)CCD即可采集 四幅干設(shè)圖，保證了同步性。但是實(shí)驗(yàn)所用的光柵的利用率較低，0級(jí)聚集光能較大，干設(shè)圖 的對(duì)比度較低；另外需要對(duì)干設(shè)圖像進(jìn)行條紋解算，影響測(cè)量精度，此外，四象限偏振片組 制作時(shí)光軸對(duì)準(zhǔn)困難，容易引入移相誤差。為了提高能量利用率，哈爾濱工程大學(xué)單明廣等 提出了一種利用正交的兩個(gè)一維光柵實(shí)現(xiàn)同步移相干設(shè)檢測(cè)的方法和裝置（專利公布號(hào) CN102914256A，發(fā)明創(chuàng)造名稱為基于正交雙光柵的同步移相干設(shè)檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法），該 方法將雙光柵分光技術(shù)與偏振調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，解決了光能利用率低的問題，但是增加了 實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)整難度，仍需進(jìn)行條紋解算，并且兩光柵的正交程度會(huì)引入新的誤差來源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，W便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本 理解。應(yīng)當(dāng)理解，該個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的 關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是W簡(jiǎn)化的形式給出某些概 念，W此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0005] 鑒于此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種光柵分光式同步移相干設(shè)測(cè)量裝置 及方法，W至少解決現(xiàn)有的同步移相干設(shè)檢測(cè)技術(shù)增加了實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)整難度，需要進(jìn)行 條紋解算，并且兩光柵的正交程度會(huì)引入新的誤差來源的問題。本發(fā)明的具有測(cè)量速度快、 抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高和集成度高的特點(diǎn)。將光柵分光與移相裝置放置在參考面前，保 證經(jīng)過分光與移相回來的四路光再次經(jīng)過PBS之后為平行光，消除了非平行光對(duì)測(cè)量的影 響；采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的四象限移相器可有效減小測(cè)量中的移相誤差；采用四象限光強(qiáng)探 測(cè)器探測(cè)干設(shè)光強(qiáng)，排除了干設(shè)圖像對(duì)比度低、W及條紋解算復(fù)雜等對(duì)測(cè)量的影響。該裝置 即可W用來測(cè)量微小的距離變化，也可W用來對(duì)物體表面形貌進(jìn)行檢測(cè)。
[0006] 本發(fā)明的光柵分光式同步移相干設(shè)測(cè)量裝置，包括激光器、檢偏器、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、 1/2波片、偏振分光棱鏡、參考反射鏡、第一透鏡、第一二維Ronchi光柵、四象限移相器、第 一 1/4波片、待測(cè)物、第二透鏡、第二二維Ronchi光柵、第二1/4波片、第=1/4波片、收集 透鏡、四象限探測(cè)器和計(jì)算機(jī)；
[0007] 其中激光器、檢偏器、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡和1/2波片組成光源部分；偏振分光棱鏡、第一 1/4波片、四象限移相器、第一二維Ronchi光柵、第一透鏡和參考反射鏡組成參考光部分； 第二1/4波片、第二二維Ronchi光柵、第二透鏡與待測(cè)物組成測(cè)量光部分；光源部分、參考 光部分與測(cè)量光部分一起構(gòu)成泰曼格林干設(shè)裝置；
[000引光學(xué)路徑；激光器發(fā)射的光束經(jīng)檢偏器后依次通過準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、1/2波片和偏振 分光棱鏡5,經(jīng)偏振分光棱鏡分成物光和參考光；測(cè)量光依次經(jīng)過第二1/4波片、第二二維 Ronchi光柵、第二透鏡和待測(cè)物后，依次射向第二透鏡、第二二維Ronchi光柵、第二1/4波 片和偏振分光棱鏡；參考光依次經(jīng)過第一 1/4波片、第一二維Ronchi光柵、第一透鏡和參考 反射鏡后，依次射向參考反射鏡、第一透鏡、第一二維Ronchi光柵、四象限移相器、第一 1/4 波片和偏振分光棱鏡，再次合并的參考光與測(cè)量光通過第=1/4波片、收集透鏡、四象限光 強(qiáng)探測(cè)器組成的光強(qiáng)采集部分，采集的干設(shè)光強(qiáng)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。
[0009] 進(jìn)一步地；所述第一二維Ronchi光柵和第二二維Ronchi光柵作為分光元件，其偶 數(shù)級(jí)次衍射光為0;四象限移相器為2X2陣列，逆時(shí)針相位分別為0°、90°、180°、270°。
[0010] 進(jìn)一步地：所述四象限移相器是在同一塊石英玻璃上利用光刻技術(shù)制作形成。在 現(xiàn)有技術(shù)中，采用的四象限移相器是將四個(gè)偏振片粘接在一起，四個(gè)偏振片光軸方向相差 45°，由于制作工藝限制，各偏振片之間的光軸方向存在偏差，此外由于不是一次成型，使 用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，膠接的位置會(huì)發(fā)生老化變形。本發(fā)明中采用的四象限移相器，是在同一塊石英 玻璃上，利用光刻技術(shù)完成制作，按現(xiàn)有工藝水平厚度誤差可控制在IOnm范圍內(nèi)，加工精 度高。因此本發(fā)明采用的移相器制作方法可有效減小移相誤差，從而提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
[0011] 進(jìn)一步地：所述激光器為化-Ne單頻偏振激光器。
[0012]W參考光路為例，光源的平行光經(jīng)PBS分光后，經(jīng)四象限移相器的中間小孔后，由 第一二維Ronchi光柵分光，分成（±1，±1)四束傾斜平行光，再經(jīng)第一透鏡聚光后照射到 透鏡焦面附近參考反射鏡上，經(jīng)參考反射鏡反射后，再次經(jīng)過第一透鏡和第一二維Ronchi 光柵，每束光再經(jīng)光柵分束后，對(duì)應(yīng)只有一路光是平行于透鏡光軸的，其它光均是向外的傾 斜平行光，受四象限移相器孔徑限制均被擋在光路之外。由此四路測(cè)量光束與攜帶不同相 位的參考光束經(jīng)PBS和第S1/4波片后，發(fā)生干設(shè)。
[0013] 該結(jié)構(gòu)利用二維光柵進(jìn)行兩次分光，將傾斜平行光調(diào)整為平行于光路光軸的平行 光，使光路易于集成。
[0014]本發(fā)明的光柵分光式同步移相干設(shè)測(cè)量方法，其具體步驟為；激光器發(fā)出的光經(jīng) 過光源部分后變成偏振方向與光軸成45°的線偏振光，隨后經(jīng)過偏振分光棱鏡分成偏振 方向相互垂直、光強(qiáng)相等的參考光與測(cè)量光；參考光經(jīng)過第一 1/4波片變成左旋圓偏振光， 通過第一二維Ronchi光柵和第一透鏡分光形成四路等光強(qiáng)的子光束，為同步移相獲取四 路特性完全一致的子光束組，經(jīng)由參考反射鏡6垂直反射再次經(jīng)過第一透鏡和第一二維 Ronchi光柵，根據(jù)衍射方程只有對(duì)稱的四束子光平行出射，平行出射的四束參考光經(jīng)過四 象限移相器，實(shí)現(xiàn)四束參考光的相位依次為0°、90°、180°、270°，再經(jīng)過第一 1/4波片 和偏振分光棱鏡；測(cè)量光通過第二1/4波片變成右旋圓偏振光，右旋圓偏振光經(jīng)歷第二二 維Ronchi光柵與第二透鏡選取與參考光對(duì)應(yīng)的四束測(cè)量光，再由待測(cè)物反射回來，攜帶有 被測(cè)面信息的對(duì)應(yīng)的四束測(cè)量光再次經(jīng)過第二透鏡和第二二維Ronchi光柵后也變成平行 光，第二次經(jīng)過第二1/4波片和偏振分光棱鏡與參考光匯合；匯合后的參考光與測(cè)量光即 發(fā)生干設(shè)，四路干設(shè)信號(hào)含有不同的光強(qiáng)信