CN108344368A - 一种平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法 - Google Patents

一种平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法 Download PDF

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刘乾
岳晓斌
李璐璐
马绍兴
黄文�
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Abstract

本发明公开了一种平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法。本发明的干涉测量装置通过合理布置光路将平板上下表面反射的光进行直接干涉而形成干涉图，然后从干涉图中提取位相信息，从而实现了平板厚度均匀性的直接测量。本发明的干涉测量方法中采用的移相干涉技术，可以改变平板上下表面测试光的光程差，能够在提取位相信息时得到高精度、高空间分辨率的结果。本发明的平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法，没有耦合其他因素，是一种几何意义上的厚度均匀性的测量装置及测量方法，不需要参考镜和较大的通光口径，单次测量可以得到整个平板的厚度均匀性，具有高效率、高精度、低成本的优势。

Description

一种平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于干涉测量领域，具体涉及一种平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法。
背景技术
平板是科学研究和工业制造中一类常见的构件，如长度计量中的块规、光学***中的平行平板等。厚度均匀性是影响平板性能的一个重要指标，需要对其进行高精度测量以实现对产品质量的控制。
目前的平板厚度均匀性测量多是采用对点式检测方法。这类方法使用两个对向放置的位移传感器对平板厚度进行测量，将两个传感器示数相减就可以得到平板上单点的相对厚度。为实现整个区域的厚度均匀性测量，需要增加横向的二维运动机构进行扫描测量（马小军，高党忠，杨蒙生，等. 应用白光共焦光谱测量金属薄膜厚度. 光学 精密工程.2011）。在高精度测量时，应事先将两个传感器在轴向和横向上精确调整，以使两个传感器排列在同一条直线上。对点式厚度均匀性测量方法的精度取决于传感器，而且需要逐点扫描测量，速度比较慢。
对于透明材料的平板，还可以采用透射式或透反式干涉方法测量其厚度均匀性。透射式干涉方法是将透明平板放在干涉腔内，考察透射光波面的变形，以实现对平板厚度均匀性的测量（蔡怀宇，李宏跃，朱猛，等. 用空间载波法测量玻璃平板的厚度均匀性. 光学 精密工程. 2013）。透反式干涉测量方法令平板前表面的反射光与透射后经平板后表面反射的光产生干涉，考察透反射光波的变形以实现对透明平板厚度均匀性的测量。这两种干涉测量方法可以实现区域性测量，效率高，但只能对透明材料的平板进行测量，而且测得的厚度均匀性耦合了材料折射率均匀性的影响，不是几何意义上的厚度均匀性测量。
为了对非透明材料平板的厚度均匀性进行干涉测量，M. Vannoni提出了一种双面反射式的直接测量方法（M. Vannoni, R. Bertorzzi. Parallelism errorcharacterization with mechanical and interferometric methods. Opt. LasersEng.. 2007）。该方法使用了一个直角棱镜折转光路，使平板的上下表面同时与干涉仪的参考镜进行干涉，然后从上下表面的位相分布中获得平板厚度均匀性信息。虽然该方法可以直接对上下表面进行区域性测量，但是该方法所需的参考镜和直角棱镜尺寸至少是平板尺寸的两倍，消耗成本比较高。
因此，发展一种能够直接对平板上下表面进行干涉测量的装置和方法，对平板的质量检测具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种平板厚度均匀性的干涉测量装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种平板厚度均匀性的干涉测量方法。
本发明的平板厚度均匀性的干涉测量装置，其特点是：
所述的干涉测量装置包括光源、聚焦透镜、分光器Ⅰ、扩束准直透镜、分光器Ⅱ、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、分光器Ⅲ、对准图像传感器、成像透镜、条纹图像传感器和调姿移相器；
所述的光源发出的光穿过聚焦透镜、分光器Ⅰ、扩束准直透镜后入射到分光器Ⅱ上，经分光器Ⅱ透射的光形成光束A，经分光器Ⅱ反射的光形成光束B；
所述的光束A经反射镜Ⅰ反射后照射在平板的上表面，然后被平板的上表面反射后再次被反射镜Ⅰ反射形成反射光束A；
所述的光束B经反射镜Ⅱ反射后照射在平板的下表面，然后被平板的下表面反射后再次被反射镜Ⅱ反射形成反射光束B；
所述的反射光束A与反射光束B在分光器Ⅱ处重合，形成干涉光束，干涉光束经过扩束准直透镜后被分光器Ⅰ反射，到达分光器Ⅲ，被分光器Ⅲ反射的光形成对准光束，经分光器Ⅲ透射的光形成成像光束；
所述的对准图像传感器位于扩束准直透镜的焦面上，对准光束在对准图像传感器上形成光点；
所述的成像光束穿过成像透镜，在条纹图像传感器上形成干涉条纹。
本发明的平板厚度均匀性的干涉测量方法包括以下步骤：
a.启动平板厚度均匀性的干涉测量装置；
b.将平板装夹在调姿移相器上；
c.调整调姿移相器的姿态，使对准图像传感器上的两个光点中的一个与参考位置重合，参考位置是为保证测量准确性而预先标定好的位置；
d.调姿移相器改变光束A 与光束B 之间的光程差，每改变一次光程差，条纹图像传感器采集一幅干涉图，一共采集M幅干涉图；
e.使用位相提取算法从采集的M幅干涉图中提取位相θ，对θ解包裹得到U(θ)，计算平板的厚度均匀性t= U(θ)×λ/4π，λ是光源的波长。
本发明的平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法采用移相干涉方式，利用平板上下表面的反射光进行干涉，不需要参考镜和较大的通光口径，单次测量可以得到整个平板的厚度均匀性。本发明的平板厚度均匀性的干涉测量装置及测量方法能够对平板厚度均匀性进行区域性的直接测量，具有高效率、高精度、低成本的优点，对相关领域具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的平板厚度均匀性的干涉测量装置的结构示意图；
图中，1.光源 2.聚焦透镜 3.分光器Ⅰ 4.扩束准直透镜 5.分光器Ⅱ 6.反射镜Ⅰ7.反射镜Ⅱ 8.分光器Ⅲ 9.对准图像传感器 10.成像透镜 11.条纹图像传感器 12.调姿移相器 13.光束A 14.光束B 15.平板 16.对准光束 17.成像光束 18. 反射光束A 19. 反射光束B 20.干涉光束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
本发明的平板厚度均匀性的干涉测量装置包括光源1、聚焦透镜2、分光器Ⅰ3、扩束准直透镜4、分光器Ⅱ5、反射镜Ⅰ6、反射镜Ⅱ7、分光器Ⅲ8、对准图像传感器9、成像透镜10、条纹图像传感器11和调姿移相器12；
所述的光源1发出的光穿过聚焦透镜2、分光器Ⅰ3、扩束准直透镜4后入射到分光器Ⅱ5上，经分光器Ⅱ5透射的光形成光束A13，经分光器Ⅱ5反射的光形成光束B14；
所述的光束A13经反射镜Ⅰ6反射后照射在平板15的上表面，然后被平板15的上表面反射后再次被反射镜Ⅰ6反射形成反射光束A18；
所述的光束B14被反射镜Ⅱ7反射后照射在平板15的下表面，然后被平板15的下表面反射后再次被反射镜Ⅱ7反射形成反射光束B19；
所述的反射光束A18与反射光束B19在分光器Ⅱ5处重合，形成干涉光束20，干涉光束20经过扩束准直透镜4后被分光器Ⅰ3反射，到达分光器Ⅲ8，被分光器Ⅲ8反射的光形成对准光束16，经分光器Ⅲ8透射的光形成成像光束17；
所述的对准图像传感器9位于扩束准直透镜4的焦面上，对准光束16在对准图像传感器9上形成光点；
所述的成像光束17穿过成像透镜10，在条纹图像传感器11上形成干涉条纹。
本发明的平板厚度均匀性的干涉测量方法包括以下步骤：
a.启动平板厚度均匀性的干涉测量装置；
b.将平板15装夹在调姿移相器12上；
c.调整调姿移相器12的姿态，使对准图像传感器9上的两个光点中的一个与参考位置重合，参考位置是为保证测量准确性而预先标定好的位置；
d.调姿移相器12改变光束A 13与光束B 14之间的光程差，每改变一次光程差，条纹图像传感器11采集一幅干涉图，一共采集M幅干涉图；
e.使用位相提取算法从采集的M幅干涉图中提取位相θ，对θ解包裹得到U(θ)，计算平板15的厚度均匀性t= U(θ)×λ/4π，λ是光源1的波长。
步骤d中的光程差的改变量与步骤e中的位相提取算法有关。以经典的四步算法为例，引入的光程差的改变量为λ/8，共采集4幅干涉图（即M=4），记为I1、I2、I3、I4，按照下式计算位相θ：
(1)
其他光程差的改变量和位相提取方法也适用于本发明的平板厚度均匀性的干涉测量方法。

Claims (2)

1.一种平板厚度均匀性的干涉测量装置，其特征在于：
所述的干涉测量装置包括光源（1）、聚焦透镜（2）、分光器Ⅰ（3）、扩束准直透镜（4）、分光器Ⅱ（5）、反射镜Ⅰ（6）、反射镜Ⅱ（7）、分光器Ⅲ（8）、对准图像传感器（9）、成像透镜（10）、条纹图像传感器（11）和调姿移相器（12）；
所述的光源（1）发出的光穿过聚焦透镜（2）、分光器Ⅰ（3）、扩束准直透镜（4）后入射到分光器Ⅱ（5）上，经分光器Ⅱ（5）透射的光形成光束A（13），经分光器Ⅱ（5）反射的光形成光束B（14）；
所述的光束A（13）经反射镜Ⅰ（6）反射后照射在平板（15）的上表面，然后被平板（15）的上表面反射后再次被反射镜Ⅰ（6）反射形成反射光束A（18）；
所述的光束B（14）经反射镜Ⅱ（7）反射后照射在平板（15）的下表面，然后被平板（15）的下表面反射后再次被反射镜Ⅱ（7）反射形成反射光束B（19）；
所述的反射光束A（18）与反射光束B（19）在分光器Ⅱ（5）处重合，形成干涉光束（20），干涉光束（20）经过扩束准直透镜（4）后被分光器Ⅰ（3）反射，到达分光器Ⅲ（8），被分光器Ⅲ（8）反射的光形成对准光束（16），经分光器Ⅲ（8）透射的光形成成像光束（17）；
所述的对准图像传感器（9）位于扩束准直透镜（4）的焦面上，对准光束（16）在对准图像传感器（9）上形成光点；
所述的成像光束（17）穿过成像透镜（10），在条纹图像传感器（11）上形成干涉条纹。
2.一种平板厚度均匀性的干涉测量方法，其特征在于，所述的干涉测量方法包括以下步骤：
a.启动平板厚度均匀性的干涉测量装置；
b.将平板（15）装夹在调姿移相器（12）上；
c.调整调姿移相器（12）的姿态，使对准图像传感器（9）上的两个光点中的一个与参考位置重合，参考位置是为保证测量准确性而预先标定好的位置；
d.调姿移相器（12）改变光束A （13）与光束B （14）之间的光程差，每改变一次光程差，条纹图像传感器（11）采集一幅干涉图，一共采集M幅干涉图；
e.使用位相提取算法从采集的M幅干涉图中提取位相θ，对θ解包裹得到U(θ)，计算平板（15）的厚度均匀性t= U(θ)×λ/4π，λ是光源（1）的波长。
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