專(zhuān)利名稱：一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)干涉測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相移橫向剪切干涉 儀，特別涉及一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀。
技術(shù)背景橫向剪切干涉法是通過(guò)一定的光機(jī)系統(tǒng)，將待測(cè)波前分為完全相同的兩束待測(cè) 波前，形成的兩束待測(cè)波前在空間上產(chǎn)生一定的位移。橫向剪切技術(shù)的應(yīng)用，避免了 在光學(xué)干涉中采用標(biāo)準(zhǔn)波前時(shí)所引入的系統(tǒng)誤差。橫向剪切干涉在一定程度上簡(jiǎn)化測(cè)量 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低測(cè)試系統(tǒng)中光學(xué)元件的精度要求，也在一定程度上提高系統(tǒng)的測(cè)量精 度。在橫向剪切儀中引入相移技術(shù)形成相移橫向剪切干涉儀可以進(jìn)一步提高性能，可以 實(shí)現(xiàn)干涉圖的處理過(guò)程的自動(dòng)化和波前三維分布的重構(gòu)性等。在現(xiàn)有的相移橫向剪切干涉儀中，經(jīng)常采用PZT改變干涉光之間的光程差，實(shí) 現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的相移。但在相移的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，PZT需要一些機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)保證，且相移的 實(shí)現(xiàn)是按照一定的時(shí)間順序進(jìn)行的。由于相移過(guò)程是在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)的，測(cè)量結(jié)果必然受到 外界環(huán)境的影響。同時(shí)，由于形成干涉的兩束光是通過(guò)分束棱鏡或分光鏡形分束，剪切 過(guò)程和相移過(guò)程分別在兩束光中通過(guò)光機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因此，。分束后兩束光通過(guò)的光學(xué) 元件的差異性將會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。現(xiàn)有技術(shù)給出了以下的一些各具 特點(diǎn)的相移橫向剪切干涉儀，分別敘述如下一種采用單剪切元件的相移橫向剪切干涉儀(Devon W.Griffin. "Phase-shifting interferometer” .Optics Letter, Vol.26, No.3, 140-141，2001)，它以液晶體作為相移元
件，通過(guò)改變控制電壓實(shí)現(xiàn)不同的相移量。該種儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其多幅干涉圖的獲取 是在時(shí)間域進(jìn)行的，對(duì)外界環(huán)境的影響比較敏感。一種單楔板作為剪切元件的相移橫向剪切干涉儀(Jae Bong Song，etc, "Simple phase-shifting method in a wedge-plate lateral-shearing interferometer” .Applied Optics, Vol.43, No.20, 3989-3992，2004)，通過(guò)在水平面內(nèi)平移移動(dòng)楔板產(chǎn)生相移，移相精度 較高。但其相移的實(shí)現(xiàn)需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的精度要求很高，且多幅干涉圖 的獲取是在時(shí)間域進(jìn)行的，對(duì)外界環(huán)境的影響比較敏感。在專(zhuān)利“移相橫向剪切干涉儀(200710045147.2)”，“偏振移相雙剪切干涉 波面測(cè)量?jī)x及其檢測(cè)方法(200710047254.9)”和“偏振移相雙剪切干涉波面測(cè)量?jī)x (200720075604.8)“中描述了一種偏振移相雙剪切干涉波面測(cè)量?jī)x及其檢測(cè)方法，它通 過(guò)固定的波片和旋轉(zhuǎn)的檢偏器組成相移系統(tǒng)，通過(guò)兩塊平行平板實(shí)現(xiàn)剪切。該儀器對(duì)于 平行平板的定位精度要求非常高，且通過(guò)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相移，因此，多幅干 涉圖的獲取是在時(shí)域完成的，對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的變化比較敏感。在專(zhuān)利“馬赫-曾德?tīng)栃图羟胁鏈y(cè)量系統(tǒng)及其剪切波面測(cè)量方法 (200810039115.6)”和“馬赫-曾德?tīng)栃图羟胁鏈y(cè)量系統(tǒng)(200820059890.3) ”中描述 了一種剪切波面測(cè)量系統(tǒng)，主要用于測(cè)量大口徑，衍射極限下的波面。在該系統(tǒng)中采用PZT實(shí)現(xiàn)相移，需要一定的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐，同時(shí)，由于PZT運(yùn)動(dòng)需要在時(shí)間上按照一定 的方式運(yùn)動(dòng)，因此，對(duì)于相移干涉圖的獲取需要在時(shí)間域進(jìn)行，環(huán)境的變化將對(duì)測(cè)量結(jié) 果產(chǎn)生影響。系統(tǒng)中剪切的實(shí)現(xiàn)通過(guò)四個(gè)反射平板在一定的空間姿態(tài)下，反射平板的反 射表面面形誤差和空間定位誤差將降低系統(tǒng)的測(cè)量精度。一種相移剪切干涉儀(劉曉軍著、“共路移相剪切干涉測(cè)量?jī)x的研制”，華中 理工大學(xué)學(xué)報(bào)，vol.27，No.316-18, 1999)，包括偏振片P、平行偏振分束器、四分之 一波片、CCD和計(jì)算機(jī)，它利用晶體的雙折射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)剪切，采用偏振相移原理實(shí)現(xiàn)相 移，具體的工作過(guò)程是激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)偏振片P形成線偏振光，再經(jīng)過(guò)空間濾波 器SF和透鏡L1擴(kuò)束準(zhǔn)直，成為平面光波，該平面光波經(jīng)分光鏡BS1和透鏡L2入射到被測(cè) 光學(xué)表面O，反射回來(lái)的光波即帶有被測(cè)表面面形的信息。此光波經(jīng)分光鏡轉(zhuǎn)向90°進(jìn) 入平行偏振分束器橫向剪切成兩束線偏振光，再經(jīng)1/4波片P形成為左旋圓偏振光和右旋 圓偏振光，在經(jīng)過(guò)偏振片P1就可以形成干涉，由CCD獲取干涉圖。在該系統(tǒng)中，相移的 實(shí)現(xiàn)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片P1來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是(1)操作麻煩在測(cè)試過(guò)程中 需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不斷改變偏振片的位置，以獲取不同相移下的干涉圖，在實(shí)際應(yīng)用時(shí) 需要轉(zhuǎn)動(dòng)定位一次偏振片？工才能采集一幅干涉圖，(2)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求較高環(huán)境對(duì)采集 結(jié)果影響較大在干涉測(cè)量中，測(cè)量過(guò)程對(duì)外界環(huán)境變化是很敏感的，由于測(cè)試獲得的 多幅相移干涉圖是在不同時(shí)刻得到的，而外界環(huán)境對(duì)每幅干涉圖的影響是不同的，在后 續(xù)的算法中也無(wú)法消除影響，因此環(huán)境對(duì)采集結(jié)果影響較大，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求較高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要提供一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的操作 麻煩和系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求較高的問(wèn)題。為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案如下一種瞬時(shí)相 移橫向剪切干涉儀，包括在主光軸上依次同心設(shè)置的平行偏振分束器2、四分之一波片3 和CCD9，CCD9與計(jì)算機(jī)1相接，其特征在于還包括在主光軸上四分之一波片3和 CCD9之間依次同心設(shè)置的二維矩形光柵4、第一凸透鏡5、空間濾波器6、第二凸透鏡 7、偏振片陣列8，其中平行偏振分束器2晶體光軸方向與入射表面之間的夾角為45°， 四分之一波片3的快軸方向位于與平行偏振分束器2的晶體光軸方向和主光軸構(gòu)成的平面 成45°角的平面上；空間濾波器6設(shè)置于第一凸透鏡5的后焦平面和第二凸透鏡7的前 焦平面上，空間濾波器6上有4個(gè)按照矩形分布的針孔；所述偏振片陣列8上設(shè)置有四個(gè) 偏振片，四個(gè)偏振片的透光軸之間的夾角依次相差45°。上述方案中的平行偏振分束器2采用雙折射晶體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是(1)操作簡(jiǎn)便本實(shí)用新型中不需要任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)就可以在CCD采集一次的 情況下獲得四幅不同相移量下的干涉圖，這是因?yàn)楸景l(fā)明中采用二維矩形光柵、透鏡和 濾波器實(shí)現(xiàn)光束的再次分束，同時(shí)可以獲取多幅相移剪切干涉圖，在偏振片陣列上設(shè)置 四個(gè)偏振片，同時(shí)分別對(duì)(-1，-1)，(-1，1)，(1，-1)，(1，1)級(jí)衍射光獲得0°、 45°、90°和135°的相移量，避免了通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片的方法獲得不同的相移量，因此操 作簡(jiǎn)單；[0014](2)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求降低本實(shí)用新型中提出的測(cè)試方法中多幅干涉圖是在同 一時(shí)刻獲取的，外界環(huán)境對(duì)每幅干涉圖的影響相同，可以在后續(xù)的算法中消除，因此大 大降低了對(duì)環(huán)境的要求；(3)提高了測(cè)量精度本實(shí)用新型在偏振片陣列上設(shè)置了四個(gè)偏振片，避免了 采用旋轉(zhuǎn)偏振片實(shí)現(xiàn)相移過(guò)程中定位誤差的影響，從而提高了測(cè)量精度。
圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是濾波器的示意圖；圖3是偏振片陣列的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀，包括在主光軸上依次同心設(shè)置的平行偏振分束 器2、四分之一波片3、二維矩形光柵4、第一凸透鏡5、空間濾波器6、第二凸透鏡7、 偏振片陣列8和CCD9，CCD9與計(jì)算機(jī)1相接。其中平行偏振分束器2 (采用雙折射晶 體)晶體光軸方向與入射表面之間的夾角為45°，四分之一波片3的快軸方向位于與平行 偏振分束器2的晶體光軸方向和主光軸構(gòu)成的平面成45°角的平面上。所說(shuō)的空間濾波 器6設(shè)置于第一凸透鏡5的后焦平面和第二凸透鏡7的前焦平面上，空間濾波器6上有4 個(gè)按照矩形分布的針孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維矩形光柵衍射光中(-1，-1)，(-1，1)，(1，-1)， (1，1)級(jí)衍射光的選擇性通過(guò)。所說(shuō)的偏振片陣列8上設(shè)置有四個(gè)偏振片，四個(gè)偏振片 的透光軸之間的夾角依次相差45°。本設(shè)備工作的過(guò)程如下由測(cè)試光學(xué)表面返回的測(cè)試波前，垂直入射到平行偏振分束器2上，由于平行 偏振分束器2具有雙折射特性，且可以使尋常光和非尋常光在橫向產(chǎn)生一定的相對(duì)位 移，因此經(jīng)過(guò)平行偏振分束器2后，測(cè)試波面分為兩束，一束為尋常光形成的波面，另 一束為非尋常光形成的波面，且兩束光均為線偏振光，振動(dòng)方向垂直，同時(shí)兩個(gè)波面有 一定的橫向剪切，橫向剪切距離的大小可通過(guò)傾斜平行偏振分束器實(shí)現(xiàn)。兩束光經(jīng)過(guò) 入/4波片，該λ/4波片的快軸方向與兩束光的偏振方向的夾角都為45°，因此，入射的 兩束線偏振光分別變成為左旋和右旋圓偏振光。該圓偏振光垂直照射到二維光柵4上， 經(jīng)過(guò)二維光柵4后產(chǎn)生了(士m，士η)級(jí)次的衍射光，其中m、η分別為非負(fù)整數(shù)。衍 射光經(jīng)過(guò)濾波系統(tǒng)(包括第一凸透鏡5、濾波器6和第二凸透鏡7)，僅僅讓(士 1，士 1) 級(jí)衍射光通過(guò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試波面的再次分束，形成為四部分，每部分都包含尋常光波面和 非尋常光波面。分束后的測(cè)試波面通過(guò)一個(gè)偏振片陣列8。偏振片陣列8上四個(gè)偏振片 中每?jī)蓚€(gè)相鄰偏振片的透光軸之間的夾角為45°，實(shí)現(xiàn)左旋和右旋圓偏振光通過(guò)偏振片 陣列8的不同區(qū)域時(shí)有不同的光程差，從而產(chǎn)生不同的相移量。經(jīng)過(guò)偏振片陣列8相移 后的偏振光進(jìn)入CCD9中，從CCD9上可以同時(shí)獲得具有不同光程差的尋常光測(cè)試波面和 非尋常光測(cè)試波面的四幅干涉圖像。使用計(jì)算機(jī)通過(guò)采用四步相移算法和澤尼克擬合技 術(shù)，由干涉圖像提取出測(cè)試波前的相位分布。[0023]因此本實(shí)用新型具有下述的獨(dú)有特點(diǎn)(1)可以同步獲取四幅相移剪切干涉圖；(2)在相移剪切干涉圖獲取的過(guò)程中，相移的實(shí)現(xiàn)不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；是通過(guò)四分之一波片、濾波器和偏振片陣列實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于所需的相移量，可通 過(guò)調(diào)節(jié)偏振片陣列的透光軸方向?qū)崿F(xiàn)。(3)在相移剪切干涉圖獲取的過(guò)程中，剪切的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)共光路光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 的；(4)在相移剪切干涉圖獲取的過(guò)程中，在同一個(gè)采集圖像上包含多幅相移剪切干 涉圖。(5)橫向剪切距離的大小可在測(cè)試前通過(guò)傾斜平行偏振分束鏡實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求1.一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀，包括在主光軸上依次同心設(shè)置的平行偏振分束器 ⑵、四分之一波片⑶和CCD(9)，CCD(9)與計(jì)算機(jī)⑴相接，其特征在于還包括 在主光軸上四分之一波片(3)和CCD(9)之間依次同心設(shè)置的二維矩形光柵(4)、第一凸 透鏡(5)、空間濾波器(6)、第二凸透鏡(7)、偏振片陣列(8)，其中平行偏振分束器(2) 晶體光軸方向與入射表面之間的夾角為45°，四分之一波片(3)的快軸方向位于與平行 偏振分束器(2)的晶體光軸方向和主光軸構(gòu)成的平面成45°角的平面上；空間濾波器(6) 設(shè)置于第一凸透鏡(5)的后焦平面和第二凸透鏡(7)的前焦平面上，空間濾波器(6)上有 4個(gè)按照矩形分布的針孔；所述偏振片陣列(8)上設(shè)置有四個(gè)偏振片，四個(gè)偏振片的透光 軸之間的夾角依次相差45°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀，其特征在于平行偏振分 束器(2)采用雙折射晶體。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的操作麻煩、系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求較高且環(huán)境對(duì)采集結(jié)果影響較大的問(wèn)題。本實(shí)用新型提供的一種瞬時(shí)相移橫向剪切干涉儀，包括在主光軸上依次同心設(shè)置的平行偏振分束器2、四分之一波片3、二維矩形光柵4、第一凸透鏡5、空間濾波器6、第二凸透鏡7、偏振片陣列8和CCD9，CCD9與計(jì)算機(jī)1相接，其中平行偏振分束器2晶體光軸方向與入射表面之間的夾角為45°，四分之一波片3的快軸方向位于與平行偏振分束器2的晶體光軸方向和主光軸構(gòu)成的平面成45°角的平面上；空間濾波器6設(shè)置于第一凸透鏡5的后焦平面和第二凸透鏡7的前焦平面上。本實(shí)用新型操作簡(jiǎn)便、對(duì)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求降低同時(shí)提高了測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01J9/02GK201795864SQ20102013926
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者劉丙才, 王春慧, 王紅軍, 田愛(ài)玲 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)