CN110017793A - 一种双通道式抗振动干涉测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道式抗振动干涉测量装置及方法，装置包括依次设置的用于对光源进行扩束准直的光源扩束准直***，用于检测被测件振动相位平面的辅助干涉测量***，用于结合辅助干涉测量***测量被测件相位分布的主干涉测量***，以及被测件光路***；光源扩束准直***与被测件光路***同光轴，记为第一光轴，辅助干涉测量***与主干涉测量***的光轴分别记为第二光轴、第三光轴，均与第一光轴垂直；光源扩束准直***、主干涉测量***与被测件光路***构成主泰曼—格林干涉光路；光源扩束准直***、辅助干涉测量***与被测件光路***构成辅助泰曼—格林干涉光路。本发明的装置和方法不仅抗振动效果好、测量精度高，且结构简单紧凑，成本较低。

Description

一种双通道式抗振动干涉测量装置及方法

技术领域

本发明属于光干涉计量测试领域，特别是一种双通道式抗振动干涉测量装置及方法。

背景技术

现如今广泛使用光干涉测量技术来测量光学元件面形，传统的光干涉装置及测量方法各式各样，例如迈克尔逊干涉仪、泰曼干涉仪、斐索干涉仪等装置和移相法干涉测量、傅里叶变换法干涉测量、错位干涉测量及外差干涉测量等测量技术。但是这些方法演变至今，对测量环境的要求都十分严格，尤其是无法在振动环境下准确测量出被测相位。

现有的对环境振动具有较好鲁棒性的干涉装置和测量方法主要分为两大类，一类是从数据处理算法上来解决振动问题，这类方案在干涉装置上不做任何改变，正常采集一系列干涉图样，用数据处理算法计算出由环境振动带来的误差，进而使得相位计算更加准确。这类方法中数据处理算法有很多种，但在干涉图条纹数较少的时候测量误差就会显现出来，尤其是零条纹干涉图。另一类主要是从干涉装置上来克服振动带来的影响，比较常用的是在斐索型共光路干涉仪中用同步四步移相法来解决，斐索型干涉装置本身就具有一定的抗振效果，再在光路后面将干涉光束分为四束，每束光束中通过偏振器件引入不同的移相量，便可以同时采集四副移相干涉图，能有效克服振动对测量带来的影响。在这一类方案中，各移相图之间的空间相对位置关系是未知的，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服干涉测量时环境振动带来的影响、提高测量精度的双通道式抗振动干涉测量装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双通道式抗振动干涉测量装置，包括依次设置的：用于对光源进行扩束准直的光源扩束准直***，用于检测被测件振动相位平面的辅助干涉测量***，用于结合辅助干涉测量***测量被测件相位分布的主干涉测量***，以及被测件光路***；

光源扩束准直***与被测件光路***同光轴，记为第一光轴，辅助干涉测量***与主干涉测量***的光轴分别记为第二光轴、第三光轴，均与第一光轴垂直；光源扩束准直***、主干涉测量***与被测件光路***构成主泰曼—格林干涉光路；光源扩束准直***、辅助干涉测量***与被测件光路***辅助构成泰曼—格林干涉光路。

基于上述双通道式抗振动干涉测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、光源扩束准直***出射线偏振光，并由辅助干涉测量***对线偏振光进行透射和反射；

步骤2、主干涉测量***将步骤1的透射光分为正交的p光和s光，且s光经主干涉测量***形成与原s光正交的第一参考光；p光经被测件光路***形成测试光并经主干涉测量***反射和透射，分别获得第一测试光、第二测试光；

步骤3、步骤1的反射光经辅助干涉测量***反射形成第二参考光；

步骤4、第一测试光与第一参考光经主干涉测量***合束并产生干涉，调节被测件光路***使干涉条纹稀疏，之后采集相应的干涉图像序列；同时第二测试光与第二参考光经辅助干涉测量***合束并产生干涉，调节辅助干涉测量***使干涉条纹密集，之后采集相应的干涉图像序列；

步骤5、根据步骤4获得的干涉图，解算被测件的相位分布。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用双通道式泰曼—格林干涉装置及测量方法，能同时采集两通道干涉信号，一路解算振动平面，一路解算被测相位，能实现有效而迅速地测量，且能克服振动在测量时带来的影响；2)本发明装置不仅能解决环境振动对测量的影响，且结构简单紧凑，测量方法巧妙易懂，成本低。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明双通道式抗振动干涉测量装置结构示意图。

图2为本发明实施例中主干涉测量***采集的一幅干涉图。

图3为本发明实施例中辅助干涉测量***采集的一幅干涉图。

图4为本发明实施例中采用本发明方案测量得到的光学元件相位分布示意图。

图5为本发明实施例中采用传统四步移相方案测得同一光学元件相位分布示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明一种双通道式抗振动干涉测量装置，包括依次设置的：用于对光源进行扩束准直的光源扩束准直***24，用于检测被测件振动相位平面的辅助干涉测量***25，用于结合辅助干涉测量***25测量被测件相位分布的主干涉测量***27，以及被测件光路***28；

光源扩束准直***24与被测件光路***28同光轴，记为第一光轴，辅助干涉测量***25与主干涉测量***27的光轴分别记为第二光轴、第三光轴，均与第一光轴垂直；光源扩束准直***24、主干涉测量***27与被测件光路***28构成主泰曼—格林干涉光路；光源扩束准直***24、辅助干涉测量***25与被测件光路***28构成辅助泰曼—格林干涉光路。

进一步地，光源扩束准直***24包括沿第一光轴依次设置的激光器组件1、半波片2、第一物镜3、第一光阑4和第二物镜5；所述激光器组件1包括线偏振激光器，或包括激光器和起偏器；

主干涉测量***27包括沿第三光轴依次设置的第一标准参考镜12，第一四分之一波片13，偏振分光棱镜7，第一偏振片18，由第三物镜19、第二光阑20和第四物镜21组成的第一缩束成像***，以及第一面阵探测器23；

辅助干涉测量***25包括沿第二光轴依次设置的第二标准参考镜11，分束棱镜6，第二偏振片14，由第五物镜15、第三光阑16和第六物镜17组成的第二缩束成像***，以及第二面阵探测器22；

偏振分光棱镜7和分束棱镜6同时位于第一光轴上；所述第二标准参考镜11和第一标准参考镜12固定于同一调整架26上，调整架26用于调节参考镜的倾斜角度；

被测件光路***28包括沿第一光轴依次设置的第二四分之一波片8、汇聚物镜组9和被测件10。

进一步优选地，入射至偏振分光棱镜7的光束被分为透射的p波和反射的s波，第一四分之一波片13的快轴与s波的夹角为45°，第二四分之一波片8的快轴与p波的夹角为22.5°。

进一步优选地，第一面阵探测器23、第二面阵探测器22为CCD或CMOS相机。

基于上述双通道式抗振动干涉测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、光源扩束准直***24出射线偏振光，并由辅助干涉测量***25对线偏振光进行透射和反射；

步骤2、主干涉测量***27将步骤1的透射光分为正交的p光和s光，且s光经主干涉测量***27形成与原s光正交的第一参考光；p光经被测件光路***28形成测试光并经主干涉测量***27反射和透射，分别获得第一测试光、第二测试光；

步骤3、步骤1的反射光经辅助干涉测量***25反射形成第二参考光；

步骤4、第一测试光与第一参考光经主干涉测量***27合束并产生干涉，调节被测件光路***28使干涉条纹稀疏，之后采集相应的干涉图像序列；同时第二测试光与第二参考光经辅助干涉测量***25合束并产生干涉，调节辅助干涉测量***25使干涉条纹密集，之后采集相应的干涉图像序列；

步骤5、根据步骤4获得的干涉图，解算被测件10的相位分布。

进一步地，步骤1具体为：

由依次设置的线偏振激光器1、半波片2、第一物镜3、第一光阑4和第二物镜5构成的光源扩束准直***24出射线偏振光，并入射至辅助干涉测量***25的分束棱镜6，分束棱镜6对线偏振光进行透射和反射。

进一步地，步骤2具体为：

主干涉测量***27的偏振分光棱镜7将步骤1的透射光分为正交的p光和s光；

之后，s光经第一四分之一波片13成为圆偏振光，再经第一标准参考镜12反射、第一四分之一波片13形成与原s光正交的第一参考光，第一参考光入射至偏振分束镜7后透射；

p光经第二四分之一波片8成为椭圆偏振光，经过汇聚物镜组9后再经被测件10反射成为测试光，该测试光原路返回经四分一波片8成为线偏振光并入射至偏振分光棱镜7，且该线偏振光与p光的方向夹角为45°；偏振分光棱镜7对线偏振光进行反射和透射，反射光束记为第一测试光，透射光束记为第二测试光。

进一步地，步骤3具体为：步骤1的反射光经第二标准参考镜11反射并入射至分束棱镜6后透射形成第二参考光。

进一步地，步骤4具体为：

第一测试光与第一参考光经偏振分光棱镜7合束，并经第一偏振片18产生干涉，之后经由第三物镜19、第二光阑20和第四物镜21组成的第一缩束成像***后入射至第一面阵探测器23的靶面；在此过程中，通过调节半波片2和第一偏振片18实现调节第一面阵探测器23接收到的干涉图条纹的对比度，调节被测件光路***28使干涉条纹稀疏，之后采集相应的干涉图像序列；

第二参考光与第二测试光经分束棱镜6合束，并经第二偏振片14产生干涉，之后经由第五物镜15、第三光阑16和第六物镜17组成的第二缩束成像***后入射至第二面阵探测器22的靶面；在此过程中，通过调节半波片2和第二偏振片14实现调节第二面阵探测器22接收到的干涉图条纹的对比度，通过调整架26调整第二标准参考镜11的倾斜使干涉条纹密集，之后采集相应的干涉图像序列。

进一步地，步骤5所述根据步骤4获得的干涉图，解算被测件10的相位分布，具体为：

步骤5-1、利用傅里叶变换法求取第二面阵探测器22采集到的每幅干涉图的相位其中n＝1,2,3,…，N，N为第二面阵探测器22采集的干涉图的总数；

步骤5-2、求取每幅干涉图的相位对应的待测件相对于第二标准参考镜11的振动相位面所用公式为：

式中，为第一幅干涉图的相位；

步骤5-3、根据振动相位面获取无噪声的振动相位平面P_n(x,y)：

P_n(x,y)＝α_nx+β_ny+γ_n

式中，α_n、β_n、γ_n均为系数，其通过最小二乘法拟合获得；

步骤5-4、主干涉测量通道采集的干涉图光强表达式为：

I_n＝a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y)+P_n(x,y))

式中，a(x,y)为背景光强，b(x,y)为调制幅度；

结合I_n和P_n(x,y)，利用最小二乘解相位法求解待测件相位φ(x,y)。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例

本实施例中，双通道式抗振动干涉测量装置中光源部分激光器1为输出功率5mw的氦氖激光器，波长为632.8nm，经扩束准直***24后光束直径为10mm，汇聚物镜组9的有效焦距为50mm，待测件10为凹面镜，其曲率半径为125mm，通光孔径为25mm，第五透镜15、第六物镜17焦距分别为150mm和75mm，第三透镜19、第四物镜21焦距同样为150mm和75mm，第二面阵探测器22和第一面阵探测器23采样像素均为1920×1200，像素大小为5.8um。

通过上述装置进行测量，主干涉测量***采集的一副干涉条纹图如图2所示，辅助干涉测量***25采集的一幅干涉条纹图如图3所示，共获得一组干涉图，利用该组干涉图计算出待测凹面镜10的相位分布如图4所示，PV＝0.3306λ，RMS＝0.0578λ；利用传统同步移相方案测量同一凹面镜10的相位分布如图5所示，PV＝0.3718λ，RMS＝0.0594λ。

图4、图5相位分布大致相同，由此验证了本发明测量的正确性。而传统的同步移相方案会出现四幅移相图对比度不一致问题，从而导致条纹误差，如图5中相位便有明显的条纹误差，而图4中没有因振动引起的条纹误差。

由此可知，相比于传统方案，本发明的装置和方法不仅抗振动效果好、测量精度高，且结构简单紧凑，成本较低。

Claims (10)

1.一种双通道式抗振动干涉测量装置，其特征在于，包括依次设置的：用于对光源进行扩束准直的光源扩束准直***(24)，用于检测被测件振动相位平面的辅助干涉测量***(25)，用于结合辅助干涉测量***(25)测量被测件相位分布的主干涉测量***(27)，以及被测件光路***(28)；

光源扩束准直***(24)与被测件光路***(28)同光轴，记为第一光轴，辅助干涉测量***(25)与主干涉测量***(27)的光轴分别记为第二光轴、第三光轴，均与第一光轴垂直；光源扩束准直***(24)、主干涉测量***(27)与被测件光路***(28)构成主泰曼—格林干涉光路；光源扩束准直***(24)、辅助干涉测量***(25)与被测件光路***(28)构成辅助泰曼—格林干涉光路。

2.根据权利要求1所述的双通道式抗振动干涉测量装置，其特征在于，所述光源扩束准直***(24)包括沿第一光轴依次设置的激光器组件(1)、半波片(2)、第一物镜(3)、第一光阑(4)和第二物镜(5)；所述激光器组件(1)包括线偏振激光器，或包括激光器和起偏器；

所述主干涉测量***(27)包括沿第三光轴依次设置的第一标准参考镜(12)，第一四分之一波片(13)，偏振分光棱镜(7)，第一偏振片(18)，由第三物镜(19)、第二光阑(20)和第四物镜(21)组成的第一缩束成像***，以及第一面阵探测器(23)；

所述辅助干涉测量***(25)包括沿第二光轴依次设置的第二标准参考镜(11)，分束棱镜(6)，第二偏振片(14)，由第五物镜(15)、第三光阑(16)和第六物镜(17)组成的第二缩束成像***，以及第二面阵探测器(22)；

所述偏振分光棱镜(7)和分束棱镜(6)同时位于第一光轴上；所述第二标准参考镜(11)和第一标准参考镜(12)固定于同一调整架(26)上，调整架(26)用于调节参考镜的倾斜角度；

所述被测件光路***(28)包括沿第一光轴依次设置的第二四分之一波片(8)、汇聚物镜组(9)和被测件(10)。

3.根据权利要求2所述的双通道式抗振动干涉测量装置，其特征在于，入射至偏振分光棱镜(7)的光束被分为透射的p波和反射的s波，所述第一四分之一波片(13)的快轴与所述s波的夹角为45°，第二四分之一波片(8)的快轴与所述p波的夹角为22.5°。

4.根据权利要求3所述的双通道式抗振动干涉测量装置，其特征在于，所述第一面阵探测器(23)、第二面阵探测器(22)为CCD或CMOS相机。

5.基于权利要求1所述双通道式抗振动干涉测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、光源扩束准直***(24)出射线偏振光，并由辅助干涉测量***(25)对线偏振光进行透射和反射；

步骤2、主干涉测量***(27)将步骤1的透射光分为正交的p光和s光，且s光经主干涉测量***(27)形成与原s光正交的第一参考光；p光经被测件光路***(28)形成测试光并经主干涉测量***(27)反射和透射，分别获得第一测试光、第二测试光；

步骤3、步骤1的反射光经辅助干涉测量***(25)反射形成第二参考光；

步骤4、第一测试光与第一参考光经主干涉测量***(27)合束并产生干涉，调节被测件光路***(28)使干涉条纹稀疏，之后采集相应的干涉图像序列；同时第二测试光与第二参考光经辅助干涉测量***(25)合束并产生干涉，调节辅助干涉测量***(25)使干涉条纹密集，之后采集相应的干涉图像序列；

步骤5、根据步骤4获得的干涉图，解算被测件(10)的相位分布。

6.根据权利要求5所述双通道式抗振动干涉测量方法，其特征在于，步骤1具体为：

由依次设置的线偏振激光器(1)、半波片(2)、第一物镜(3)、第一光阑(4)和第二物镜(5)构成的光源扩束准直***(24)出射线偏振光，并入射至辅助干涉测量***(25)的分束棱镜(6)，分束棱镜(6)对线偏振光进行透射和反射。

7.根据权利要求6所述双通道式抗振动干涉测量方法，其特征在于，步骤2具体为：

主干涉测量***(27)的偏振分光棱镜(7)将步骤1的透射光分为正交的p光和s光；

之后，s光经第一四分之一波片(13)成为圆偏振光，再经第一标准参考镜(12)反射、第一四分之一波片(13)形成与原s光正交的第一参考光，第一参考光入射至偏振分束镜(7)后透射；

p光经第二四分之一波片(8)成为椭圆偏振光，经过汇聚物镜组(9)后再经被测件(10)反射成为测试光，该测试光原路返回经四分一波片(8)成为线偏振光并入射至偏振分光棱镜(7)，且该线偏振光与p光的方向夹角为45°；偏振分光棱镜(7)对线偏振光进行反射和透射，反射光束记为第一测试光，透射光束记为第二测试光。

8.根据权利要求7所述双通道式抗振动干涉测量方法，其特征在于，步骤3具体为：步骤1的反射光经第二标准参考镜(11)反射并入射至分束棱镜(6)后透射形成第二参考光。

9.根据权利要求8所述双通道式抗振动干涉测量方法，其特征在于，步骤4具体为：

第一测试光与第一参考光经偏振分光棱镜(7)合束，并经第一偏振片(18)产生干涉，之后经由第三物镜(19)、第二光阑(20)和第四物镜(21)组成的第一缩束成像***后入射至第一面阵探测器(23)的靶面；在此过程中，通过调节半波片(2)和第一偏振片(18)实现调节第一面阵探测器(23)接收到的干涉图条纹的对比度，调节被测件光路***(28)使干涉条纹稀疏，之后采集相应的干涉图像序列；

第二参考光与第二测试光经分束棱镜(6)合束，并经第二偏振片(14)产生干涉，之后经由第五物镜(15)、第三光阑(16)和第六物镜(17)组成的第二缩束成像***后入射至第二面阵探测器(22)的靶面；在此过程中，通过调节半波片(2)和第二偏振片(14)实现调节第二面阵探测器(22)接收到的干涉图条纹的对比度，通过调整架(26)调整第二标准参考镜(11)的倾斜使干涉条纹密集，之后采集相应的干涉图像序列。

10.根据权利要求9所述的双通道式抗振动干涉测量方法，其特征在于，步骤5所述根据步骤4获得的干涉图，解算被测件(10)的相位分布，具体为：

步骤5-1、利用傅里叶变换法求取第二面阵探测器(22)采集到的每幅干涉图的相位其中n＝1,2,3,…，N，N为第二面阵探测器(22)采集的干涉图的总数；

步骤5-2、求取每幅干涉图的相位对应的待测件相对于第二标准参考镜(11)的振动相位面所用公式为：

式中，为第一幅干涉图的相位；

步骤5-3、根据振动相位面获取无噪声的振动相位平面P_n(x,y)：

P_n(x,y)＝α_nx+β_ny+γ_n

式中，α_n、β_n、γ_n均为系数，其通过最小二乘法拟合获得；

步骤5-4、主干涉测量通道采集的干涉图光强表达式为：

I_n＝a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y)+P_n(x,y))

式中，a(x,y)为背景光强，b(x,y)为调制幅度；

结合I_n和P_n(x,y)，利用最小二乘解相位法求解待测件相位φ(x,y)。