專利名稱:偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀的制作方法
本發(fā)明屬于干涉儀，主要用于各種光學(xué)元件的光學(xué)檢驗。
條紋掃描數(shù)字干涉儀是1974年首先由美國貝爾電話公司的J.H.Bruning等人提出的(Appl.Opt.1974，Vol，13，No.11，2693)，以后相繼被TROPEL.ZYGO公司發(fā)展為商品(M.Sohaham SPIE，1981，Vol，306 183;VS4201473-A)，現(xiàn)在條紋掃描數(shù)字干涉儀已成為高精度波面測量最有效的手段。
目前條紋掃描數(shù)字干涉儀，例如ZYGO干涉儀由光源、條紋掃描干涉裝置，光電檢測及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中條紋掃描都是采用壓電晶體改變一干涉臂的光程來實現(xiàn)，然而這種方法有下列缺點1.精密控制壓電晶體不易做到;
2.必須采用雙臂干涉方法，它對氣流和震動極為敏感，使得系統(tǒng)對工作環(huán)境條件要求嚴(yán)格;
3.要求高精度參考面，其他光學(xué)元件要求也較高;
4.必須使用穩(wěn)頻激光器作光源;
5.干涉條紋不穩(wěn)定，很難觀察象差的零級干涉條紋;
6.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
為了克服上述缺點，發(fā)明人曾于1984年8月在日本第13屆國際光學(xué)會議上提出了一種新型的條紋掃描原理-偏振條紋掃描，并在中國光學(xué)學(xué)報上發(fā)表了“偏振條紋掃描干涉儀”一文(光學(xué)學(xué)報，1986，Vol.5，No.2)，對偏振條紋掃描原理作了進(jìn)一步闡述。
本發(fā)明的目的是基于發(fā)明人提出的原理，提供一種偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀的實用儀器，并提供利用該儀器測量透鏡，球面和平面等光學(xué)元件的實用光路和方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是將波面測量歸結(jié)為星點測量，并利用本發(fā)明的位相偏振編碼器將被測的位相分布φ(X，Y)編碼為不同偏振角的分布 (φ(X、y))/2 ，再通過旋轉(zhuǎn)檢偏器來實現(xiàn)條紋掃描，其干涉圖由電視攝象機(jī)接收，送入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
在(0，π)的檢偏角區(qū)間內(nèi)，取N個位置，測得N幅干涉條紋光強(qiáng)分布I(X、Y，K)，利用數(shù)字同步檢測原理可算得各點的相對位相φ(X，Y)，即為測得的波面分布。
φ(X、Y)＝tg-1(A)/(B)其中 A=ΣK = 1NI(X、Y、K)Sin2πNK]]>B=ΣK = 1NI(X、Y、K)Co s2πNK]]>本發(fā)明的位相偏振編碼器(如圖二)是由起偏器(12)、偏振板(13)上的偏振小孔(14)和四分之一波片(15)構(gòu)成的，其相對位置如圖三所示，Ep為起偏器(12)的偏振軸方向，E1和E11分別是偏振板(13)的偏振膜的透射方向和消光方向，Ef和Es分別是四分之一波片的快軸和慢軸，Ef與E11，Es與E1均成45°角。當(dāng)被測波面會聚的星點通過起偏器落在偏振小孔(14)上時，這小孔(可視為標(biāo)準(zhǔn)點源)產(chǎn)生參考波面，其偏振方向為E⊥，由于入射偏振Ep仍有E11分量，故被測波面仍有透射分量，其偏振方向為E11，通過調(diào)整起偏器(12)改變Ep與E⊥的夾角α可使參考波面和被測波面的振幅相等，當(dāng)它們通過四分之一波片(15)被分別轉(zhuǎn)化為左旋偏振和右旋偏振，而它們的合成仍為線偏振，但偏振角為其兩者位相差的一半，即φ(x、y)/2，因而實現(xiàn)了位相的偏振編碼。
這一位相偏振編碼器可用于任何波面，只要使該波面會聚成星點并落在偏振小孔(14)上即可。
本發(fā)明的偏振條紋掃描干涉儀與現(xiàn)有的條紋掃描干涉儀相比，具有下列優(yōu)點1.由于掃描方式采用轉(zhuǎn)動檢偏器，旋轉(zhuǎn)180°對應(yīng)于1個波長，因此極易高精度控制，使位相測量靈敏度很高。
2.由于是共光路干涉，對氣流和震動不敏感，所以在普通環(huán)境條件下即可工作。
3.系統(tǒng)對光學(xué)元件要求不高，特別是測透鏡時將不要求任何高精度參考面，只要一標(biāo)準(zhǔn)微孔即可。
4.激光源不必使用穩(wěn)頻激光器。
5.干涉條紋極為穩(wěn)定，很容易調(diào)整在零級干涉，測量象差和面形很直觀。
6.結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)元件少。
7.該技術(shù)把所有波面測量歸結(jié)為星點測量，而這種星點測量可以得到高精度定量結(jié)果，從而使傳統(tǒng)的定性星點測量定量化。
圖一是測量透鏡、顯微物鏡的實用系統(tǒng)光路圖。
圖二是位相偏振編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖三是位相偏振編碼器各元件方向安排圖。
圖四是測量球面的實用系統(tǒng)光路圖。
圖五是測量平面的部分光路圖。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明及實施例。
圖二中(12)是起偏器，(13)是偏振膜板，(14)是偏振膜板上的一微孔，即偏振小孔，(15)是四分之一波片，他們的安排方向如圖三所示。起偏器(12)可調(diào)，以改變起偏器偏振軸方向Ep與偏振小孔透射方向E⊥的夾角α，使干涉條紋對比度達(dá)到最大。起偏器(12)應(yīng)盡量靠近偏振小孔，其理由是使儀器不受被測元件(特別是對顯微鏡的測量)的消偏振效應(yīng)影響;偏振片的使用面積極小，可避免對偏振片高質(zhì)量面形要求;由于入射在偏振小孔上的光束孔徑角很小，它也不致引入額外球差等。
波片(15)采用任何四分之一波片都行，但最好使用費涅爾相板作為四分之一波片。因為普通波片不易高精度加工，普通石英波片由于有膠合，怕熱，不能鍍高質(zhì)量增透膜，而費涅爾相板容易實現(xiàn)高精度相移，其端面可以鍍高質(zhì)量增透膜，而且與波長無關(guān)，可以適用任意波長。
圖一是測量透鏡、顯微物鏡的實用系統(tǒng)的光路圖。圖中虛線框內(nèi)是本發(fā)明偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀最主要的部分-偏振條紋掃描檢測系統(tǒng)(11)，含有上述的位相偏振編碼器(5)，旋轉(zhuǎn)檢偏器(7)，電視攝象機(jī)(9)，微機(jī)(10)和微機(jī)控制的同步控制機(jī)構(gòu)(8)。最好在位相偏振編碼器和旋轉(zhuǎn)檢偏器之間加入成象透鏡(6)以使干涉條紋清晰地成象在電視攝象機(jī)物面上。
在測量透鏡或顯微物鏡中，偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀的工作情況如下激光器(1)發(fā)出的激光束被聚光鏡(2)聚焦在針孔(3)上，針孔處在被測透鏡(4)的物面上，并作標(biāo)準(zhǔn)點光源，其象點落在位相偏振編碼器(5)的偏振小孔(14)上(見圖二)，從而被測波面被偏振編碼，通過成象透鏡(6)和旋轉(zhuǎn)檢偏器(7)，產(chǎn)生條紋掃描，干涉圖落在電視攝象機(jī)(9)的物面上。干涉圖被電視攝象機(jī)(9)接收，送入微機(jī)(10)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在測量過程中微機(jī)(10)按程序控制同步控制機(jī)構(gòu)(8)(例如步進(jìn)馬達(dá)及齒輪機(jī)構(gòu)組成)，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)檢偏器(7)同步旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)同步偏振條紋掃描和同步檢測。
圖四是測量球面的實用系統(tǒng)的光路圖。圖中激光器(1)發(fā)出的光耦合入單模光纖(16)并引導(dǎo)到顯微物鏡(18)的一近軸象點(17)上形成點光源，被測球面(19)的球心處于顯微物鏡(18)的物面軸上，激光由被測球面(19)反射后經(jīng)顯微物鏡(18)成象在與點源(17)對稱的象面位置，形成星點(20)并落在偏振條紋掃描檢測系統(tǒng)(11)的位相偏振編碼器(5)的偏振小孔(14)上，利用所說的偏振條紋掃描檢測系統(tǒng)(11)即可測量該球面。
實際上，在上述測量球面的實用系統(tǒng)光路中，激光器(1)發(fā)出的光只要引導(dǎo)到顯微物鏡(18)的一近軸象點(17)上形成點光源即可對球面進(jìn)行測量，而與引導(dǎo)的方式無關(guān)，但是采用單模光纖(16)導(dǎo)光，并以其端面作為標(biāo)準(zhǔn)點源，可使激光器與干涉儀的連接更為靈活。
在此測量中，點源(17)和象點(20)必須足夠近，例如5毫米，使得它們在顯微物鏡物方的共軛點離軸足夠近，從而不使被測球面引入額外的慧差。
圖五是測量平面的部分光路圖。即在測量球面的實用系統(tǒng)光路中，將圖五中的準(zhǔn)直鏡(21)代替圖四的球面(19)即可測量平面(22)。
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)檢驗的偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀，含有激光光源(1)、電視攝象機(jī)(9)和微機(jī)(10)，其特征在于還有偏振條紋掃描裝置，該裝置含有位相偏振編碼器(5)，同步控制機(jī)構(gòu)(8)和旋轉(zhuǎn)檢偏器(7)，所說的位相偏振編碼器對待測波面進(jìn)行偏振編碼，所說的微機(jī)通過所說的同步控制機(jī)構(gòu)使所說的旋轉(zhuǎn)檢偏器同步旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)偏振條紋掃描和同步檢測。
2.一種按照權(quán)利要求
1的偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀，其特征在于所說的位相偏振編碼器是由偏振軸可調(diào)的起偏器(12)、帶有偏振小孔(14)的偏振板(13)和四分之一波片(15)組成的。
3.一種按照權(quán)利要求
2的位相偏振編碼器，其特征在于所說的偏振小孔(14)是偏振板(13)的偏振膜上一微孔。
4.一種按照權(quán)利要求
2的位相偏振編碼器，其特征在于所說的四分之一波片最好使用費涅爾相板。
5.一種按照權(quán)利要求
2的位相偏振編碼器，其特征在于起偏器(12)必須靠近偏振小孔(14)。
6.一種按照權(quán)利要求
1或2所說的偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀，其特征是在位相偏振編碼器(5)和旋轉(zhuǎn)檢偏器(7)之間安置了一成象透鏡(6)。
7.一種按照權(quán)利要求
1所說的偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀用于測量透鏡的實用光路，其特征在于激光光源(1)發(fā)射的光束通過聚光鏡(2)聚焦在針孔板(3)的針孔上，針孔處在被測透鏡(4)的物面上，并作為標(biāo)準(zhǔn)點光源，其象點落在位相偏振編碼器(5)的偏振小孔(14)上，從而被測波面被偏振編碼，微機(jī)(10)通過同步控制機(jī)構(gòu)(8)使旋轉(zhuǎn)檢偏器(7)同步旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生條紋掃描，干涉圖被電視攝象機(jī)(9)接收，送入微機(jī)(10)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
8.一種按照權(quán)利要求
1所說的偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀用于測量球面的實用光路，其特征在于激光(1)在顯微物鏡(18)的一近軸象點(17)上形成點光源，被測球面(19)的球心處于顯微物鏡(18)的物面軸上，激光由被測球面(19)反射后經(jīng)顯微物鏡(18)成象在與點源(17)對稱的象點(20)上，即位相偏振編碼器(5)的偏振小孔(14)上，利用偏振條紋掃描檢測系統(tǒng)(11)即可測量該球面。
9.一種按照權(quán)利要求
8所說的用于測量球面的實用光路，其特征在于用單模光纖(16)把激光引導(dǎo)到顯微物鏡(18)的一近軸點(17)上。
10.一種按照權(quán)利要求
8或9所說的用于測量球面的實用光路，其特征在于所說的點源(17)和象點(20)必須足夠近，例如5毫米左右。
11.一種按照權(quán)利要求
8或9所說的偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀的實用光路，其特征在于若用準(zhǔn)直透鏡(21)代替所說的球面(19)時，即可測量平面(22)。
專利摘要
偏振條紋掃描數(shù)字干涉儀是用于光學(xué)檢驗的儀器，它利用起偏器、偏振小孔、四分之一波片組成的位相偏振編碼器將被測的位相分布φ(X、Y)編碼為不同偏振角分布φ(X、Y)/2，通過旋轉(zhuǎn)檢編器進(jìn)行條紋掃描，其干涉圖由電視攝像機(jī)接收，送入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。發(fā)明還提供了利用該儀器測量透鏡，球面和平面等光學(xué)元件的實用光路。該發(fā)明的特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，在一般環(huán)境條件下工作，可獲得高精密的測量。
文檔編號G01M11/00GK85106007SQ85106007
公開日1987年2月25日 申請日期1985年8月6日
發(fā)明者伍樹東, 陳祥楨, 陶琇 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan