[发明专利]可实时测量的同步相移斐索干涉装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可实时测量物体表面三维形貌的同步相移斐索干涉装置。

背景技术

定量测量物体表面的三维形貌或表面平整度，对提高光学加工精度和加工质量具有重要意义。传统的光学干涉方法，如迈克尔逊干涉仪、泰曼格林干涉仪等，为物体表面形貌测量提供了高精度、快速、无损的测试手段。然而，在这些干涉仪中，物光和参考光在空间上历经了不同的路径，所以环境振动对测量结果影响较大。

斐索干涉仪，具有物参共路的光学结构，可以克服传统干涉仪对环境振动敏感的缺点。在斐索干涉仪中，平整度很高的玻璃平板和样品表面平行放置，照明光在两者表面反射回来的光束分别被用作参考光和物光。参考光和物光发生等厚干涉，形成的干涉图样反映了被测样品表面的三维形貌。斐索干涉仪具有以下优点：1、测量精度高，因为大部分光学元件都放置在干涉单元(玻璃平板和被测样品)之外，不会带来附加相位畸变。2、对环境振动不敏感，因为物光和参考光经历完全相同的光路元件，环境的扰动不影响两者之间的光程差。3、可以测量较大面积的样品。

德国莱卡公司的Heil和埃及国家标准研究所的Abdelsalam将离轴光路应用于斐索干涉，从得到的单幅载频干涉图样中可以再现出被测物体的表面形貌。然而，由于目前CCD和CMOS图像传感器的空间分辨率有限，限制了干涉仪中物参光的夹角不能太大，使得再现像分辨率不高。为了能充分利用CCD的空间带宽积，提高成像的空间分辨能力，众多学者在斐索干涉仪中采用同轴光路(即物参光的夹角为0度)。通过沿轴向移动参考玻璃平板/样品，或通过调谐照明光的中心波长来记录多幅相移干涉图样，再现出被测样品的振幅或相位分布。此外，日本新泻大学的Sasaki教授通过周期性地移动斐索干涉仪中的玻璃平板，得到一系列相移干涉图样，然后，利用这些干涉图样来消除被测样品的零级像、共轭像，最后得到清晰的原始像。德国爱尔兰根大学的Schwider教授将具有光频梳的照明光应用于斐索干涉，该方法通过改变光频梳的中心波长得到了一系列相移干涉图样，实现了对玻璃平板平整度的测量。总之，这些方法采用同轴光路充分利用CCD的空间带宽积，具有较高的空间分辨能力。然而，相移操作需要耗费时间，因此不能用于测量运动物体或动态过程。

在保证再现像空间分辨率的前提下，为了能实现测量的实时性，国内外众多学者开展了同步相移技术研究。同步相移又称瞬时相移，是指在同一时间得到多幅相移干涉图样的方法或技术。目前常用的同步相移技术可以分为三类：1、利用多个CCD同时记录不同相移量的多幅干涉图样。该方法保证了CCD的视场和分辨率被充分利用。然而，多个CCD采集数据的时间统一性较难保证，且成本较高。2、利用偏振掩模板来覆盖CCD的靶面，使得相邻像素记录的干涉图样之间具有不同的相移，再通过对整个干涉图样的重新抽样实现同步相移。该方法虽然可以充分利用CCD的视场，但是由于每相邻2～4个像素作为一相移单元，限制了该方法的空间分辨率。3、基于平行分光的同步相移方法。利用沃拉斯顿棱镜在频谱分光，分开的光束被透镜准直成平行光后，结合偏振相移实现同步相移。然而，这些同步相移技术，大都要求物光和参考光具有正交的偏振方向。对于斐索干涉装置来说，物光和参考光基本上经历了完全相同的光学元件，使得两者具有正交偏振具有较大困难。

发明内容

本发明目的是提供一种能对物体表面形貌进行实时高精度测量的同步相移斐索干涉装置。本发明将同步相移技术和斐索干涉方法相结合，解决了传统干涉仪稳定性差、测量精度低、不能实时测量等技术问题。

本发明的技术解决方案为：

该可实时测量的同步相移斐索干涉装置包括照明单元、干涉单元、同步相移单元，干涉单元包括设置在光路上的非偏振分光棱镜、第一1/4波片和样品，样品平行于1/4波片的表面放置；第一1/4波片的主轴方向和照明光的偏振方向成45°角；同步相移单元包括依次设置在非偏振分光棱镜反射光路方向的第二1/4波片、平行分光单元、滤波单元、偏振单元以及CCD相机；所述第二1/4波片的主轴方向分别与物光和参考光偏振方向成45°角。

上述平行分光单元以采用包括平行放置在第二1/4波片后的第一光栅和第二光栅的结构形式为佳；上述滤波单元以采用包括由第三透镜和第四透镜组成的望远镜系统，以及设置在第三透镜后焦面上的光阑结构形式为佳；偏振单元一般选择放置在第四透镜后的偏振掩膜板。

上述偏振掩模板以采用由偏振方向依次成45°角的4片偏振片排列组成的2×2阵列为佳。

上述第一光栅和第二光栅是振幅型光栅或相位型光栅，第一光栅和第二光栅的周期相同。