CN116379961A - 一种相位测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学精密测量技术领域，提供了一种相位测量***及方法，所述相位测量***包括可调谐激光器、He‑Ne激光器、第一二向色镜、消色差二分之一波片、消色差扩束镜组、偏振分束立方、第一消色差四分之一波片、第一银膜反射镜、分束立方、空间光调制器、第二消色差四分之一波片、第一透镜、半透半反镜、离轴反射镜、指示光成像***、第一带通滤波片、多波长相位测量模块、数据采集处理单元；本发明利用可调谐波长激光测量技术、像素移位测量技术以及引入空间光调制器，可以实现大梯度差相位前特别是非球面和自由曲面的大范围和高分辨率测量，解决现有的干涉测量技术无法实现对大梯度差相位进行大范围、高分辨率测量的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，特别是涉及一种相位测量***及方法。
背景技术
在现代光学工程实践中，人们为了提升光学***的光学性能不断尝试采用更具设计灵活性和设计自由度的非球面及自由曲面。这些复杂表面的高精度加工需要借助精密相位测量***检测并精准标称待测光学表面的面形误差以达到精密加工无限逼近于理想面形的目的。目前，光学行业内普遍使用的传统测量方法为干涉测量法。干涉测量法的特点是***结构简单、测量快速、直接，该方法基于传统的迈克尔逊干涉原理，采用同一单色激光光源产生一路参考波前和一路测量波前，这两路波前的干涉结果由相机探测器接收，并引起相机探测器芯片上采集到的图像条纹的变化。由两路波前之间的相位差可以计算出待测表面的面形数据。但是由于测量工况常常是非理想状态，容易受到光束路径不一致、环境振动、温度扰动、空气湍流等环境因素的影响，造成测量结果的抖动，引入较大的***测量误差。
干涉测量方法按照测试光路的形态不同可以分为共光路测量方法和非共光路测量方法。共光路干涉测量***（如斐索干涉测量方法）的提出可以有效解决传统的非共光路测量方法（如泰曼-格林干涉测量法等）由于测试光与指示光不共光路导致测量精度和稳定性的降低等问题。
但是，环境扰动对共光路带来的影响难以消除，只有动态干涉测量法能够降低环境扰动对干涉测量精度的影响。动态干涉仪可以通过实时测量瞬时波前并对采集的数据进行分析，进一步提高其测量的精度并降低环境扰动产生随机误差对测量结果的影响。而对于大口径干涉测量***来说，由于玻璃材料及机械结构的局限性，导致***的光学均匀性像差不能被完全消除，造成对比模糊和波前测量误差，限制了大口径干涉仪口径的进一步扩大。
在现代光学测量技术中，常见的补偿光学器件包括传统的折(反)射式补偿器，基于计算全息(CGH)的衍射式补偿器以及基于可变形反射镜(DM)或空间光调制器(SLM)的可编程(自适应)补偿器，此外针对圆锥曲面还可以采用无像差点法进行零位检测，其中计算机生成全息图（CGH）是测量非球面光学器件的最新技术，具有计算速度快，光互连定位准确的优点，但是需要根据不同被测表面定制不同的补偿元件。当被测表面与参考表面有较大偏差时，会出现高条纹密度的干涉条纹，当偏差过大时，测试光的渐晕还会造成被测表面上的部分区域无法测量。当测试复杂形状表面时，所有的这些影响都将限制传统斐索干涉仪的应用。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种相位测量***及方法，可以实现大梯度差相位前特别是非球面和自由曲面的大范围和高分辨率测量，解决现有的干涉测量技术无法实现对大梯度差相位进行大范围、高分辨率测量的技术问题。
本发明的另一目的在于，提供一种相位测量***及方法，所述相位测量***以共光路干涉测量为***基准，能够有效降低非共光路误差对***测量精度造成的不利影响。
本发明的另一目的在于，提供一种相位测量***及方法，通过选取可调谐激光器为测试光源,利用其能产生不同中心波长的窄线宽激光的特点，解决了传统单色光测量方法中无法消除2π相位不确定性的技术缺陷，实现高精度大范围的波前测量，同时选取He-Ne激光器为指示光源，将测量光测试光与指示光合束，通过指示光装调辅助***可实现待测样品的快速光学对准，节约了测试准备时间、提高测试的效率。
本发明的另一目的在于，提供一种相位测量***及方法，通过引入SLM（空间光调制器）对平行光场进行波前调控，通过模拟不同离轴点光源来补偿局部梯度，实现对待测面的离轴照明、大梯度差的波前干涉测量以及解决渐晕和高密度干涉条纹对参考波的影响，能够有效补偿***中成像光学器件引起的高阶误差，实现了先进光学制造的高精度检测。
本发明的另一目的在于，提供一种相位测量***及方法，本发明通过***光阑设置起到遮挡测量区域以外的杂散光，避免杂散光对测量精准度的影响，同时将干涉图的条纹密度限制在奈奎斯特标准以下，克服传统点源阵列中产生干涉图重叠的问题。
本发明的另一目的在于，提供一种相位测量***及方法，本发明通过基于偏振移相技术的动态干涉测量法，实现了动态测量，从而避免环境扰动对测量精度及稳定的影响，***的抗干扰能力大大增强。
本发明的另一目的在于，提供一种相位测量***及方法，本发明利用相位放大技术实现测量分辨率的提升。利用级联的二次谐波放大技术将偏振干涉仪的两个偏振模式的相位差放大4倍。利用像素移位技术实现四幅相位差45°的偏振测量，实现精确的瞬态测量，避免环境振动带来的测量误差的影响。同时本发明的相位测量方法同时将传统干涉仪的测量精度提升了4倍，且不受环境振动影响的干扰，具有瞬态测量不受环境振动影响、多波长联合测量精度高、可拓展量程且不受2π相位模糊影响的优点。
为实现以上至少一项发明目的，本发明提供了一种相位测量***，包括：
干涉光产生装置，其用于产生两束偏振态互相正交的波长为λ1的参考线偏振光和含有待测样品的待测面波前信息的测试线偏振光，并使得两者干涉形成含有待测样品的待测面波前信息的波长为λ1的干涉光；
多波长相位测量模块，其设置在所述干涉光产生装置的输出光路上，用于采集波长为λ1的干涉光及其依次经一次倍频和二次倍频后分别获得的波长为λ1/2和λ1/4的倍频光对应的偏振干涉图样；
数据采集处理单元，其电连接于所述干涉光产生装置和所述多波长相位测量模块，用于控制所述干涉光产生装置和所述多波长相位测量模块的工作，并用于对所述多波长相位测量模块采集的干涉光进行数据处理、信息提取和显示。
可选地，所述干涉光产生装置包括用于发出测试光的可调谐激光器、用于发出指示光的He-Ne激光器、依次设置在测试光路上的线偏振光产生模块、空间光调制器以及待测样品波前信息提供模块，
其中所述线偏振光产生模块用于将测试光和指示光耦合并将耦合光转换为两束能量相等且偏振态互相正交的第一线偏振光和第二线偏振光，以输出波长为λ1的参考线偏振光；
所述空间光调制器为反射式空间光调制器，用于对所述线偏振光产生模块输出的部分线偏振光进行波前相位调制，得到调制光，调制光经由所述待测样品波前信息提供模块入射待测样品，并经由所述待测样品依次反射回所述待测样品波前信息提供模块和所述线偏振光产生模块中，输出含有待测样品的待测面波前信息的测试线偏振光。
可选地，所述线偏振光产生模块包括设置在所述测试光的光路上的线偏振光产生组件，所述线偏振光产生组件包括依次设置在所述测试光的光路上的第一二向色镜、消色差二分之一波片、消色差扩束镜组以及偏振分束立方；其中，
所述第一二向色镜用于耦合测试光和指示光；所述消色差二分之一波片用于将所述耦合光形成线偏振光；所述消色差扩束镜组用于对所述线偏振光进行扩束；所述偏振分束立方用于将所述线偏振光分成能量相等且偏振态互相正交的所述第一线偏振光和所述第二线偏振光。
可选地，所述线偏振光产生模块还包括依次设置在所述偏振分束立方的一侧的第一消色差四分之一波片和第一银膜反射镜；其中，
所述第一消色差四分之一波片用于使得第一线偏振光变为圆偏振光；所述第一银膜反射镜用于调整所述圆偏振光的旋转方向。
可选地，所述相位测量***还包括电连接于所述数据采集处理单元的指示光成像***，所述指示光成像***用于对指示光聚焦光斑成像。
可选地，所述待测样品波前信息提供模块包括依次设置的分束立方、分束立方的反射光路上的第二消色差四分之一波片、第一透镜、半透半反镜以及离轴反射镜；其中，
所述分束立方用于将所述偏振分束立方的第二线偏振光正入射至所述空间光调制器，并用于将所述空间光调制器调制后的一部分调制光反射至所述待测样品波前信息提供模块，和将所述空间光调制器调制后的另一部分调制光正入射回所述偏振分束立方中；
所述第二消色差四分之一波片用于对经由所述分束立方反射的调制光和携带有待测样品的波前信息的反射光的偏振态进行调整，使得两束光的偏振态相互正交；
所述第一透镜的焦平面与所述离轴反射镜的焦平面重合；
所述半透半反镜用于将来自于所述离轴反射镜的一部分光透射到所述指示光成像***成像，并将来自于所述第一透镜的另一部分光反射至所述离轴反射镜和将来自于所述离轴反射镜的另一部分光反射回所述第一透镜；
所述离轴反射镜的反射面为曲形反射面；所述离轴反射镜的反射面与待测样品的待测面相对，用于将入射的调制光反射至待测样品的待测面，并用于将待测样品的待测面反射的光束反射回所述半透半反镜中。
可选地，所述指示光成像***包括沿所述半透半反镜的透射光路依次设置的毛玻璃屏、相机成像镜头以及相机，其中所述毛玻璃屏为含有待测样品表面波前信息的光形成的指示光聚焦光斑提供一个投影屏；所述相机成像镜头用于将所述毛玻璃屏上的指示光聚焦光斑成像于所述相机的探测器表面；所述相机用于对所述指示光聚焦光斑进行成像。
可选地，所述多波长相位测量模块包括依次设置的第一像素移位偏振测量装置、一次倍频发生器、第二像素移位偏振测量装置、二次倍频发生器以及第三像素移位偏振测量装置；其中，
所述第一像素移位偏振测量装置用于波长为λ1的干涉光的干涉波前信息进行成像分析；
所述一次倍频发生器用于对波长为λ1的干涉光进行倍频产生波长为λ1/2的倍频光；
所述第二像素移位偏振测量装置用于对波长为λ1/2的倍频光的干涉波前信息进行成像分析；
所述二次倍频发生器用于对波长为λ1/2的倍频光进行倍频产生波长为λ1/4的倍频光；
所述第三像素移位偏振测量装置用于对波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
可选地，所述第一像素移位偏振测量装置、所述第二像素移位偏振测量装置以及所述第三像素移位偏振测量装置的结构相同，三者均包括分束镜和像素移位偏振测量装置，所述分束镜用于分束干涉光的部分进入像素移位偏振测量装置，所述像素移位偏振测量装置用于对所述分束镜分束的干涉光的干涉波前信息进行成像分析。
可选地，所述像素移位偏振测量装置包括依次设置的第二半透半反镜、成像镜头和偏振成像组件，其中所述偏振成像组件包括顺次设置的微透镜阵列、微偏振器阵列和光电探测器阵列。
可选地，所述第一像素移位偏振测量装置、所述第二像素移位偏振测量装置和所述第三像素移位偏振测量装置利用所述光电探测器阵列采集的四个所述线栅偏振片分类像素记录的光强信号，并将光强信号传送至所述数据采集处理单元，所述数据采集处理单元根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠数据处理得到待测样品表面的高精度波前或面形数据。
可选地，所述多波长相位测量模块还包括依次设置在所述第一像素移位偏振测量装置和所述一次倍频发生器之间的第二银膜反射镜和第二二向色镜，所述第二银膜反射镜用于将所述第一像素移位偏振测量装置输出的波长为λ1的干涉光折转入射到所述第二二向色镜；所述第二二向色镜用于透射波长为λ1的干涉光，并用于将所述一次倍频发生器产生的波长为λ1/2的倍频光反射至所述第二像素移位偏振测量装置。
可选地，所述一次倍频发生器包括依次设置的二向色偏振分束立方、二向色二分之一波片、第一抛物面银镜、第一晶体、第二抛物面银镜；其中，
所述二向色偏振分束立方用于透射波长为λ1的干涉光，反射经过所述第一晶体倍频产生的波长为λ1/2的倍频光；
所述二向色二分之一波片用于调节波长为λ1的干涉光的偏振方向，以使得波长为λ1的干涉光的偏振方向与所述第一晶体的相位相匹配；
所述第一抛物面银镜用于将波长为λ1的干涉光聚焦在所述第一晶体的晶体长度中心；
所述第一晶体用于将波长为λ1的干涉光倍频产生波长为λ1/2的倍频光；
所述第二抛物面银镜用于将所述第一晶体产生的波长为λ1/2的倍频光准直。
可选地，所述二次倍频发生器包括依次设置的第二透镜、第二晶体、第三透镜以及第二带通滤波片；其中，
所述第二透镜用于将波长为λ1的干涉光聚焦在所述第二晶体中；
所述第二晶体用于将波长为λ1/2的倍频光倍频产生波长为λ1/4的倍频光；
所述第三透镜用于将波长为λ1/4的倍频光准直；
所述第二带通滤波片用于滤除波长为λ1/4的倍频光中的杂散光。
可选地，所述第一晶体为周期极化铌酸锂晶体，所述第二晶体为β-硼酸钡晶体。
本发明在另一方面还提供了一种相位测量方法，采用相位测量***对待测样品的表面波前或面形数据进行测量，所述相位测量***包括可调谐激光器、He-Ne激光器、第一二向色镜、消色差二分之一波片、消色差扩束镜组、偏振分束立方、第一消色差四分之一波片、第一银膜反射镜、分束立方、空间光调制器、第二消色差四分之一波片、第一透镜、半透半反镜、离轴反射镜、指示光成像***、多波长相位测量模块、数据采集处理单元；所述相位测量方法包括以下步骤：
S1、所述可调谐激光器发出的测试光与所述He-Ne激光器发出的指示光在所述第一二向色镜上耦合，耦合光通过所述消色差二分之一波片变成线偏振光，所述线偏振光由所述消色差扩束镜组扩束；
S2、扩束后的线偏振光入射到所述偏振分束立方上，然后分成两束能量相等且偏振态互相正交的第一线偏振光和第二线偏振光；
S3、第一线偏振光入射到所述第一消色差四分之一波片的变成圆偏振光，然后在所述第一银膜反射镜上反射且旋向相反，再通过所述第一消色差四分之一波片回到所述偏振分束立方，形成波长为λ1的参考线偏振光；
S4、第二线偏振光经由所述分束立方正入射到所述空间光调制器进行调制，得到调制光，一部分调制光经过所述分束立方正入射到所述偏振分束立方，再反射到所述第一带通滤波片上；另一部分则反射到所述第二消色差四分之一波片处；从所述第二消色差四分之一波片出射的调制光一部分通过所述半透半反镜反射到所述离轴反射镜上，并经过所述离轴反射镜准直入射到所述待测样品表面并沿原路返回空间光调制器，得到形成含有待测样品的待测面波前信息的波长为λ1的测试线偏振光，另一部分进入指示光成像***；
S5、波长为λ1的参考线偏振光和含有待测样品的待测面波前信息的波长为λ1的测试线偏振光之间发生干涉形成波长为λ1的干涉光；
S6、波长为λ1的干涉光在透过所述第一带通滤波片后入射到所述多波长相位测量模块中，通过所述多波长相位测量模块获得波长为λ1的干涉光、波长为λ1/2、λ1/4的倍频光；
S7、所述数据采集处理单元共收集到波长为λ1的干涉光、波长为λ1/2、λ1/4的倍频光并进行处理、分析和显示所述待测样品表面面形图样及数据信息。
可选地，所述多波长相位测量模块包括：第一像素移位偏振测量装置、第二银膜反射镜、第二二向色镜、二向色偏振分束立方、二向色二分之一波片、第一抛物面银镜、第一晶体、第二抛物面银镜、第二像素移位偏振测量装置、第二透镜、第二晶体、第三透镜、第二带通滤波器带通滤波片、第三像素移位偏振测量装置；
步骤S6具体包括步骤：
S61、波长为λ1的干涉光透过所述第一带通滤波片后入射到所述第一像素移位偏振测量装置，通过所述数据采集处理单元获取干涉条纹信息；
S62、透过所述第一像素移位偏振测量装置的波长为λ1的干涉光通过所述第二银膜反射镜、所述第二二向色镜，入射由所述二向色偏振分束立方、所述二向色二分之一波片、所述第一抛物面银镜、所述第一晶体、所述第二抛物面银镜组成的一次倍频发生器，输出波长为λ1/2的倍频光；
S63、波长为λ1/2的倍频光入射到所述第二像素移位偏振测量装置处，所述数据采集处理单元对波长为λ1/2的倍频光进行成像分析；
S64、透射所述第二像素移位偏振测量装置的波长为λ1/2的倍频光再通过由所述第二透镜、所述第二晶体、所述第三透镜、所述第二带通滤波片组成的二次倍频发生器，输出波长为λ1/4的倍频光；
S65、波长为λ1/4的倍频光入射到第三像素移位偏振测量装置，所述数据采集处理单元21对波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
可选地，所述指示光成像***包括毛玻璃屏、相机成像镜头、相机；步骤S4包括步骤：
S41、入射到所述第二消色差四分之一波片的调制光的一部分经由所述半透半反镜透射到所述毛玻璃屏上，形成指示光聚焦光斑，指示光聚焦光斑通过所述相机成像镜头和所述相机进行成像。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明基于菲索干涉测量原理，实现共光路测量，避免了传统测量方法非共光路测量中由于样品光路与参考光指示光路中由于光程及介质不一致所引入的非共光路误差，大大提高了***的检测精度和抗干扰能力。
（2）相比于单色光的干涉测量技术，本发明利用可调谐激光器可实现多波长测量，有效解决了单色光测量技术中无法避免的2π相位不确定性的技术缺陷，可实现更大范围的干涉测量。
（3）本发明利用He-Ne激光作为指示光，辅助光学***装调和样品的快速调整对准，大大提高了整机的安装调试效率且大大缩短了测试准备时间，大大增强了设备的易操作性。
（4）相比于传统固定方向照明干涉测量方法，本发明利用SLM（空间光调制器）对平行光场进行波前调控，将入射的平面波转换为点光源发出的球面波，不同的照明源和共同的参考波前在相机芯片上生成不同子干涉图。倾斜波前的预设倾斜角度部分补偿了待测波前梯度差的影响，既克服了渐晕和干涉图高条纹密度对于相位解缠的不利影响，提高测量的精度和测量范围，也大大放宽了干涉仪中使用的成像光学器件的公差，补偿所用光学器件的高阶误差贡献；并通过引入光圈遮挡不必要的光信息克服参考波问题，解决了先进光学制造的迫切高精度检测的现实需求。
（5）相比于传统干涉测量方法，本发明利用倍频技术，共采集干涉光、二倍频光、4倍频光的12幅移相干涉图谱，其中两级倍频技术将待测相位放大4倍，将共光路相干测量的测量精度提升了4倍，大大提升了干涉测量的精度和信噪比。
（6）本发明利用偏振光测量和像素移位技术，利用偏振成像组件，可同时获得四幅相移干涉图，通过数据采集处理计算机数据采集处理单元计算可获得瞬时待测样品面形数据，实现动态瞬时测量，该方法可有效抑制环境扰动带来的测量误差。
（7）本发明采用离轴反射镜作为光学准直器，较传统干涉测量方法中使用透镜准直的技术策略， 避免了光学介质色差对测量精度的影响，同时受反射镜制造工艺的影响，大尺寸的同等口径的反射镜制造难度及成本相对更低，可用相对较小的成本和相对较低的技术及工程风险实现更大口径干涉测量设备的设计、生产、制造和装调。
（8）本发明技术方案利用多波长解决2π不确定问题，同时利用可变离轴照明补偿大梯度差波前（如非球面和自由曲面）的波前梯度影响，在不丢失测量精度的情况下相比于传统干涉测量方法测量范围更大，可对大梯度差的波前进行高精度干涉测量。
（9）本发明所使用的关键部件均易加工、易获得、互换性良好、易更换及维护。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
图1为本发明的所述相位测量***的结构示意图。
图2为本发明的所述相位测量***的多波长相位测量模块的结构示意图。
图3A为像素移位偏振测量装置的结构示意图。
图3B为像素移位偏振测量装置的侧视示意图。
图3C为像素移位偏振测量装置的微偏振器阵列的俯视示意图。
图3D为微偏振器阵列的偏振器单元的结构示意图。
附图标号说明：可调谐激光器1；He-Ne激光器2；第一二向色镜3；消色差二分之一波片4；消色差扩束镜组5；偏振分束立方6；第一消色差四分之一波片7；第一银膜反射镜8；分束立方9；空间光调制器10；第二消色差四分之一波片11；第一透镜12；半透半反镜13；离轴反射镜14；待测样品15；毛玻璃屏16；相机成像镜头17；相机18；第一带通滤波片19；多波长相位测量模块20；数据采集处理单元21；
第一像素移位偏振测量装置2001；第二银膜反射镜2002；第二二向色镜2003；二向色偏振分束立方2004；二向色二分之一波片2005；第一抛物面银镜2006；第一晶体2007；第二抛物面银镜2008；第二像素移位偏振测量装置2009；第二透镜2010；第二晶体2011；第三透镜2012；第二带通滤波片2013；第三像素移位偏振测量装置2014；第二半透半反镜22；成像镜头23；偏振成像组件24；微透镜阵列241；微偏振器阵列242；光电探测器阵列243。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
针对现有的干涉测量技术无法实现对大梯度差相位进行大范围、高分辨率测量的技术难题，本发明提供一种高分辨率相位测量***及方法，可以实现大梯度差相位前特别是非球面和自由曲面的大范围和高分辨率测量。
如图1至图3D所示，根据本发明的一种相位测量***及方法被具体阐明。
如图1所示，所述相位测量***包括干涉光产生装置、设置在所述干涉光产生装置的输出光路上的多波长相位测量模块20以及数据采集处理单元21。
具体地，所述干涉光产生装置用于产生两束偏振态互相正交的波长为λ1的参考线偏振光和含有待测样品15的待测面波前信息的测试线偏振光，并使得两者干涉形成含有待测样品15的待测面波前信息的波长为λ1的干涉光；
具体地，所述多波长相位测量模块20用于采集波长为λ1的干涉光、波长为λ1/2和λ1/4的倍频光。
具体地，所述数据采集处理单元21用于控制所述干涉光产生装置和所述多波长相位测量模块20的工作，并用于对所述多波长相位测量模块20采集的偏振干涉图样进行数据处理、信息提取和显示。
更具体地，所述干涉光产生装置包括用于发出测试光的可调谐激光器1、用于发出指示光的He-Ne激光器2、依次设置在测试光的光路上的线偏振光产生模块、空间光调制器以及待测样品15波前信息提供模块。
值得一提的是，所述可调谐激光器1为测试光源，产生不同波长的窄线宽激光，用于解决传统单色光激光器作为***光源带来的中2π相位不确定性问题，实现高精度的大范围波前测量。所述He-Ne激光器2的作用为向***光路中耦合可视红色激光，优化和简化***的装调。
所述线偏振光产生模块用于将测试光和指示光耦合并将测试光转换为两束能量相等且偏振态互相正交的第一线偏振光和第二线偏振光，以输出波长为λ1的参考线偏振光。
所述空间光调制器10用于对所述线偏振光产生模块输出的部分线偏振光进行波前相位调制，得到调制光，调制光经由所述待测样品15波前信息提供模块反射进入待测样品15，并经由所述待测样品15依次反射回所述待测样品15波前信息提供模块和所述线偏振光产生模块中，输出含有待测样品15的待测面波前信息的测试线偏振光。
可以理解的是，本发明通过所述线偏振光产生模块、所述空间光调制器10以及所述待测样品15波前信息提供模块构建了测试光和参考光的共光路***，本发明基于菲索干涉测量原理，实现共光路测量，避免了传统测量方法非共光路测量中由于样品光路与参考光指示光路中由于光程及介质不一致所引入的非共光路误差，大大提高了***的检测精度和抗干扰能力。
更具体地，所述线偏振光产生模块包括设置在所述测试光的光路上的线偏振光产生组件，所述线偏振光产生组件包括依次设置在所述测试光的光路上的第一二向色镜3、消色差二分之一波片4、消色差扩束镜组5以及偏振分束立方6。
所述第一二向色镜3用于耦合测试光和指示光，也就是说，所述第一二向色镜3的作用是将所述可调谐激光器1和He-Ne激光器2发出的光束耦合，在这一具体实施例中，耦合光与原测试光同轴。
所述消色差二分之一波片4用于将耦合光形成线偏振光。具体地，所述消色差二分之一波片4的作用是将所述可调谐激光器1的光束偏振态调节为45°偏振态，使得入射到所述偏振分束立方6的线偏振光被分为水平偏振光和垂直偏振光。
所述消色差扩束镜组5用于对所述线偏振光进行扩束。具体地，所述消色差扩束镜组5的作用是将入射光扩束，扩束后光束直径略小于所述空间光调制器10的工作区域内接圆直径。
所述偏振分束立方6用于将通过所述消色差扩束镜组5的线偏振光分成能量相等且偏振态互相正交的所述第一线偏振光和所述第二线偏振光。
也就是说，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的产生过程为: 所述可调谐激光器1发出的测试光与所述He-Ne激光器2发出的指示光在所述第一二向色镜3上耦合，耦合光通过所述消色差二分之一波片4变成线偏振光，所述线偏振光由所述消色差扩束镜组5扩束; 扩束后的线偏振光入射到所述偏振分束立方6上，然后分成两束能量相等且偏振态互相正交的所述第一线偏振光和所述第二线偏振光。
进一步地，所述线偏振光产生模块还包括依次设置在所述偏振分束立方6的一侧的第一消色差四分之一波片7和第一银膜反射镜8。
所述第一消色差四分之一波片7用于使得第一线偏振光变为圆偏振光。具体地，所述第一消色差四分之一波片7的作用是使得从所述偏振分束立方6入射到所述第一消色差四分之一波片7的线偏振光在从所述第一银膜反射镜8反射透过所述第一消色差四分之一波片7的线偏振光两者的偏振态相互正交。
所述第一银膜反射镜8用于调整所述圆偏振光的旋转方向。具体地，所述第一银膜反射镜8的作用是将经过所述第一消色差四分之一波片7的圆偏振光的旋转方向反向。
所述相位测量***还包括设置在所述偏振分束立方6、所述空间光调制器10以及所述分束立方9，其中所述分束立方9用于将所述偏振分束立方6的第二线偏振光正入射至所述空间光调制器10，并用于将所述空间光调制器10调制后的一部分调制光反射至所述待测样品15波前信息提供模块，和将所述空间光调制器10调制后的另一部分调制光正入射回所述偏振分束立方6中。
可以理解的是，所述偏振分束立方6输出所述第一线偏振光进入所述第一消色差四分之一波片7后变为圆偏振光入射到所述第一银膜反射镜8上反射后再次通过所述第一消色差四分之一波片7后光束的偏振状态变为原来的正交线偏振光，光束穿过所述偏振分束立方6到达所述多波长相位测量模块20。而所述偏振分束立方6输出的所述第二线偏振光经由所述分束立方9正入射到所述空间光调制器10中进行调制，所述空间光调制器10的一部分调制光经由所述分束立方9正入射回所述偏振分束立方6中，另一部分调制光经由所述分束立方9反射至所述第二消色差四分之一波片11。
具体地，所述待测样品15波前信息提供模块包括分束立方9、第二消色差四分之一波片11、第一透镜12、半透半反镜13以及离轴反射镜14。
所述第二消色差四分之一波片11用于对经由所述分束立方9反射的调制光和携带待测样品15波前信息的反射光的偏振态进行调整，使得两束光的偏振态相互正交。
所述第一透镜12的焦平面与所述离轴反射镜14的焦平面重合。
所述半透半反镜13用于将经由所述离轴反射镜14的部分光透射到所述指示光成像***成像，并用于分别将经由所述第一透镜12的部分光反射至所述离轴反射镜14和将经由所述离轴反射镜14的部分光反射回所述第一透镜12。
所述离轴反射镜14的反射面与待测样品15的待测面相对，用于将入射的调制光反射至待测样品15的待测面，并用于将待测样品15的待测面反射的光反射回所述半透半反镜13中并聚焦在所述毛玻璃屏16上。
也就是说，所述离轴反射镜14的作用是将经由所述离轴反射镜14的焦点入射的光束准直，实现平面波前的平行光输出，同时扩大测量光测试光束的口径，实现大口径干涉测量。特别地，所述离轴反射镜14的反射面为曲形反射面。
进一步地，所述相位测量***还包括电连接于所述数据采集处理单元21的指示光成像***，所述指示光成像***用于对指示光聚焦光斑成像。所述指示光成像***包括沿所述半透半反镜13的透射光路依次设置的毛玻璃屏16、相机成像镜头17以及相机18，其中所述毛玻璃屏16用于向含有待测样品15表面波前信息的指示光聚焦光斑提供一个投影屏；所述相机成像镜头17用于将所述毛玻璃屏16上的指示光聚焦光斑的完整平面像成像于所述相机18的探测器表面；所述相机18用于对所述毛玻璃屏16上的指示光聚焦光斑进行成像。
更具体地，所述毛玻璃屏16的中心刻有观察十字线，其作用是协助光路的调试。含有待测样品15表面波前信息的光聚焦于所述毛玻璃屏16上，形成可视指示光聚焦光斑，指示光聚焦光斑经过由所述相机成像镜头17和相机18组成的成像***成像，指示光聚焦光斑的偏离程度表示待测样品15表面的偏离情况，在装调时需调整所述待测样品15被测面的空间位姿直至聚焦光斑的中心与观察十字线焦点重合，实现精确对准。
特别地，本发明的所述空间光调制器10为反射式空间光调制器，其作用是根据待测表面波前特性对入射波前进行高精度相位调制，模拟不同方向入射的标准球面波，进行倾斜干涉测量。相比于传统固定方向照明干涉测量方法，本发明利用SLM（空间光调制器）对平行光场进行波前调控，将入射的平面波转换为点光源发出的球面波，不同的照明源和共同的参考波前在相机芯片上生成不同子干涉图。倾斜波前的预设倾斜角度部分补偿了待测波前梯度差的影响，既克服了渐晕和干涉图高条纹密度对于相位解缠的不利影响，提高测量的精度和测量范围，也大大放宽了干涉仪中使用的成像光学器件的公差，补偿所用光学器件的高阶误差贡献；并通过引入光圈遮挡不必要的光信息克服参考波问题，解决了先进光学制造的迫切高精度检测的现实需求。
进一步地，所述相位测量***还包括设置在所述干涉光产生装置和所述多波长相位测量模块20之间的第一带通滤波片19，所述第一带通滤波片19用于滤除波长为λ1的干涉光中的杂散光。
进一步地，如图2所示，所述多波长相位测量模块20包括依次设置的第一像素移位偏振测量装置2001、一次倍频发生器、第二像素移位偏振测量装置2009、二次倍频发生器以及第三像素移位偏振测量装置2014。
具体地，所述第一像素移位偏振测量装置2001用于对透过所述第一带通滤波片19的波长为λ1的干涉光的干涉波前信息进行成像分析。
具体地，所述一次倍频发生器用于对波长为λ1的干涉光进行倍频产生波长为λ1/2的倍频光。
具体地，所述第二像素移位偏振测量装置2009用于对波长为λ1/2的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
具体地，所述二次倍频发生器用于对波长为λ1/2的倍频光进行倍频产生波长为λ1/4的倍频光。
具体地，所述第三像素移位偏振测量装置2014用于对波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
进一步地，所述多波长相位测量模块20还包括依次设置在所述第一像素移位偏振测量装置2001和所述一次倍频发生器之间的第二银膜反射镜2002和第二二向色镜2003，所述第二银膜反射镜2002将经由所述第一像素移位偏振测量装置2001透射的干涉光反射到所述第二二向色镜2003；所述第二二向色镜2003透射出波长为λ1的干涉光，并将所述一次倍频发生器产生的波长为λ1/2的倍频光反射至所述第二像素移位偏振测量装置2009。
进一步地，所述一次倍频发生器包括依次设置的二向色偏振分束立方2004、二向色二分之一波片2005、第一抛物面银镜2006、第一晶体2007、第二抛物面银镜2008。
具体地，所述二向色偏振分束立方2004用于透射波长为λ1的干涉光，反射经过所述第一晶体2007倍频产生的波长为λ1/2的倍频光。
具体地，所述二向色二分之一波片2005用于调节波长为λ1的干涉光的偏振方向，使得干涉光的偏振方向与所述第一晶体2007的相位相匹配。
具体地，所述第一抛物面银镜2006用于将波长为λ1的干涉光聚焦在所述第一晶体2007中实现变频。
具体地，所述第一晶体2007用于将波长为λ1的干涉光倍频产生波长为λ1/2的倍频光。
具体地，所述第二抛物面银镜2008用于将波长为λ1/2的倍频光准直。
进一步地，所述二次倍频发生器包括依次设置的第二透镜2010、第二晶体2011、第三透镜2012以及第二带通滤波片2013。
具体地，所述第二透镜2010用于将波长为λ1的干涉光聚焦在所述第二晶体2011中实现倍频。
具体地，所述第二晶体2011用于将波长为λ1/2的倍频光倍频产生波长为λ1/4的倍频光。
具体地，所述第三透镜2012用于将波长为λ1/4的倍频光准直。
具体地，所述第二带通滤波片2013用于滤除波长为λ1/4的倍频光中的杂散光。
特别地，在本发明的这一具体实施例中，所述第一晶体2007为周期极化铌酸锂晶体，所述第二晶体2011为β-硼酸钡晶体。
进一步地，所述第一像素移位偏振测量装置2001包括分束镜与像素移位偏振测量装置，其中像素移位偏振测量装置由聚焦准直***与相机组成。聚焦准直***负责将入射的平行光准直到相机焦平面处。分束镜的作用分束干涉光的部分进入像素移位偏振测量装置，像素移位偏振测量装置用于对所述分束镜分束的干涉光的干涉波前信息进行成像分析。
特别地，所述第一像素移位偏振测量装置2001、所述第二像素移位偏振测量装置2009以及所述第三像素移位偏振测量装置2014的结构相同，即三者均包括分束镜和像素移位偏振测量装置，所述分束镜用于分束干涉光的部分进入像素移位偏振测量装置，所述像素移位偏振测量装置用于对所述分束镜分束的干涉光的干涉波前信息进行成像分析
具体地，如图3A至图3D所示，所述像素移位偏振测量装置包括依次设置的第二半透半反镜22、成像镜头23和偏振成像组件24，其中所述偏振成像组件24为偏振成像组件，包括顺次设置的微透镜阵列241、微偏振器阵列242和光电探测器阵列243。在实际应用时，所述偏振成像组件24可以采用IMX250MZR传感器，本发明对此不作限制。
需要说明的是，在本发明中，所述第一像素移位偏振测量装置2001、所述第二像素移位偏振测量装置2009安放在光学通路上，采用第二半透半反镜22部分光学采样，所述第三像素移位偏振测量装置2014放置在光路末端，为入射式全光学采样。
特别地，所述第一像素移位偏振测量装置2001、所述第二像素移位偏振测量装置2009和所述第三像素移位偏振测量装置2014记录的光强信号传送至所述数据采集处理单元21，所述数据采集处理单元21根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠数据处理得到待测样品15表面的高精度波前或面形数据。
值得一提的是，所述数据采集处理单元21的作用是控制所述可调谐激光器1、所述He-Ne激光器2、所述空间光调制器10、所述相机18、所述第一像素移位偏振测量装置2001、所述第二像素移位偏振测量装置2009、所述第三像素移位偏振测量装置2014，并实时收集所述相机18、所述第一像素移位偏振测量装置2001、所述第二像素移位偏振测量装置2009以及所述第三像素移位偏振测量装置2014采集到的图像数据，和对图像数据进行处理、信息提取和显示。
实施例1
所述相位测量***包括：所述可调谐激光器1、所述He-Ne激光器2、所述第一二向色镜3、所述消色差二分之一波片4、所述消色差扩束镜组5、所述偏振分束立方6、所述第一消色差四分之一波片7、所述第一银膜反射镜8、所述分束立方9、所述空间光调制器10、所述第二消色差四分之一波片11、所述第一透镜12、所述半透半反镜13、所述离轴反射镜14、所述指示光成像***、所述第一带通滤波片19、所述多波长相位测量模块20、所述数据采集处理单元21。
所述指示光成像***包括：所述毛玻璃屏16、所述相机成像镜头17、所述相机18。
所述多波长相位测量模块20包括：所述第一像素移位偏振测量装置2001、所述第二银膜反射镜2002、所述第二二向色镜2003、所述二向色偏振分束立方2004、所述二向色二分之一波片2005、所述第一抛物面银镜2006、所述第一晶体2007、所述第二抛物面银镜2008、所述第二像素移位偏振测量装置2009、所述第二透镜2010、所述第二晶体2011、所述第三透镜2012、所述第二带通滤波器带通滤波片2013、所述第三像素移位偏振测量装置2014。
所述数据采集处理单元21分别电连接于所述可调谐激光器1、所述He-Ne激光器2、所述相机18、所述空间光调制器10以及所述多波长相位测量模块20。
本发明的所述相位测量***主要有两个光路组成：一路为测试光路，另一路为指示光路。测试光路为由所述可调谐激光器1发出的测试光入射到所述待测样品15并返回入射到所述多波长相位测量模块20，指示光路为由所述He-Ne激光器2发出的指示光入射到所述待测样品15并返回入射到所述相机18。
由所述可调谐激光器1发出的线偏振测试光和所述He-Ne激光器2发出指示光经过所述第一二向色镜3合束后通过所述消色差二分之一波片4，其中由所述可调谐激光器1发出的线偏振测试光变成45°线偏振光。所述线偏振光经过所述消色差扩束镜组5扩束，将光束直径扩束至接近但略小于所述空间光调制器10的有效液晶像素区域。
由所述可调谐激光器1发出的线偏振测试光经过扩束后入射到所述偏振分束立方6上，产生相互正交偏振态的线偏振光。经过所述偏振分束立方6反射的线偏振光依次经过所述第一消色差四分之一波片7并经过所述第一银膜反射镜8反射后再次通过所述第一消色差四分之一波片7后，光束变为入射偏振态的正交偏振态，并穿过所述偏振分束立方6入射到所述第一带通滤波片19上，作为波长为λ1的参考线偏振光。
其中，透过所述偏振分束立方6的线偏振测试光穿过所述分束立方9入射到所述空间光调制器10上。需要指出的是，入射到所述空间光调制器10的测试光的偏振态要通过调节所述消色差二分之一波片4与所述空间光调制器10的液晶偏振敏感方向提前匹配对准。
所述空间光调制器10将入射的平面波转换为点光源发出的球面波，且根据计算全息产生不同的虚拟点光源的焦点位置，实现离轴照明，拓展干涉测量区域并补偿待测面梯度对测量干涉条纹密度的不利影响。
经过所述空间光调制器10相位调制后的光依次经过所述分束立方9反射后穿过所述第二消色差四分之一波片11变为圆偏振光，圆偏振光顺次经过所述第一透镜12聚焦后经由所述半透半反镜13反射和所述离轴反射镜14反射后入射到待测样品15后携带待测样品15的待测表面相位信息原路返回。
所述第一透镜12与所述离轴反射镜14的焦点共轭，将测试光通过所述离轴反射镜14的焦点入射到所述离轴反射镜14上并被准直。准直后的测试光入射到所述待测样品15的待测光学表面上并发生反射，反射回的光依次经过所述离轴反射镜14、所述半透半反镜13反射、所述第一透镜12、所述第一消色差四分之一波片11后光束的偏振状态变为第一次入射光到所述第一消色差四分之一波片11的光束偏振态的正交方向,与所述空间光调制器10的偏振敏感方向正交，不受所述空间光调制器10的相位调制影响，并依次经过所述空间光调制器10、所述分束立方9、所述偏振分束立方6和所述第一带通滤波片19与波长为λ1的参考线偏振光合束。
所述第一带通滤波片19将干涉光中的波长为λ1的光保留，滤除其它波长的光成分。波长为λ1的干涉光经过所述第一像素移位偏振测量装置2001的分束镜，一部分的干涉光入射到像素移位偏振测量装置。所述第一像素移位偏振测量装置2001对由分束镜分束的波长为λ1的干涉光的干涉波前信息进行成像分析。
透过所述第一像素移位偏振测量装置2001的部分干涉光顺次经过所述第二银膜反射镜2002、所述第二二向色镜2003、所述二向色偏振分束立方2004、所述二向色二分之一波片2005、所述第一抛物面银镜2006、所述第一晶体2007，由所述第一晶体2007将入射波长为λ1的光倍频为波长为λ1/2的倍频光。经过所述第二抛物面银镜2008准直后，波长为λ1/2的倍频光依次经过所述二向色偏振分束立方2004和所述第二二向色镜2003后反射到所述第二像素移位偏振测量装置2009。
所述第二像素移位偏振测量装置2009分束部分λ1/2的倍频光并对其偏振干涉图样进行分析。
另一部分波长为λ1/2的倍频光顺次经过所述第二透镜2010、所述第二晶体2011，经过所述第二晶体2011的倍频作用将波长为λ1/2的倍频光倍频成波长为λ1/4的倍频光。所述波长为λ1/4的倍频光经过第三透镜2012准直后经过所述第二带通滤波片2013保留波长为λ1/4的光，然后所述第三像素移位偏振测量装置2014对波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
所述数据采集处理单元21电性连接各部件，控制所述空间光调制器10的相位输出、收集所述相机18采集的图像信息和对所述三个像素移位偏振测量装置采集到的干涉图像信息进行处理、分析和显示相位图样及数据信息。
由所述离轴反射镜14反射携带所述待测样品15表面面形信息的混合光透过所述半透半反镜13聚焦在所述毛玻璃屏16上。由所述相机成像镜头17将焦点的位置信息成像于所述相机18，并由所述相机18将图像信息上传至所述数据采集处理单元21。由所述数据采集处理单元21收集、处理、分析和显示所述指示光聚焦光斑位置信息。
在测试准备阶段，根据所述毛玻璃屏16上的指示光聚焦光斑的中心与所述毛玻璃屏16上的十字线中心，调整所述待测样品15表面的空间位姿，实现测试样品位姿的快速对位，大大降低了测试准备时间。
在***装调阶段，调整所述偏振片的起偏方向，使得测试光和指示光的偏振方向与空间光调制器的入射要求偏振方向一致，确保相位调制的效率最大。本发明采用的所述空间光调制器10为反射式空间光调制器，当反射式空间光调制器起偏方向与入射光偏振方向互相正交时不起作用，而不是正交时通过改变液晶分子上的电压，会改变光程，达到相位调制的目的。如图3A所示，所述第一像素移位偏振测量装置2001、所述第二像素移位偏振测量装置2009和所述第三像素移位偏振测量装置2014中的像素移位偏振测量装置均包括：所述第二半透半反镜22、所述成像镜头23和所述偏振成像组件24即偏振成像组件。其中所述偏振成像组件24包括顺次设置的微透镜阵列241、微偏振器阵列242和光电探测器阵列243。
进一步地，图3B为所述像素移位偏振测量装置的侧视图，所述微透镜阵列241、所述微偏振器阵列242和所述光电探测器阵列243从顶层至底层顺次设置；图3C为所述微偏振器阵列242的俯视图，图3D为偏振器单元的示意图。
因此，合束的偏振光通过微透镜阵列241和微偏振器阵列242后入射至光电探测器阵列243，该光电探测器阵列243的二维点阵孔对应探测器像素点位。像素移位偏振测量装置利用光电探测器阵列243采集四个线栅偏振片分类像素记录的光强信号(即干涉条纹)，并将光强信号发送至数据采集处理单元21，然后所述数据采集处理单元21通过处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠处理可以获得待测样品15表面的光学波前信息。利用所述数据采集处理单元21电性连接并控制所述可调谐激光器1发射不同中心波长的窄线宽激光，从而实现多波长的自由切换，实现多色光的波前待测样品15表面的测量，能够有效避免现有的单波长光学干涉检测中普遍存在的2π模糊效应的影响，大大提高大梯度差波前的测量范围。
可选地，第一透镜12、第二透镜2010和第三透镜2012为消色差准直透镜。
可选地，第一像素移位偏振测量装置2001、第二像素移位偏振测量装置2009、第三像素移位偏振测量装置2014的像素移位偏振测量装置的光电探测器阵列243为CMOS传感器。
可选地，第一像素移位偏振测量装置2001、第二像素移位偏振测量装置2009、第三像素移位偏振测量装置2014的像素移位偏振测量装置为IMX250MZR传感器。
可选地，离轴反射镜14为离轴抛物面反射镜。
可选地，相机的光电探测器阵列243为CCD传感器或CMOS传感器。
本发明在另一方面还提供了一种相位测量方法，包括以下步骤：
S1、所述可调谐激光器1发出的测试光与所述He-Ne激光器2发出的指示光在所述第一二向色镜3上耦合，耦合光通过所述消色差二分之一波片4变成线偏振光，所述线偏振光由所述消色差扩束镜组5扩束。
S2、扩束后的线偏振光入射到所述偏振分束立方6上，然后分成两束能量相等且偏振态互相正交的第一线偏振光和第二线偏振光。
S3、第一线偏振光入射到所述第一消色差四分之一波片7的变成圆偏振光，然后在所述第一银膜反射镜8上反射且旋向发生调转，再通过所述第一消色差四分之一波片7回到所述偏振分束立方6，形成波长为λ1的参考线偏振光，再到达所述第一带通滤波片19。
可以理解的是，此处所述偏振分束立方6、所述第一消色差四分之一波片7、所述第一银膜反射镜8起到提供等效参考面波前的作用。
S4、第二线偏振光经由所述分束立方9正入射到所述空间光调制器10进行调制，得到调制光，此时所述空间光调制器10已经根据目标波面对自身各偏振器阵列进行调整，一部分调制光（即调制后的线偏振光）经过所述分束立方9正入射到所述偏振分束立方6，再反射到所述第一带通滤波片19上；另一部分则反射到所述第二消色差四分之一波片11处，经由所述半透半反镜13反射到所述离轴反射镜14上，并经过所述离轴反射镜14准直后入射到所述待测样品15表面并沿原路返回空间光调制器，得到形成含有待测样品15的待测面波前信息的波长为λ1的测试线偏振光。
可以理解的是，由于所述第一透镜12的焦平面与所述离轴反射镜14的焦平面通过所述半透半反镜13重合，故入射到所述第二消色差四分之一波片11的调制光能通过所述半透半反镜13反射到所述离轴反射镜14上，并经过所述离轴反射镜14准直后，入射到所述待测样品15表面后沿原路返回所述空间光调制器10处，部分光到所述空间光调制器10处，再通过所述偏振分束立方6反射到所述第一带通滤波片19处。
还可以理解的是，其中部分偏振光从待测样品15表面后反射后汇聚到所述毛玻璃屏16上，再通过所述相机成像镜头17和所述相机18进行成像。耦合光中可视的部分作为***调试的指示光，协助***装调。
也就是说，步骤S4包括步骤：
S41、入射到所述第二消色差四分之一波片11的调制光的一部分经由所述半透半反镜13透射到所述毛玻璃屏16上，形成指示光聚焦光斑，指示光聚焦光斑通过所述相机成像镜头17和所述相机18进行成像。
S5、波长为λ1的参考线偏振光和含有待测样品15的待测面波前信息的波长为λ1的测试线偏振光之间发生干涉形成波长为λ1的干涉光。
可以理解的是，在步骤S5中，所述第一带通滤波片19上的光束主要为以下几部分组成：由所述第一消色差四分之一波片7、所述第一银膜反射镜8反射得到的波长为λ1的参考线偏振光；由所述待测样品15反射得到的含有待测样品15的待测面波前信息的波长为λ1的测试线偏振光，两者发生干涉。所述第一带通滤波片19起到滤除杂散光的作用。
S6、波长为λ1的干涉光在透过所述第一带通滤波片19后入射到所述多波长相位测量模块20中，通过所述多波长相位测量模块20获得波长为λ1的干涉光、波长为λ1/2、λ1/4的倍频光。
具体地，步骤S6具体包括步骤：
S61、波长为λ1的干涉光透过所述第一带通滤波片19后入射到所述第一像素移位偏振测量装置2001，通过所述数据采集处理单元21获取干涉条纹信息。
S62、透过所述第一像素移位偏振测量装置2001的波长为λ1的干涉光通过所述第二银膜反射镜2002、所述第二二向色镜2003，入射由所述二向色偏振分束立方2004、所述二向色二分之一波片2005、所述第一抛物面银镜2006、所述第一晶体2007、所述第二抛物面银镜2008组成的一次倍频发生器，输出波长为λ1/2的倍频光。
可以理解的是，在步骤S62中，所述二向色二分之一波片2005的作用是调节输入线偏振光的偏振方向，使得偏振方向与所述第一晶体2007相位匹配实现倍频。所述第一抛物面银镜2006的作用是将泵浦光聚焦在所述第一晶体2007的晶体长度中心，以达到Boyd-Kleinman聚焦状态。所述第一晶体2007的作用是将波长为λ1的干涉光通过倍频产生波长为λ1/2的倍频光。所述第二抛物面银镜2008的作用是将经过所述第一晶体2007的光束准直。
S63、波长为λ1/2的倍频光入射到所述第二像素移位偏振测量装置2009处，所述数据采集处理单元21对波长为λ1/2的倍频光进行成像分析。
可以理解的是，在步骤S63中，波长为λ1/2的倍频光经所述第二抛物面银镜2008、所述二向色偏振分束立方2004、所述二向色偏振分束立方2004、所述第二二向色镜2003和所述第二二向色镜2003入射到所述第二像素移位偏振测量装置2009处。
S64、透射所述第二像素移位偏振测量装置2009的波长为λ1/2的倍频光再通过由所述第二透镜2010、所述第二晶体2011、所述第三透镜2012、所述第二带通滤波片2013组成的二次倍频发生器，输出波长为λ1/4的倍频光。
可以理解的是，在步骤S64中，所述第二透镜2010的作用是将波长为λ1/2的倍频光聚焦在所述第二晶体2011中实现倍频。所述第二晶体2011的作用是对经过所述第二透镜2010输入的波长为λ1/2的倍频光进行倍频产生波长为λ1/4的倍频光。所述第三透镜2012的作用是将入射光束准直。所述第二带通滤波器带通滤波片的作用是通过波长为λ1/4的倍频光，滤除其余波长的光。
S65、波长为λ1/4的倍频光入射到第三像素移位偏振测量装置2014，所述数据采集处理单元21对波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
S7、所述数据采集处理单元21共收集到波长为λ1的干涉光、波长为λ1/2、λ1/4的倍频光并进行处理、分析和显示面形图样及数据信息。
可以理解的是，本发明提出的一种相位测量***及方法利用偏振光干涉测量的原理，利用倍频晶体二次谐波放大技术实现待测相位的4倍放大，利用像素移位偏振测量装置同时产生四幅相位差依次为π/4的干涉图，实现高精度瞬态波前测量，避免了环境扰动的影响，利用四幅相位依次相差为π/4的偏振光干涉图计算出待测光学表面波前，精度远高于非共光路干涉测量技术。
总的来讲，针对现有技术中无法对待测光学表面实现大测量范围、高测量精度检测、易引入非共光路误差和无法避免环境扰动对测量精度影响的技术难题和缺点，本发明利用可调谐波长激光测量技术解决现有单色光测量技术中2π不确定性的技术难题，利用像素移位测量技术解决传统干涉测量方法难以避免的环境扰动降低***测量精度的技术难题，利用空间光调制器实现多视场的干涉测量，解决了传统干涉测量方法无法实现大梯度差波前（如非球面和自由曲面）的高精度干涉测量的技术难题，利用多波长相位放大技术解决传统干涉测量方法中无法解决测量精度提升的技术难题。
本发明适用于平面、球面、非球面、自由曲面和非连续光学面的干涉测量，本发明对所述相位测量***及方法的具体应用不作限制。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种相位测量***，其特征在于，包括：
干涉光产生装置，其用于产生两束偏振态互相正交的波长为λ1的参考线偏振光和含有待测样品的待测面波前信息的测试线偏振光，并使得两者干涉形成含有待测样品的待测面波前信息的波长为λ1的干涉光；
多波长相位测量模块，其设置在所述干涉光产生装置的输出光路上，用于采集波长为λ1的干涉光及其依次经一次倍频和二次倍频后分别获得的波长为λ1/2和λ1/4的倍频光对应的偏振干涉图样；
数据采集处理单元，其电连接于所述干涉光产生装置和所述多波长相位测量模块，用于控制所述干涉光产生装置和所述多波长相位测量模块的工作，并用于对所述多波长相位测量模块采集的偏振干涉图样进行数据处理、信息提取和显示。
2.根据权利要求1所述的相位测量***，其特征在于，所述干涉光产生装置包括用于发出测试光的可调谐激光器、用于发出指示光的He-Ne激光器、依次设置在测试光路上的线偏振光产生模块、空间光调制器以及待测样品波前信息提供模块；所述相位测量***还包括电连接于所述数据采集处理单元的指示光成像***，所述指示光成像***用于对指示光聚焦光斑成像；
所述线偏振光产生模块包括设置在所述测试光的光路上的线偏振光产生组件，所述线偏振光产生组件包括依次设置在所述测试光的光路上的第一二向色镜、消色差二分之一波片、消色差扩束镜组以及偏振分束立方；其中，所述第一二向色镜用于耦合测试光和指示光；所述消色差二分之一波片用于将经所述第一二向色镜输出的耦合光形成线偏振光；所述消色差扩束镜组用于对所述线偏振光进行扩束；所述偏振分束立方用于将所述线偏振光分成能量相等且偏振态互相正交的第一线偏振光和第二线偏振光；所述线偏振光产生模块还包括在所述偏振分束立方的一侧的第一消色差四分之一波片和第一银膜反射镜；其中，所述第一消色差四分之一波片用于使得第一线偏振光变为圆偏振光；所述第一银膜反射镜用于将所述圆偏振光的旋转方向反向；
其中所述空间光调制器为反射式空间光调制器，用于对所述线偏振光产生模块输出的部分线偏振光进行波前相位调制，得到调制光，调制光经由所述待测样品波前信息提供模块反射进入待测样品，并经由所述待测样品依次反射回所述待测样品波前信息提供模块和所述线偏振光产生模块中，输出含有待测样品的待测面波前信息的测试线偏振光；
其中待测样品波前信息提供模块包括分束立方和设置在所述分束立方的反射光路上的第二消色差四分之一波片、第一透镜、半透半反镜以及离轴反射镜；其中所述分束立方用于将所述偏振分束立方的第二线偏振光正入射至所述空间光调制器，并用于将所述空间光调制器调制后的一部分调制光反射至所述待测样品波前信息提供模块，和将另一部分调制光正入射回所述偏振分束立方中；所述第二消色差四分之一波片用于对经由所述分束立方反射的调制光和携带有待测样品的波前信息的反射光的偏振态进行调整，使得两束光的偏振态相互正交；所述第一透镜用于使得经由所述分束立方反射的调制光与所述离轴反射镜的焦点共轭；所述半透半反镜用于将来自于所述第一透镜和所述离轴反射镜的一部分光透射到所述指示光成像***成像，并用于分别将来自于所述第一透镜的另一部分光反射至所述离轴反射镜和将来自于所述离轴反射镜的另一部分光反射回所述第一透镜；所述离轴反射镜与待测样品的待测面相对，用于将入射的调制光反射至待测样品的待测面，并用于将待测样品的待测面反射的光束反射回所述半透半反镜中，其中所述离轴反射镜的反射面为曲形反射面。
3.根据权利要求2所述的相位测量***，其特征在于，所述指示光成像***包括沿所述半透半反镜的透射光路依次设置的毛玻璃屏、相机成像镜头以及相机，其中所述毛玻璃屏用于将由所述半透半反镜透射的含有待测样品表面波前信息的光聚焦形成指示光聚焦光斑；所述相机成像镜头用于将所述毛玻璃屏上的指示光聚焦光斑的完整平面像成像于所述相机的探测器表面；所述相机用于对所述毛玻璃屏上的指示光聚焦光斑进行成像。
4.根据权利要求1中所述的相位测量***，其特征在于，所述相位测量***还包括设置在所述干涉光产生装置和所述多波长相位测量模块之间的第一带通滤波片，所述第一带通滤波片用于滤除波长为λ1的干涉光中的杂散光；所述多波长相位测量模块包括依次设置的第一像素移位偏振测量装置、一次倍频发生器、第二像素移位偏振测量装置、二次倍频发生器以及第三像素移位偏振测量装置；其中，
所述第一像素移位偏振测量装置用于对透过所述第一带通滤波片的波长为λ1的干涉光的干涉波前信息进行成像分析；
所述一次倍频发生器用于对波长为λ1的干涉光进行倍频，产生波长为λ1/2的倍频光；
所述第二像素移位偏振测量装置用于对波长为λ1/2的倍频光的干涉波前信息进行成像分析；
所述二次倍频发生器用于对波长为λ1/2的倍频光进行倍频，产生波长为λ1/4的倍频光；
所述第三像素移位偏振测量装置用于对波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
5.根据权利要求4所述的相位测量***，其特征在于，所述第一像素移位偏振测量装置、所述第二像素移位偏振测量装置以及所述第三像素移位偏振测量装置的结构相同，三者均包括分束镜和像素移位偏振测量装置，其中偏振成像组件所述分束镜用于分束干涉光的部分进入像素移位偏振测量装置，所述像素移位偏振测量装置用于对所述分束镜分束的干涉光的干涉波前信息进行成像分析，所述像素移位偏振测量装置包括依次设置的第二半透半反镜、成像镜头和偏振成像组件，所述偏振成像组件包括顺次设置的微透镜阵列、微偏振器阵列和光电探测器阵列，所述微偏振器阵列由若干个偏振器单元组成，每个偏振器单元分别对应光电探测器阵列的一个像素单元和微透镜阵列中的一个微透镜，所述偏振器单元由四个偏振角呈π/4等差数列排布的线栅偏振片构成；
所述第一像素移位偏振测量装置、所述第二像素移位偏振测量装置和所述第三像素移位偏振测量装置利用所述偏振成像组件采集的四个所述线栅偏振片分类像素记录的光强信号，并将光强信号传送至所述数据采集处理单元，所述数据采集处理单元根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠数据处理得到待测样品表面的高精度波前或面形数据；
所述多波长相位测量模块还包括依次设置在所述第一像素移位偏振测量装置和所述一次倍频发生器之间的第二银膜反射镜和第二二向色镜，所述第二银膜反射镜用于将所述第一像素移位偏振测量装置输出的波长为λ1的干涉光折转入射到所述第二二向色镜；所述第二二向色镜用于透射波长为λ1的干涉光，并用于将所述一次倍频发生器产生的波长为λ1/2的倍频光反射至所述第二像素移位偏振测量装置。
6.根据权利要求5所述的相位测量***，其特征在于，所述一次倍频发生器包括依次设置的二向色偏振分束立方、二向色二分之一波片、第一抛物面银镜、第一晶体、第二抛物面银镜；其中，
所述二向色偏振分束立方用于透射波长为λ1的干涉光，和反射经过所述第一晶体倍频产生的波长为λ1/2的倍频光；
所述二向色二分之一波片用于调节波长为λ1的干涉光的偏振方向，以使得波长为λ1的干涉光的偏振方向与所述第一晶体的相位相匹配；
所述第一抛物面银镜用于将波长为λ1的干涉光聚焦在所述第一晶体的晶体长度中心；
所述第一晶体为周期极化铌酸锂晶体，用于将波长为λ1的干涉光倍频产生波长为λ1/2的倍频光；
所述第二抛物面银镜用于将所述第一晶体产生的波长为λ1/2的倍频光准直；
所述二次倍频发生器包括依次设置的第二透镜、第二晶体、第三透镜以及第二带通滤波片；其中，
所述第二透镜用于将波长为λ1的干涉光聚焦在所述第二晶体中；
所述第二晶体为β-硼酸钡晶体，用于将波长为λ1/2的倍频光倍频产生波长为λ1/4的倍频光；
所述第三透镜用于将波长为λ1/4的倍频光准直；
所述第二带通滤波片用于滤除波长为λ1/4的倍频光中的杂散光。
7.一种相位测量方法，其特征在于，采用相位测量***对待测样品的表面波前或面形数据进行测量，所述相位测量***包括可调谐激光器、He-Ne激光器、第一二向色镜、消色差二分之一波片、消色差扩束镜组、偏振分束立方、第一消色差四分之一波片、第一银膜反射镜、分束立方、空间光调制器、第二消色差四分之一波片、第一透镜、半透半反镜、离轴反射镜、指示光成像***、第一带通滤波片、多波长相位测量模块、数据采集处理单元；所述相位测量方法包括以下步骤：
S1、所述可调谐激光器发出的测试光与所述He-Ne激光器发出的指示光在所述第一二向色镜上耦合，耦合光通过所述消色差二分之一波片变成线偏振光，所述线偏振光由所述消色差扩束镜组扩束；
S2、扩束后的线偏振光入射到所述偏振分束立方上，然后分成两束能量相等且偏振态互相正交的第一线偏振光和第二线偏振光；
S3、第一线偏振光入射到所述第一消色差四分之一波片的变成圆偏振光，然后在所述第一银膜反射镜上反射且旋向发生调转，再通过所述第一消色差四分之一波片回到所述偏振分束立方，形成波长为λ1的参考线偏振光；
S4、第二线偏振光经由所述分束立方正入射到所述空间光调制器进行调制，得到调制光，一部分调制光经过所述分束立方正入射到所述偏振分束立方，再反射到所述第一带通滤波片上；另一部分则反射到所述第二消色差四分之一波片处；从所述第二消色差四分之一波片出射的调制光一部分通过所述半透半反镜反射到所述离轴反射镜上，并经过所述离轴反射镜准直入射到所述待测样品表面并沿原路返回空间光调制器，得到形成含有待测样品的待测面波前信息的波长为λ1的测试线偏振光，另一部分进入指示光成像***；
S5、波长为λ1的参考线偏振光和含有待测样品的待测面波前信息的波长为λ1的测试线偏振光之间发生干涉形成波长为λ1的干涉光；
S6、波长为λ1的干涉光在透过所述第一带通滤波片后入射到所述多波长相位测量模块中，通过所述多波长相位测量模块获得波长为λ1的干涉光、波长为λ1/2、λ1/4的倍频光；
S7、所述数据采集处理单元共收集到由所述多波长相位测量模块发送的波长为λ1的干涉光、波长为λ1/2的倍频光、波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息并进行处理、分析和显示所述待测样品表面面形图样及数据信息。
8.根据权利要求7所述的相位测量方法，其特征在于，所述多波长相位测量模块包括：第一像素移位偏振测量装置、第二银膜反射镜、第二二向色镜、二向色偏振分束立方、二向色二分之一波片、第一抛物面银镜、第一晶体、第二抛物面银镜、第二像素移位偏振测量装置、第二透镜、第二晶体、第三透镜、第二带通滤波器带通滤波片、第三像素移位偏振测量装置；
步骤S6具体包括步骤：
S61、波长为λ1的干涉光透过所述第一带通滤波片后入射到所述第一像素移位偏振测量装置，通过所述数据采集处理单元获取干涉条纹信息；
S62、透过所述第一像素移位偏振测量装置的波长为λ1的干涉光通过所述第二银膜反射镜、所述第二二向色镜，入射由所述二向色偏振分束立方、所述二向色二分之一波片、所述第一抛物面银镜、所述第一晶体、所述第二抛物面银镜组成的一次倍频发生器，输出波长为λ1/2的倍频光；
S63、波长为λ1/2的倍频光入射到所述第二像素移位偏振测量装置处，所述数据采集处理单元对波长为λ1/2的倍频光进行成像分析；
S64、透射所述第二像素移位偏振测量装置的波长为λ1/2的倍频光再通过由所述第二透镜、所述第二晶体、所述第三透镜、所述第二带通滤波片组成的二次倍频发生器，输出波长为λ1/4的倍频光；
S65、波长为λ1/4的倍频光入射到第三像素移位偏振测量装置，所述数据采集处理单元对波长为λ1/4的倍频光的干涉波前信息进行成像分析。
9.根据权利要求7所述的相位测量方法，其特征在于，所述指示光成像***包括毛玻璃屏、相机成像镜头、相机；步骤S4包括步骤：
S41、入射到所述第二消色差四分之一波片的调制光的一部分经由所述半透半反镜透射到所述毛玻璃屏上，形成指示光聚焦光斑，指示光聚焦光斑通过所述相机成像镜头和所述相机进行成像。
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