CN114396887B - 一种动态干涉仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态干涉仪，该干涉仪包括两个干涉通道，分别为零位通道和圆载频通道，其中零位通道采用在焦光源的斐索干涉光路产生共光路干涉条纹，圆载频通道采用离焦光源产生同一斐索腔的圆载频干涉条纹，辅助零位通道条纹进行解相；本发明还公开利用上述动态干涉仪进行测量的方法，首先调整离焦光源的位置，使圆载频通道产生能够用于辅助零位通道进行相位处理的干涉条纹，同步采集零位通道和圆载频通道产生的干涉条纹，并对其进行相位解算和符号校正。本发明的动态干涉仪能够有效抑制振动的影响，获得的测量结果准确可靠，且结构简单，成本低。

Description

一种动态干涉仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种动态干涉仪，尤其涉及一种能够抗振动的动态干涉仪及使用该动态干涉仪对光学元件面形进行测量的方法。

背景技术

斐索干涉仪是一种高精度的光学测量仪器，它被广泛应用于各种光学元件和光学***的精密测量。但在实际应用中，环境振动会导致干涉条纹在测量过程中产生抖动，从而降低测量精度。

为了解决振动对斐索干涉仪的影响，现有技术途径主要包括三类：第一类是短相干同步移相干涉方法，利用短相干光源和像素化掩膜偏振相机，在同一时刻获取四幅移相的干涉条纹图像，从而实现抗振动的动态测量。此类方法的不足之处在于短相干光源的干涉技术需要干涉腔满足零光程干涉条件，光程匹配调节难度大；而且仪器内部玻璃元件的双折射应力会造成较大的非共路回程误差，难以应用于大口径斐索干涉仪。第二类是短相干时间移相干涉方法，利用短相干光源实现干涉腔的线性载频干涉，所产生的直线条纹被用于辅助被测件相位的解算。此类方法的不足之处在于仍然需要采用短相干光源，而且直线条纹无法用于相位符号(波面凹凸方向)的翻转校正。第三类是抗振动软件算法，对干涉条纹进行相位分布和倾斜平面的交替迭代计算，实现受扰相位信息的真实重建。此类方法的不足之处在于无法实现准零条纹(条纹数量少于1根)的可靠测量和相位符号的翻转校正，应用场合受到限制。

综上所述，无论是短相干移相干涉方法还是抗振动软件算法，都难以同时解决非共光路回程误差、准零条纹解相、相位符号翻转校正这三个问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种非共路回程误差小的动态干涉仪和一种能够采用上述动态干涉仪进行准零条纹解相和相位符号翻转校正的抗振动测量方法。

技术方案：本发明的包括第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜、成像镜和第二偏振分束器，其特征在于，所述干涉仪有两个干涉通道，分别为零位通道和圆载频通道，所述零位通道包括第一光源、第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜、成像镜、第二偏振分束器和第一面阵探测器，所述第一光源设置在准直镜的焦点处，所述第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜沿第一光源的光路依次设置，所述成像镜、第二偏振分束器和第一面阵探测器沿非偏振分束器的反射光路依次设置；所述圆载频通道包括第二光源、第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜、成像镜、第二偏振分束器和第二面阵探测器，所述第二光源的光轴垂直于第一光源的光轴且偏离准直镜的焦点，所述第二面阵探测器沿第二偏振分束器的反射光路设置。

进一步地，所述第二光源可沿准直镜光轴移动。

进一步地，所述第一光源出射的光束为P偏振波，所述第二光源出射的光束为S偏振波。

进一步地，所述第一光源为第一激光器经将光束调整为P偏振波的第一半波片和第一扩束镜形成的点光源，所述第二光源为第二激光器经将光束调整为S偏振波的第二半波片和第二扩束镜形成的点光源；或第二光源为第一激光器通过空间分光再经第二半波片和第二扩束镜形成的点光源；或第一光源和第二光源为通过同一激光器经光纤分光获得的两个点光源。

本发明还公开一种使用如前所述的所动态干涉仪的测量方法，包括如下步骤：

(1)使用零位通道采集零位通道干涉条纹图像，调整第二光源的位置至圆载频通道产生的干涉条纹图像可用于相位处理，同步采集多组零位通道和圆载频通道的干涉条纹图像；本步骤中，圆载频通道干涉条纹图像中条纹不少于10根时可用于相位处理，采集的零位通道和圆载频通道干涉条纹图像不少于30组；

(2)采用抗振动算法从圆载频通道干涉条纹中计算出圆载频通道相位分布和振动引起的倾斜相位平面；其中，抗振动算法为相位-倾斜迭代算法或四步倾斜迭代算法；

(3)利用步骤(2)中圆载频通道的倾斜相位平面，对零位通道条纹采用现有的基于最小二乘非等间隔相位提取算法，得到零位通道相位，即被测镜的相位分布；

(4)对零位通道的相位符号进行翻转校正，获得校正后的被测镜相位分布，具体步骤如下：

(41)对圆载频通道相位和零位通道相位的差值进行Zernike多项式拟合，得到离焦项系数的正负符号；

(42)如果第二光源位于准直镜的焦点以内，离焦项系数符号为正号，则对零位通道相位的符号方向进行翻转；若离焦项系数符号为负号，则保持零位通道相位的符号方向；

(43)如果第二光源位于准直镜的焦点以外，离焦项系数符号为正号，则保持零位通道相位的符号方向；若离焦项系数符号为负号，则需对零位通道相位的符号方向进行翻转。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：保留了高质量的共光路斐索干涉结构，有效抑制***的回程误差；获得辅助条纹的过程简单，不需满足零光程干涉的条件，能够实现准零条纹状态的可靠测量；能够实现相位符号的翻转校正；光机结构简单易于实现，且制造成本较低。

附图说明

图1为本发明动态干涉仪的光路示意图。

图2为本发明一个实施例中两个通道的干涉条纹。

图3为本发明一个实施例中相位符号的翻转校正示例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1所示的实施例中的动态干涉仪用于测量光学元件的面形，包括两个干涉通道，分别为零位通道和圆载频通道。其中，零位通道由第一光源1、准直镜5、参考镜6、被测镜7、成像镜8、第一面阵探测器10组成。第一光源1由第一线偏振激光器1.1、第一半波片1.2和第一扩束镜1.3组成；第一半波片1.2用来调整激光光束的偏振方向，将经过第一半波片1.2光束为P偏振波；第一扩束镜1.3将激光光束转换成一个点光源，该点光源位于准直镜5的焦点处。该点光源的光束经过第一偏振分束器3和非偏振分束器4后入射至准直镜5，被转换为准直的平面波，再分别由参考镜6和被测镜7反射得到P偏振波的参考光和测试光。这两束光被非偏振分束器4反射，再通过成像镜8和第二偏振分束器9后在第一面阵探测器10上得到零位干涉条纹。

圆载频通道由可沿准直镜5光轴方向移动的第二光源2(离焦光源)、准直镜5、参考镜6、被测镜7、成像镜8、第二面阵探测器11组成。光源2由第二线偏振激光器2.1、第二半波片2.2和第二扩束镜2.3组成。第二半波片2.2用来调整激光光束的偏振方向，使得经过第二半波片的光束为S偏振波；第二扩束镜2.3将激光光束转换成一个点光源，该点光源在光轴方向上偏离准直镜5的焦点。该点光源的光束被第一偏振分束器3反射，再通过非偏振分束器4后入射至准直镜5，被转换为准直的平面波，再分别由参考镜6和被测镜7反射得到S偏振波的参考光和测试光。这两束光被非偏振分束器4反射后通过成像镜8，再被第二偏振分束器9反射后在第二面阵探测器11上得到圆载频干涉条纹。

圆载频通道利用离焦的第二光源2，通过参考镜6和被测镜7的反射作用产生两个不同曲率半径的球面波，在第二面阵探测器11上得到圆环状分布的干涉条纹。

本实施例中准直镜5的口径为100mm，焦距为600mm，参考镜6的通光口径为100mm，参考镜6和被测镜7的距离(干涉腔长)为80mm时，零位通道和圆载频通道的条纹分布情况如图2所示。其中，图2(a)为零位通道的条纹图，条纹数量为3根左右；图2(b)为第二光源2位于准直镜5的焦点以内16mm处时圆载频通道的条纹图；图2(c)为第二光源2位于准直镜5的焦点以内18mm处时圆载频通道的条纹图；图2(d)为光源2位于准直镜5的焦点以内20mm处时圆载频通道的条纹图；由图2中可见，第二光源2的离焦会产生密集的圆环状条纹；条纹的密集程度反映了载频量，可以通过第二光源2沿准直镜5的光轴的移动进行调整。因此，即使零位通道处于准零条纹状态，第二光源2总能在一个适合的轴向离焦位置上产生非常密集的圆载频条纹。由于圆载频条纹相对于稀疏分布的条纹，它所包含的强度信息比较丰富，因此利用这个条纹即可以很可靠地采用交替迭代算法进行处理，实现振动倾斜相位平面的获取，从而解决零位通道准零条纹状态的可靠测量问题。当圆载频通道的干涉条纹的数量不少于10根即可用于辅助零位通道的相位处理。

本发明的动态干涉仪在上述圆载频通道的辅助下对光学元件进行测量，其过程包括主要包括以下步骤：

(1)调整第二光源的位置，使圆载频通道产生密集的、能够辅助零位通道采集到的干涉条纹进行相位处理的干涉条纹，利用同步触发器控制零位通道和圆载频通道的探测器，使得它们采集的干涉条纹图像为同一时刻。在数据采集过程中，两通道同时采集数十幅数量以上的干涉条纹图像。

(2)采用相位-倾斜迭代算法、四步倾斜迭代算法等类似具有抗振动作用的现有算法，从圆载频通道的数十幅干涉条纹图像中，计算出圆载频通道相位和每个干涉图像对应的振动引起的倾斜相位平面；

(3)利用圆载频通道计算得到的倾斜相位平面序列，对零位通道的数十幅干涉条纹图像采用现有的基于最小二乘非等间隔相位提取算法，得到零位通道相位，即待测相位分布。

(4)由于振动的随机性，步骤(3)得到的零位通道相位会存在相位符号随机翻转的问题，因此需要采用以下的步骤对零位通道干涉条纹进行符号校正，获得最终的测量结果：

(41)对圆载频通道相位和零位通道相位的差值进行Zernike多项式拟合，得到离焦项系数的正负符号；

(42)如果离焦光源位于准直镜的焦点以内，离焦项系数符号为正号，则需对零位通道相位的符号方向进行翻转；若离焦项系数符号为负号，则保持零位通道相位的符号方向；

(43)如果离焦光源位于准直镜的焦点以外，离焦项系数符号为正号，则保持零位通道相位的符号方向；若离焦项系数符号为负号，则需对零位通道相位的符号方向进行翻转。

图3为实施例1中测量过程的处理结果。其中，图3(a)是利用测量步骤(2)处理得到的圆载频通道相位分布，图3(b)是利用测量步骤(3)处理得到的零位通道相位分布。对该圆载频通道相位和零位通道相位的差值进行Zernike多项式拟合，得到的离焦项系数的符号为正号，此时第二光源2位于准直镜5的焦点以内20mm处，按照步骤(4)对零位通道相位的方向进行翻转校正，得到图3(c)的相位分布，即最终的测量结果。

在上述方案中，零位通道采用在焦光源的斐索干涉光路产生高质量的共光路干涉条纹，有效抑制了***的回程误差。圆载频通道采用轴向离焦的光源产生同一斐索腔的圆载频干涉条纹，辅助零位通道条纹进行解相；在测量过程中，利用圆载频通道的密集条纹计算出振动引起的倾斜相位平面，再利用零位通道的稀疏条纹计算出待测的相位分布，最后利用圆载频通道光源的离焦参量校正相位分布的符号方向。

图1给出的实施例中采用了两个独立的激光光源，但在具体实施过程中也可以采用单一激光器进行空间分光，通过分束镜和反射镜把第一线偏振激光器1.1的光束引至第二半波片2.2；也可以采用单一激光器进行光纤分光，使得两根光纤输出的光束等效于两个点光源。另外，本实施例中采用了两个独立的探测器，但在具体实施中也可以采用单一探测器集光的方案，通过反射镜和合束镜把光束引至同一个探测器中。

Claims (9)

1.一种动态干涉仪，包括第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜、成像镜和第二偏振分束器，其特征在于，所述干涉仪有两个干涉通道，分别为零位通道和圆载频通道，所述零位通道包括第一光源、第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜、成像镜、第二偏振分束器和第一面阵探测器，所述第一光源设置在准直镜的焦点处，所述第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜沿第一光源的光路依次设置，所述成像镜、第二偏振分束器和第一面阵探测器沿非偏振分束器的反射光路依次设置；所述圆载频通道包括第二光源、第一偏振分束器、非偏振分束器、准直镜、参考镜、被测镜、成像镜、第二偏振分束器和第二面阵探测器，所述第二光源的光轴垂直于第一光源的光轴且偏离准直镜的焦点，所述第二面阵探测器沿第二偏振分束器的反射光路设置。

2.根据权利要求1所述的动态干涉仪，其特征在于，所述第二光源可沿准直镜光轴移动。

3.根据权利要求1所述的动态干涉仪，其特征在于，所述第一光源出射的光束为P偏振波，所述第二光源出射的光束为S偏振波。

4.根据权利要求1所述的动态干涉仪，其特征在于，所述第一光源为第一激光器经将光束调整为P偏振波的第一半波片和第一扩束镜形成的点光源，所述第二光源为第二激光器经将光束调整为S偏振波的第二半波片和第二扩束镜形成的点光源；或第二光源为第一激光器通过空间分光再经第二半波片和第二扩束镜形成的点光源；或第一光源和第二光源为通过同一激光器经光纤分光获得的两个点光源。

5.一种使用如权利要求1所述的动态干涉仪的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用零位通道采集零位通道干涉条纹图像，调整第二光源的位置至圆载频通道产生的干涉条纹图像可用于相位处理，同步采集多组零位通道和圆载频通道的干涉条纹图像；

(2)采用抗振动算法从圆载频通道干涉条纹中计算出圆载频通道相位分布和振动引起的倾斜相位平面；

(3)利用步骤(2)中圆载频通道的倾斜相位平面，对零位通道条纹采用现有的基于最小二乘非等间隔相位提取算法，得到零位通道相位，即被测镜的相位分布；

(4)对零位通道的相位符号进行翻转校正，获得校正后的被测镜相位分布。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中可用于相位处理的圆载频通道干涉条纹图像中条纹不少于10根。

7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中采集的零位通道和圆载频通道干涉条纹图像不少于30组。

8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中的抗振动算法为相位-倾斜迭代算法或四步倾斜迭代算法。

9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下步骤：

(41)对圆载频通道相位和零位通道相位的差值进行Zernike多项式拟合，得到离焦项系数的正负符号；

(42)如果第二光源位于准直镜的焦点以内，离焦项系数符号为正号，则对零位通道相位的符号方向进行翻转；若离焦项系数符号为负号，则保持零位通道相位的符号方向；

(43)如果第二光源位于准直镜的焦点以外，离焦项系数符号为正号，则保持零位通道相位的符号方向；若离焦项系数符号为负号，则需对零位通道相位的符号方向进行翻转。