一种双测量模式干涉装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双测量模式干涉装置及其测量方法，包括：光源，能够产生至少两种指定波长的初始光；公共光路模块，接收初始光，并将初始光分为参考光和检测光；检测光路模块，接收检测光并透过显微物镜出射到待测元件；参考光路模块，接收参考光并在内部反射；接收光路模块，接收公共光路模块中的光的干涉条纹信息；计算单元，分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布；其中参考光路模块包括参考反射镜，在光源产生一种波长的初始光时参考光路模块直接返回参考光，光源产生另一种波长的初始光时参考光路模块内经参考反射镜后再返回。本发明专利技术光路精简，结构紧凑，测量快速。

A dual measurement mode interference device and its measurement method

【技术实现步骤摘要】
一种双测量模式干涉装置及其测量方法
本专利技术涉及光学测量
，尤其是涉及一种双测量模式干涉装置及其测量方法。
技术介绍
随着现代工业的发展，人们对于各种光学元件的面形精度要求越来越高，在对于光学元件的面形检测中，光学干涉仪由于具有高精度和非接触式全场测量的特点被广泛的使用，而在元件的加工阶段时往往需要测得元件在不同空间频率范围内的面形信息，通常可使用激光干涉仪和干渉显微镜两种测量模式来分别进行低频宏观面形检测以及中高频微观轮廓测量，但由于现有商业干涉仪自身因素，只能将光学元件分别置于两种不同功能干涉仪器下进行离线检测，这对加工阶段的元件的装卸精度提出了很高的要求，且整个测量过程耗时，效率低，测量误差也较大。为满足元件加工阶段的实时在线检测需求，学者们提出了多种方法和装置，但都只能满足一种测量模式，无法同时实现两种测量模式。如公开(公告)号：CN104567719A的专利技术公开了一种高空间分辨长程面形检测装置及检测方法。包括一扫描光学头，所述扫描光学头包括小孔阵列板、分束镜、透镜阵列、阵列探测器；其中，所述小孔阵列板将输入的平行光束分为若干平行的细光束后入射到所述分束镜；所述分束镜将每一束所述细光束透射输入到所述透镜阵列，所述透镜阵列中的透镜单元分别将对应的所述细光束聚焦到待测物体表面，经所述待测物体表面反射的光束依次经所述透镜阵列、所述分束镜入射到所述阵列探测器。美国亚利桑那大学现已开发了一种双测量模式干涉系统，但在该系统中由于只是将两种测量模式的简单集成，所以光路复杂，且对两种测量模式的转换时需要对系统中的元件进行更换和装卸，使得测量过程较为耗时，系统抗干扰能力不强，难以满足实时快速测量。
技术实现思路
针对现有技术对两种测量模式的转换费时费力的问题，本专利技术公开了一种双测量模式干涉装置及其测量方法，光路精简，结构紧凑，抗干扰能力强，测量过程实时简便，较好的满足了实时快速测量。以下是本专利技术的技术方案。一种双测量模式干涉装置，包括：光源，能够产生至少两种指定波长的初始光；公共光路模块，接收初始光，并将初始光分为参考光s和检测光p；检测光路模块，接收检测光p并透过显微物镜出射到待测元件，返回检测光p’至公共光路模块；参考光路模块，接收参考光s并在内部反射，返回参考光s或参考光s’至公共光路模块；接收光路模块，接收公共光路模块中的检测光p’以及参考光路模块返回的光的干涉条纹信息；计算单元，分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布；其中参考光路模块包括参考反射镜，在光源产生一种波长的初始光时参考光路模块直接返回参考光s，光源产生另一种波长的初始光时参考光路模块内经参考反射镜后返回参考光s’。同一光路中使用不同波长的初始光，使得参考光路模块返回的光不同，最终使入射至接收光路模块的光不同，以实现单波长激光干涉测量或干涉显微测量的双测量模式。即在不改变光路物理结构的情况下，通过选择不同波长的光改变实际光路，就可以实现测量模式的改变。作为优选，所述公共光路模块包括单模光纤、光纤准直器、偏振片、折光反射镜、分光棱镜及偏振分光棱镜，所述单模光纤连接光源，单模光纤将初始光射入至光纤准直器的入射端，偏振片设置在光纤准直器的出射方向，折光反射镜设置在偏振片的出射方向，分光棱镜设置在折光反射镜的出射方向，偏振分光棱镜设置在分光棱镜的第一出射方向，接收光路模块设置在分光棱镜的第二出射方向，检测光路模块设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，参考光路模块设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，其中出射方向为光的传播方向，出射方向同样可以作为入射方向。光本身的传播方向决定了光学器件的出射方向和入射方向，因此上述表述仅用于代表各光学器件的位置关系，最终的出射或入射取决于光的传播情况。公共光路模块中通过分光棱镜及偏振分光棱镜将初始光分成多束光，用于射入不同的光路模块，完成对应的测量、参考或接收。作为优选，所述检测光路模块包括滤光片F1以及显微物镜Ⅰ，滤光片F1设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，显微物镜Ⅰ设置在滤光片F1和待测元件之间。作为优选，所述参考光路模块还包括滤光片F2以及显微物镜Ⅱ，滤光片F2设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，显微物镜Ⅱ设置在滤光片F2和参考反射镜之间，其中滤光片F2的反射波段包含一种初始光的波长，滤光片F2的透射波段包含另一种初始光的波长。作为优选，所述接收光路模块包括四分之一波片、成像透镜以及偏振相机，所述四分之一波片设置在分光棱镜的第二出射方向，成像透镜设置在四分之一波片与偏振相机之间。四分之一波片，其快轴方向与X轴呈45°夹角，检测光p偏振光与参考光s偏振光经过四分之一波片变为两个旋向相反的圆偏振光，从而能满足偏振相机中的偏振移相干涉要求。作为优选，所述初始光至少包括两种，其中一种初始光的波长λ1＝632.8nm；另一种初始光的波长λ2＝470nm。例如光源可分别发出波长为632.8nm的激光光束和中心波长为470nm的LED光束。作为优选，所述的滤光片F1，其截止波长为350nm，反射波段：200-340nm，透射波段：358-1600nm；所述的滤光片F2，其截止波长为500nm，反射波段：512-715nm，透射波段：300-490nm。滤光片F1对于光源发出的两种波长的光束均为透射；所述滤光片F2对于波长为632.8nm的激光光束为反射，对于波长为470nm的光束为透射，即在同一光路下使用波长为632.8nm的激光光束实现单波长激光干涉测量，使用波长为470nm的光束实现LED干涉显微测量的双测量模式。利用滤光片对不同波长光束的不同透射或反射效果在单一光路中实现双测量模式。本装置的偏振相机可在单次采图中得到四通道相位差为π/2的移相条纹信息，使系统省去常规移相装置；且经过分光棱镜和偏振分光棱镜后得到的透射偏振光和反射偏振光直接作为检测光和参考光，检测光照射被测元件，参考光照射参考反射镜或被滤光片F2反射，随后两者沿原路返回，光路精简，抗干扰能力强，结构也更为紧凑。本技术方案还包括一种双测量模式干涉装置的测量方法，用于上述的双测量模式干涉装置，包括以下步骤：选择光源的一种初始光入射至公共光路模块，并传播至检测光路模块及参考光路模块，检测光路模块及参考光路模块返回对应的光信号至公共光路模块，接收光路模块接收来自公共光路模块的光信号，计算单元分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布。作为优选，光在各个光路模块中传播的过程为：光源发出的初始光耦合进入单模光纤，且由光纤准直器准直，经过偏振片得到某一方向的线偏振光，使用折光反射镜对光路进行90°转折，再通过分光棱镜进入偏振分光棱镜，将光束分为透射光和反射光，透射光和反射光分别作为检测光p和参考光s，检测光p经过所述的滤光片F1和显微物镜Ⅰ后入射待测元件反射回来为检测光p’，并原路返回至分光棱镜，参考光s射向滤光片F2，透射向参考反射镜再反射为参考光s’或被滤光片F2直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双测量模式干涉装置，其特征在于，包括：/n光源，能够产生至少两种指定波长的初始光；/n公共光路模块，接收初始光，并将初始光分为参考光s和检测光p；/n检测光路模块，接收检测光p并透过显微物镜出射到待测元件，返回检测光p’至公共光路模块；/n参考光路模块，接收参考光s并在内部反射，返回参考光s或参考光s’至公共光路模块；/n接收光路模块，接收公共光路模块中的检测光p’以及参考光路模块返回的光的干涉条纹信息；/n计算单元，分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布；/n其中参考光路模块包括参考反射镜，在光源产生一种波长的初始光时参考光路模块直接返回参考光s，光源产生另一种波长的初始光时参考光路模块内经参考反射镜后返回参考光s’。/n

【技术特征摘要】
1.一种双测量模式干涉装置，其特征在于，包括：
光源，能够产生至少两种指定波长的初始光；
公共光路模块，接收初始光，并将初始光分为参考光s和检测光p；
检测光路模块，接收检测光p并透过显微物镜出射到待测元件，返回检测光p’至公共光路模块；
参考光路模块，接收参考光s并在内部反射，返回参考光s或参考光s’至公共光路模块；
接收光路模块，接收公共光路模块中的检测光p’以及参考光路模块返回的光的干涉条纹信息；
计算单元，分析接收光路模块得到的干涉条纹信息，采用四步移相算法计算得到与待测元件表面信息相对应的瞬态波前分布；
其中参考光路模块包括参考反射镜，在光源产生一种波长的初始光时参考光路模块直接返回参考光s，光源产生另一种波长的初始光时参考光路模块内经参考反射镜后返回参考光s’。


2.根据权利要求1所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述公共光路模块包括单模光纤、光纤准直器、偏振片、折光反射镜、分光棱镜及偏振分光棱镜，所述单模光纤连接光源，单模光纤将初始光射入至光纤准直器的入射端，偏振片设置在光纤准直器的出射方向，折光反射镜设置在偏振片的出射方向，分光棱镜设置在折光反射镜的出射方向，偏振分光棱镜设置在分光棱镜的第一出射方向，接收光路模块设置在分光棱镜的第二出射方向，检测光路模块设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，参考光路模块设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，其中出射方向为光的传播方向，出射方向同样可以作为入射方向。


3.根据权利要求2所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述检测光路模块包括滤光片F1以及显微物镜Ⅰ，滤光片F1设置在偏振分光棱镜的第一出射方向，显微物镜Ⅰ设置在滤光片F1和待测元件之间。


4.根据权利要求3所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述参考光路模块还包括滤光片F2以及显微物镜Ⅱ，滤光片F2设置在偏振分光棱镜的第二出射方向，显微物镜Ⅱ设置在滤光片F2和参考反射镜之间，其中滤光片F2的反射波段包含一种初始光的波长，滤光片F2的透射波段包含另一种初始光的波长。


5.根据权利要求2或3或4所述的一种双测量模式干涉装置，其特征在于，所述接收光路模块包括四分之一波片、成像透镜以及偏振相机，所述四分之一波片设置在分光棱镜的第二出射方向，成像透镜设置在四分之一波片与偏振相机之间，其中四分之一波片的快轴方向与X...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道档，朱其幸，孔明，许新科，赵军，刘维，郭天太，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33