CN102507020B - 使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法及装置，涉及光干涉计量测试领域，方法步骤为：首先，在泰曼式干涉测试光路中得到一对偏振方向正交的参考光与测试光；其次，使用微透镜阵列，利用波前分割的方法进行移相，光干涉信号被探测器接收，最后，对探测器得到的数据进行重新排列得到四幅移相干涉图，利用通用的四步移相算法即可恢复被测相位；本发明得到的四幅移相干涉图相对空间位置关系已知且唯一，不会产生位置匹配误差，且成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及光干涉计量测试领域，特别是一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法及装置。
背景技术
移相干涉术是现今广泛使用的光学面形测试技术，该技术使用干涉仪采集一组移相干涉图，每幅图之间具有特定的相位差，根据干涉图可以恢复被测相位。传统移相干涉术在一段时间内顺次采集移相干涉图，因此其测试精度受到振动等时变环境因素的影响。为了克服这一问题，发明了能够在同一时刻、不同空间位置得到一组移相干涉图的同步移相干涉测试***。
现有的同步移相干涉测试***分为两类，一类使用光栅或分光镜分出数支光路，每支光路中使用偏振器件引入不同的移相量，实现移相，最后于不同空间位置得到一组移相干涉图。在这一类方案中，各移相干涉图之间的相对空间位置关系是未知的，且其相对位置缺少成熟可靠的标定技术，易导致位置匹配误差，影响测量精度。另一类方案并不分光，而是将探测器上相邻的若干像素组成一个单元，每个单元内的不同像素上制作相应的偏振器件，最后通过对探测器上的数据进行重组就可以得到一组移相干涉图。该方案得到的移相干涉图的空间位置关系是已知且唯一的，但像素掩膜器件需要使用精度要求极高的光刻工艺制作，其难度和成本都非常高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决干涉图位置匹配误差，测量精度高，成本较低的使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法，包括以下步骤：
步骤一：在泰曼式干涉测试光路中得到一对偏振方向正交的参考光与测试光；
步骤二：利用波前分割的方法进行移相，即，使步骤一中得到的一对偏振方向正交的参考光与测试光通过一个1/4波片成为一对正交的圆偏振光；对这一对正交的圆偏振光的波面进行分割，在每一个子波面形成的发散光路都通过一个四象限偏振片组引入不同的移相量，然后由一个主透镜对发散光路进行会聚，最后被探测器接收；其中，波前分割移相部分的元件沿光路走向依次为：第三1/4波片、微透镜阵列、偏振片组、主透镜和探测器；泰曼式干涉光路部分得到的参考光与测试光共同进入波前分割移相部分后，首先经过第三1/4波片，二者成为正交的圆偏振光；再通过微透镜阵列，二者的波前被分割为许多子波前；在微透镜阵列后方，每个子波前均产生一路汇聚光，该汇聚光照射到一个偏振片组上，该偏振片组的四个象限分别由透光方向依次相差45度的偏振片构成；其后，由一个主透镜对发散光路进行会聚，最终被探测器接收；
步骤三：对探测器得到的数据进行重新排列得到四幅移相干涉图，再利用四步移相算法恢复被测相位；其中，探测器接收的图像是各个子波前形成的单元，每个单元内部又分为四个子单元，需要将每个单元中处于第一象限的子单元以原有相对位置关系组成第一幅移相干涉图、第二象限的子单元组成第二幅移相干涉图，以此类推，最后以四幅移相干涉图按照四步移相法计算公式即可重构被测相位。
一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试装置，由泰曼式干涉光路部分和波前分割移相部分两大部分组成，且泰曼式干涉光路部分位于波前分割移相部分的前端；在泰曼式干涉光路部分中，各器件沿光路走向依次为激光器、扩束镜、偏振片、1/2波片、偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜的透射光一侧依次放置第一1/4波片、标准透镜和被测件、反射光一侧依次放置第二1/4波片后和参考镜；在波前分割移相部分中，各器件沿光路走向次为第三1/4波片、微透镜阵列、偏振片组、主透镜和探测器，其中偏振片组的四个象限分别由透光方向依次相差45度的偏振片构成；所有器件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)相比于分光结构的同步移相干涉测试***，本发明得到的四幅移相干涉图相对空间位置关系已知且唯一，因此具有不会产生位置匹配误差的优点。
(2)相比于同样不会产生位置匹配误差的像素掩膜结构的同步移相干涉测试***，该发明在成本上则有着巨大优势。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是使用微透镜阵列的同步移相干涉测试光路结构示意图。
图2是子单元数据重新排列方式的示意图。
具体实施方式
本发明的步骤如下：
步骤一：在泰曼式干涉测试光路中得到一对偏振方向正交的参考光与测试光；
步骤二：利用波前分割的方法进行移相，即，使步骤一中得到的一对偏振方向正交的参考光与测试光通过一个1/4波片成为一对正交的圆偏振光；对这一对正交的圆偏振光的波面进行分割，在每一个子波面形成的发散光路都通过一个四象限偏振片组引入不同的移相量，然后由一个主透镜对发散光路进行会聚，最后被探测器接收；
步骤三：对探测器得到的数据进行重新排列得到四幅移相干涉图，再利用四步移相算法恢复被测相位。
结合图1，本发明所述的同步移相干涉测试技术所使用的测试***由泰曼式干涉光路部分16和波前分割移相部分17两大部分组成，且泰曼式干涉光路部分16位于波前分割移相部分17的前端。
在泰曼式干涉光路部分16中，各器件按前后顺序依次为激光器1、扩束镜2、偏振片3、1/2波片4、偏振分光棱镜5，在偏振分光棱镜5的透射光一侧依次放置第一1/4波片6、标准透镜7和被测件8、反射光一侧依次放置第二1/4波片9后和参考镜10，所有器件相对于基底(光学平台或仪器底座)同轴等高。其工作过程为：激光器1发出的光经过扩束镜2成为准直光，再经过偏振片3和1/2波片4得到一对正交的偏振光：p光和s光，p光和s光之间的光强比例可通过旋转1/2波片4调整。p光和s光入射到偏振分光棱镜5后，p光被透射，经第一1/4波片6和标准透镜7成为球面波入射到被测件8上成为测试光，之后测试光沿原路反射回偏振分光棱镜5，由于两次经过1/4波片，其偏振态改变成s光，反射到后续的波前分割移相部分17；而原s光经过偏振分光棱镜5反射后，通过第二1/4波片9后入射到参考镜10上，成为参考光，参考光沿原路反射回偏振分光棱镜[5]，由于两次经过1/4波片，其偏振态改变成p光，经偏振分光棱镜5透射后，与测试光共同进入后续的波前分割移相部分17。
在波前分割移相部分17中，各器件按前后顺序依次为第三1/4波片11、微透镜阵列12、偏振片组13、主透镜14和探测器15，所有器件相对于基底(光学平台或仪器底座)同轴等高。其工作过程为：泰曼式干涉光路部分16得到的参考光和测试光经过第三1/4波片11，二者都成为正交的圆偏振光。再通过微透镜阵列12，二者的波前被分割为许多子波前。在微透镜阵列后方，每个子波前均产生一路汇聚光，该汇聚光照射到一个偏振片组13上，该偏振片组的四个象限分别由透光方向依次相差45度的偏振片构成，因此在每个汇聚光横截面的四象限上，参考光与测试光的相位依次相差90度。其后，所有汇聚子波前经过一个主透镜14，最终被探测器15接收。探测器15可以是CCD或者CMOS成像器件。
结合图2，本发明所提供的测试***中，对探测器接收的图像处理方法如下：探测器接收的图像是各个子波前形成的单元；每个单元内部又分为四个子单元，每个子单元之间的相位依次相差90度。如图2左图中显示了第一单元、第二单元、第三单元、第四单元四个单元，每个单元内部又各自分为A、B、C、D四个子单元。因此，通过对子单元顺序的按照以下方式进行重新排列，可以得到四个完整的移相干涉图：将每个单元中处于第一象限的子单元A以原有相对位置关系组成第一幅移相干涉图、第二象限的子单元B组成第二幅移相干涉图，以此类推。如图2右图，所有处于A位置的子单元按原有相对位置关系构成了第一幅移相干涉图图，B、C、D位置子单元的处理方法与之相同。
在每个完整的移相干涉图中，参考光与测试光的相位差依次相差90度，故可以通过四步移相算法恢复被测相位，即：
其中φ表示被测相位，I1、I2、I3、I4分别为第一、第二、第三、第四幅移相干涉图的灰度分布，x、y为空间坐标。
Claims (3)
1.一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：在泰曼式干涉测试光路中得到一对偏振方向正交的参考光与测试光；
步骤二：利用波前分割的方法进行移相，即，使步骤一中得到的一对偏振方向正交的参考光与测试光通过一个1/4波片成为一对正交的圆偏振光；对这一对正交的圆偏振光的波面进行分割，在每一个子波面形成的发散光路都通过一个四象限偏振片组引入不同的移相量，然后由一个主透镜对发散光路进行会聚，最后被探测器接收；其中，波前分割移相部分的元件沿光路走向依次为：第三1/4波片(11)、微透镜阵列(12)、偏振片组(13)、主透镜(14)和探测器(15)；泰曼式干涉光路部分(16)得到的参考光与测试光共同进入波前分割移相部分(17)后，首先经过第三1/4波片(11)，二者成为正交的圆偏振光；再通过微透镜阵列(12)，二者的波前被分割为许多子波前；在微透镜阵列后方，每个子波前均产生一路汇聚光，该汇聚光照射到一个偏振片组(13)上，该偏振片组的四个象限分别由透光方向依次相差45度的偏振片构成；其后，由一个主透镜对发散光路进行会聚，最终被探测器(15)接收；
步骤三：对探测器得到的数据进行重新排列得到四幅移相干涉图，再利用四步移相算法恢复被测相位；其中，探测器接收的图像是各个子波前形成的单元，每个单元内部又分为四个子单元，需要将每个单元中处于第一象限的子单元以原有相对位置关系组成第一幅移相干涉图、第二象限的子单元组成第二幅移相干涉图，以此类推，最后以四幅移相干涉图按照四步移相法计算公式即可重构被测相位。
2.根据权利要求1所述的一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法，其特征在于：步骤一的泰曼式干涉测试光路内部元件沿光路走向依次为激光器(1)、偏振片(2)、1/2波片(3)、扩束镜(4)、偏振分光棱镜(5)，此后光路分为参考光和测试光两支，测试光依次经过第一1/4波片(6)、标准透镜(7)和被测件(8)，参考光依次经过和第二1/4波片(9)和参考镜(10)，参考光与测试光经被测件(8)和参考镜(10)反射后，共同进入波前分割移相部分(17)。
3.一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试装置，其特征在于：由泰曼式干涉光路部分(16)和波前分割移相部分(17)两大部分组成，且泰曼式干涉光路部分(16)位于波前分割移相部分(17)的前端；在泰曼式干涉光路部分(16)中，各器件沿光路走向依次为激光器(1)、扩束镜(2)、偏振片(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)，在偏振分光棱镜[5]的透射光一侧依次放置第一1/4波片(6)、标准透镜(7)和被测件(8)、反射光一侧依次放置第二1/4波片(9)后和参考镜(10)；在波前分割移相部分(17)中，各器件沿光路走向依次为第三1/4波片(11)、微透镜阵列(12)、偏振片组(13)、主透镜(14)和探测器(15)，其中偏振片组的四个象限分别由透光方向依次相差45度的偏振片构成；所有器件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
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