[发明专利]一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法。该装置包括光源变倾角相移调制组件、主干涉仪系统、折反镜和和成像系统；由光源变倾角相移调制组件出射倾斜准直光束进入主干涉仪系统，在主干涉仪系统中通过等腰棱镜传递，近掠入射的准直光束到待测面，待测面反射的测试光与等腰棱镜斜面返回的参考光形成相干光束，通过成像系统采集干涉图。方法为：首先光源变倾角相移调制组件产生与光轴平行的准直光，在主干涉仪系统中设置待测件，在CCD上获取成像清晰的干涉图；然后通过相移调制组件改变准直光倾角，在干涉图中引入不同相移量；最后依次采集系列干涉图，通过相移算法恢复相位。本发明具有精确高效、结构紧凑、操作简单、成本低的优点。

技术领域

本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法。

背景技术

工业生产领域通常采用机械或者电学的方法来测量平整度误差，这类接触式测量方法往往会对测试件造成一定损坏，且一般只能测量特定的轨迹轮廓或是有限测量区域的面形分布。光学干涉测量以其非接触测量、高精度和高灵敏度的特点，广泛应用于面形检测。通用的斐索或泰曼-格林型干涉仪，以自准直方法进行面形检测，光线正入射待测件表面，测量灵敏度很高，适宜检测亚微米量级的光学表面。而棱镜式掠入射干涉仪以掠入射方法进行面形检测，可以有效拓展干涉仪的测量范围，测量平整度误差在微米级的表面，甚至是粗糙面的面形分布。在棱镜式掠入射干涉仪中，相干光束采用共光路的设计，除参考面外，干涉仪光学系统自身的像差对被测光束和参考光束的影响基本相同，绝大部分可相互抵消，因而斐索型干涉仪仅对参考面的精度要求高，而对系统波像差和其它元件的加工、装配的精度要求较低。

目前常用的相移方式包括波长调谐相移技术、压电晶体相移技术和偏振相移技术。波长调谐技术通过改变输出光波长实现相移，其相移量由波长调谐量与干涉腔长决定，而棱镜式掠入射干涉仪的干涉腔极短，因而要求很大调谐带宽，不易实现波长调谐相移。压电晶体相移技术通过对压电晶体外加步进电压，使压电晶体伸缩从而改变光程，但棱镜式掠入射干涉仪的干涉腔极短，因而对相移器精度及控制电路要求较高。偏振相移通过偏振相移器件在干涉图中引入相移，测量结果会受到干涉仪内部光学元件及待测件的应力偏差的影响，提高了干涉仪的制造要求，且增加了结构的复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、成本低、结构简单的变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法。

实现本发明目的技术解决方案为：一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置，包括光源变倾角相移调制组件、主干涉仪系统、折反镜和成像系统；所述光源变倾角相移调制组件包括顺次设置的激光器、激光耦合器、单模光纤、相移调制器和准直透镜；所述主干涉仪系统包括共光轴依次设置的等腰棱镜和待测件；所述成像系统包括共光轴依次设置的第一成像透镜、第二成像透镜和CCD；

所述激光器、激光耦合器产生的光源通过单模光纤产生标准点光源，标准点光源发出的球面波经准直透镜出射准直光束，通过相移调制器调整点光源在准直透镜前焦面上距光轴的距离，改变出射准直光束的倾角得到倾斜准直光束；倾斜准直光束进入主干涉仪系统，在等腰棱镜斜面处分为测试光和参考光，其中测试光经等腰棱镜斜面折射后近掠入射到待测件，经待测件反射后与等腰棱镜斜面返回的参考光会合形成干涉场，经折反镜后进入成像系统，经过第一成像透镜和第二成像透镜，在CCD上形成相移干涉图。

进一步地，所述等腰棱镜的入射和出射两个腰面镀有增透膜，斜面作为参考面；准直光束正入射棱镜时，测试光在待测面的掠入射角α由等腰棱镜的材料折射率n及底角δ决定，且满足sinα＝nsinδ。

进一步地，所述成像系统中第一成像透镜的后焦点与第二成像透镜的前焦点重合，构成双远心成像光路，保证整个测试区域能成像到CCD；第一成像透镜的焦距f₁与第二成像透镜的焦距f₂满足f₁/f₂≥D/L，其中，D为测试光束的口径，L为CCD的靶面宽度。