CN112033279B - 白光干涉*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，公开一种白光干涉***。本发明基于P光和S光经线性偏振片发生干涉，其中一个光臂采用迈克尔逊干涉中常规的单反射镜对光程进行调节；而在另一个光臂中，采用多反射镜组成的反射式光程调节器对光程进行调节；两者在结构设置上，操作空间彼此独立无挤占，为用户操作提供了极大的便利；且两者的结合能有效弥补任一光臂因装配和机械公差所导致无法发生干涉的问题。与此同时，本发明以第一、第二和第三偏振分束器形成部分光路重叠的第二和第三矩形光路结构并最终形成两个独立的干涉检测端口，方便两个用户或智能终端同步对不同的参数进行测量及分析；充分提高了资源的利用率并降低了成本。

Description

白光干涉***
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种白光干涉***。
背景技术
干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。
白光干涉仪是利用光学干涉原理研制开发的超精密表面轮廓测量仪器。照明光束经半反半透分光镜分威两束光，分别投射到样品表面和参考镜表面。从两个表面反射的两束光再次通过分光镜后合成一束光，并由成像***在CCD相机感光面形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉，在CCD相机感光面会观察到明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差，根据白光干涉条纹明暗度以及干涉条纹出现的位置解析出被测样品的相对高度。
现有的白光干涉仪等设备对半反半透的两束光的光程要求非常高，例如当采用LED光源时，相干长度太短。计算公式具体为：Lc＝λ2/△λ，其中，Lc为激光波长，△λ为激光光谱半高宽(FWHM)。当光程差(OPD)大于或等于激光的相干长度Lc时，不能发生干涉。另一方面，现有的马赫曾德尔干涉的同轴结构基于等光程的设计，但没有考虑装配公差和机械公差，在实际中往往无法调出等光程。藉此，相干长度太短叠加装配和机械公差，从而使得实验室无法自组装出对光程差要求非常高的白光干涉仪。
发明内容
本发明目的在于公开一种白光干涉***，以弥补装配和机械公差所导致无法发生干涉的问题。
为达上述目的，本发明公开一种白光干涉***，包括：
白光光源；
第一分束器，用于将所述白光光源的输入光束分成两路后输出至第一偏振分束器；且所述第一分束器与所述第一偏振分束器之间形成第一矩形光路结构，所述第一矩形光路结构的另外两顶点分别各设置有一个第一反射镜；
所述第一偏振分束器与第二偏振分束器、第二分束器及第二反射镜分设于第二矩形光路结构的四顶点；
所述第一偏振分束器与第三偏振分束器、第三分束器及第三反射镜分设于第三矩形光路结构的四顶点；
所述第一、第二及第三分束器为用于将入射光束分成一路透射光和一路反射光的同类型的一类分束器；
所述第一、第二及第三偏振分束器为用于透射P光并反射S光的同类型的二类分束器；
在所述第二矩形光路结构中，在所述第一偏振分束器与所述第二反射镜之间设置有所述第三偏振分束器；在所述第三偏振分束器与所述第二反射镜之间设置有第一反射式光程调节器，在所述第二分束器的正下方设置有通过上下移动来调节S光光程的第四反射镜；
在所述第二分束器的右侧设置有第二偏振片，所述第二偏振片用于将所述第二矩形光路中的P光和S光发生干涉后传输至第一图像传感器；
在所述第三矩形光路结构中，在所述第一偏振分束器与所述第三分束器之间设置有所述第二偏振分束器；在所述第二偏振分束器与所述第三反射镜之间设置有第二反射式光程调节器，在所述第三分束器的正上方设置有通过上下移动来调节S光光程的第五反射镜；
在所述第三分束器的右侧设置有第三偏振片，所述第三偏振片用于将所述第三矩形光路中的P光和S光发生干涉后传输至第二图像传感器；
其中，所述第一和第二反射式光程调节器各分别通过至少三块反射镜将P光进行改向后复原以调整光程。
在白光干涉仪等实际的应用中，可将第一矩形光路结构中的两个第一反射镜分别替换为样品表面和参考镜表面。
优选地，所述第一和第二反射式光程调节器包括分布于上下左右的四个反射镜；用于将第二和第三矩形光路结构由“口”字型结构转换成能调节P光光程的“凸”字型结构；且P光光程的调节幅度变化与凸出高度成二倍线性关系。
本发明具有以下有益效果：
基于P光和S光经线性偏振片发生干涉。在第二和第三矩形光路结构中，一个光臂采用迈克尔逊干涉中常规的单反射镜对光程进行调节；而在另一个光臂中，采用多反射镜组成的反射式光程调节器对光程进行调节；两者在结构设置上，操作空间彼此独立无挤占，为用户操作提供了极大的便利；且两者的结合能有效弥补任一光臂因装配和机械公差所导致无法发生干涉的问题。与此同时，本发明以第一、第二和第三偏振分束器形成部分光路重叠的第二和第三矩形光路结构并最终形成两个独立的干涉检测端口，方便两个用户或智能终端同步对不同的参数进行测量及分析；充分提高了资源的利用率并降低了成本。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的白光干涉***的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
本实施例公开一种白光干涉***，如图1所示，包括：
白光光源1。
第一分束器3，用于将所述白光光源的输入光束分成两路后输出至第一偏振分束器6；且所述第一分束器与所述第一偏振分束器之间形成第一矩形光路结构，所述第一矩形光路结构的另外两顶点分别各设置有一个第一反射镜4、5。
可选地，在白光光源与第一分束器之间还设置有带通滤光片2，以减少光谱半高宽。通常在真正意义上的白光干涉中，其可去除。
如图1所示，所述第一偏振分束器与第二偏振分束器7、第二分束器8及第二反射镜9分设于第二矩形光路结构的四顶点。
如图1所示，所述第一偏振分束器与第三偏振分束器10、第三分束器12及第三反射镜11分设于第三矩形光路结构的四顶点。
所述第一、第二及第三分束器为用于将入射光束分成一路透射光和一路反射光的同类型的一类分束器。
所述第一、第二及第三偏振分束器为用于透射P光并反射S光的同类型的二类分束器。
在所述第二矩形光路结构中，在所述第一偏振分束器与所述第二反射镜之间设置有所述第三偏振分束器；在所述第三偏振分束器与所述第二反射镜之间设置有第一反射式光程调节器13，在所述第二分束器的正下方设置有通过上下移动来调节S光光程的第四反射镜17。
在所述第二分束器的右侧设置有第二偏振片15，所述第二偏振片用于将所述第二矩形光路中的P光和S光发生干涉后传输至第一图像传感器16。
在所述第三矩形光路结构中，在所述第一偏振分束器与所述第三分束器之间设置有所述第二偏振分束器；在所述第二偏振分束器与所述第三反射镜之间设置有第二反射式光程调节器14，在所述第三分束器的正上方设置有通过上下移动来调节S光光程的第五反射镜20。其中，第四和第五反射镜可采用高精度的位移台来进行移动。
在所述第三分束器的右侧设置有第三偏振片18，所述第三偏振片用于将所述第三矩形光路中的P光和S光发生干涉后传输至第二图像传感器19。其中，第二和第三偏振片的作用在于让透过偏振片的光的偏振方向，夹在P光和S光之间，以发生干涉；其中，当偏振片采用偏振方向与P光和S光各成45度或135度的线性偏振片时，干涉效果最好。
其中，所述第一和第二反射式光程调节器各分别通过至少三块反射镜将P光进行改向后复原以调整光程。
本实施例在类似于白光干涉仪等应用场景中，所述第一矩形光路结构中的两个所述第一反射镜分别为样品表面和参考镜表面。
优选地，如图1所示，本实施例所述第一和第二反射式光程调节器包括分布于上下左右的四个反射镜；用于将第二和第三矩形光路结构由“口”字型结构转换成能调节P光光程的“凸”字型结构；且P光光程的调节幅度变化与凸出高度成二倍线性关系。该结构不需要考虑传统迈克尔逊干涉仪中光栅的补偿机制等问题，简单实用、且可实现光程调幅的精确控制。
优选地，在所述第二矩形光路结构中，位于左侧的上下两个反射镜同步进行左右方向的矢量位移；和/或在所述第三矩形光路结构中，位于上部的左右两个反射镜同步进行上下方向的矢量位移。例如：其联动结构可采用中空屋脊棱镜反射镜实现。
值得说明的是：第二分束器会反射部分P光至第二偏振分束器，同理，第三分束器会反射部分P光至第三偏振分束器；由于第二和第三偏振分束器对P光的透射，起到自带隔离的效果，从而可以有效避免反射光的串扰。
实施例二
本实施例的白光干涉***，与上述实施例一的不同之处在于：将所述第一反射式光程调节器与所述第四反射镜分别对P光和S光的光程调节对调为以所述第一反射式光程调节器对S光进行光程调节、以及以所述第四反射镜对P光进行光程调节；具体对调关系包括：
将所述第一反射式光程调节器移位至所述第二偏振分束器与所述第三分束器之间，以及将所述第二偏振片及所述第一图像传感器的组合与所述第四反射镜的位置进行互换。其中，第一反射式光程调节器不与第三矩形光路结构产生光路交叉。
实施例三
本实施例公开一种白光干涉***，本实施例与实施例一和实施例二的不同之处在于，将所述第二反射式光程调节器与所述第五反射镜分别对P光和S光的光程调节对调为以所述第二反射式光程调节器对S光进行光程调节、以及以所述第五反射镜对P光进行光程调节；具体对调关系包括：
将所述第二反射式光程调节器移位至所述第三偏振分束器与所述第三反射镜之间，以及将所述第三偏振片及所述第二图像传感器的组合与所述第五反射镜的位置进行互换。同理，第二反射式光程调节器不与第二矩形光路结构产生光路交叉。
上述实施例二和三的变形为本领域技术人员在实施例一的启示下所能轻易想见的变形，不做赘述。
综上，本发明上述各实施例所分别公开的白光干涉***，基于P光和S光经线性偏振片发生干涉。在第二和第三矩形光路结构中，一个光臂采用迈克尔逊干涉中常规的单反射镜对光程进行调节；而在另一个光臂中，采用多反射镜组成的反射式光程调节器对光程进行调节；两者在结构设置上，操作空间彼此独立无挤占，为用户操作提供了极大的便利；且两者的结合能有效弥补任一光臂因装配和机械公差所导致无法发生干涉的问题。与此同时，本发明以第一、第二和第三偏振分束器形成部分光路重叠的第二和第三矩形光路结构并最终形成两个独立的干涉检测端口，方便两个用户或智能终端同步对不同的参数进行测量及分析；充分提高了资源的利用率并降低了成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种白光干涉***，其特征在于，包括：
白光光源；
第一分束器，用于将所述白光光源的输入光束分成两路后输出至第一偏振分束器；且所述第一分束器与所述第一偏振分束器之间形成第一矩形光路结构，所述第一矩形光路结构的另外两顶点分别各设置有一个第一反射镜；
所述第一偏振分束器与第二偏振分束器、第二分束器及第二反射镜分设于第二矩形光路结构的四顶点；
所述第一偏振分束器与第三偏振分束器、第三分束器及第三反射镜分设于第三矩形光路结构的四顶点；
所述第一、第二及第三分束器为用于将入射光束分成一路透射光和一路反射光的同类型的一类分束器；
所述第一、第二及第三偏振分束器为用于透射P光并反射S光的同类型的二类分束器；
在所述第二矩形光路结构中，在所述第一偏振分束器与所述第二反射镜之间设置有所述第三偏振分束器；在所述第三偏振分束器与所述第二反射镜之间设置有第一反射式光程调节器，在所述第二分束器的正下方设置有通过上下移动来调节S光光程的第四反射镜；
在所述第二分束器的右侧设置有第二偏振片，所述第二偏振片用于将所述第二矩形光路中的P光和S光发生干涉后传输至第一图像传感器；
在所述第三矩形光路结构中，在所述第一偏振分束器与所述第三分束器之间设置有所述第二偏振分束器；在所述第二偏振分束器与所述第三反射镜之间设置有第二反射式光程调节器，在所述第三分束器的正上方设置有通过上下移动来调节S光光程的第五反射镜；
在所述第三分束器的右侧设置有第三偏振片，所述第三偏振片用于将所述第三矩形光路中的P光和S光发生干涉后传输至第二图像传感器；
其中，所述第一和第二反射式光程调节器各分别通过至少三块反射镜将P光进行改向后复原以调整光程。
2.根据权利要求1所述的白光干涉***，其特征在于，所述第一和第二反射式光程调节器包括分布于上下左右的四个反射镜；用于将第二和第三矩形光路结构由“口”字型结构转换成能调节P光光程的“凸”字型结构；且P光光程的调节幅度变化与凸出高度成二倍线性关系。
3.根据权利要求2所述的白光干涉***，其特征在于，在所述第二矩形光路结构中，位于左侧的上下两个反射镜同步进行左右方向的矢量位移；和/或
在所述第三矩形光路结构中，位于上部的左右两个反射镜同步进行上下方向的矢量位移。
4.根据权利要求1所述的白光干涉***，其特征在于，所述第一矩形光路结构中的两个所述第一反射镜分别为样品表面和参考镜表面。
5.根据权利要求1至4任一所述的白光干涉***，其特征在于，将所述第一反射式光程调节器与所述第四反射镜分别对P光和S光的光程调节对调为以所述第一反射式光程调节器对S光进行光程调节、以及以所述第四反射镜对P光进行光程调节；具体对调关系包括：
将所述第一反射式光程调节器移位至所述第二偏振分束器与所述第三分束器之间，以及将所述第二偏振片及所述第一图像传感器的组合与所述第四反射镜的位置进行互换。
6.根据权利要求1至4任一所述的白光干涉***，其特征在于，将所述第二反射式光程调节器与所述第五反射镜分别对P光和S光的光程调节对调为以所述第二反射式光程调节器对S光进行光程调节、以及以所述第五反射镜对P光进行光程调节；具体对调关系包括：
将所述第二反射式光程调节器移位至所述第三偏振分束器与所述第三反射镜之间，以及将所述第三偏振片及所述第二图像传感器的组合与所述第五反射镜的位置进行互换。
7.根据权利要求5所述的白光干涉***，其特征在于，将所述第二反射式光程调节器与所述第五反射镜分别对P光和S光的光程调节对调为以所述第二反射式光程调节器对S光进行光程调节、以及以所述第五反射镜对P光进行光程调节；具体对调关系包括：
将所述第二反射式光程调节器移位至所述第三偏振分束器与所述第三反射镜之间，以及将所述第三偏振片及所述第二图像传感器的组合与所述第五反射镜的位置进行互换。
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