基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置的制造方法
【專利摘要】基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，涉及光干涉測量領域。它是為了解決傳統單光源相移控制法測量元件微表面形貌的測量范圍小，且由于一般都是通過機械系統如壓電陶瓷PZT來產生相移導致系統不穩定、效率低等問題。本實用新型包括一號光源、二號光源、一號反射鏡、一號分光鏡、針孔濾波器、一號透鏡、二號分光鏡、待測光學元件、顯微物鏡、二號透鏡、二號反射鏡、三號反射鏡、三號透鏡、移相控制裝置、四號透鏡、三號分光鏡、五號透鏡、探測裝置、數據采集裝置。其中，探測裝置需與數據采集裝置相連，利用數據采集裝置顯示探測裝置拍攝的干涉圖樣，可得到待測光學元件的微表面形貌。本實用新型適用于精密光學干涉測量領域。
【專利說明】
基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及光干涉測量領域。特別是一種基于雙波長干涉的微表面形貌測量
目.0
【背景技術】
[0002]對于光學元件微表面形貌的高精度測量，利用Mach-Zehnder干涉原理設計的測量裝置是一種有效的途徑。這種裝置由測量光路與參考光路構成，具有結構簡單、測量靈敏度高等特點，可用于平面光學元件、球面光學元件及非球面光學元件表面形貌的測量。同時利用該原理制作的測量裝置可對球面曲率半徑及各種光學透鏡、棱鏡和光學系統光波傳輸質量進行測量。在Mach-Zehnder干涉技術原理設計的測量裝置中，移相干涉法是一種十分精密的干涉測量方法，該種方法利用機械系統裝置在光路中控制參考光路的光程，使得傳感光路與參考光路產生位相差以實現相位調制，并利用探測裝置采集干涉圖樣。但傳統相移干涉法采用單一波長的光源，其測量范圍小，且由于一般都是通過機械系統如壓電陶瓷PZT來產生相移，導致系統不穩定、效率低。因此，有必要將傳統位相干涉法測量元件形貌的裝置進行改進，設計出操作簡便、精度高、測量范圍大的元件形貌測量裝置。
【發明內容】
[0003]本實用新型是為了解決在元件形貌的測量中，傳統相移干涉法測量范圍小、穩定性低下且操作復雜的問題。在Mach-Zehnder干涉原理及相移干涉法的基礎上，開發實現新型的基于Mach-Zehnder干涉的雙光束光學元件微表面形貌測量裝置。與現有測量設備相比，本實用新型提供了一種操作簡便、測量范圍大、精度高的，基于Mach-Zehnder干涉的雙光束光學元件微表面形貌測量裝置。
[0004]基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，它包括一號光源(1)、二號光源(2)、一號反射鏡(3)、一號分光鏡(4)、針孔濾波器(5)、一號透鏡(6)、二號分光鏡(7)、待測光學兀件
(8)、顯微物鏡(9)、二號透鏡(10)、二號反射鏡(11)、三號反射鏡(12)、三號透鏡(13)、移相控制裝置(14)、四號透鏡(15)、三號分光鏡(16)、五號透鏡(17)、探測裝置(18)、數據采集裝置(19);
[0005]—號反射鏡(3)放置于與一號光源(I)相距300mm且與一號分光鏡(4)相距200mm且三者之間位置正交，二號光源(2)與一號分光鏡(4)相距300mm且位置與一號光源(I)平行，針孔濾波器(5)與一號分光鏡(4)相距200mm且與一號透鏡(6)相距200mm，二號分光鏡(7)與一號透鏡(6)相距200mm且與待測光學元件(8)相距200mm且與三號反射鏡(12)相距750mm且三者之間位置正交，待測光學元件(8)與顯微物鏡(9)相距200mm，顯微物鏡(9)與二號透鏡
(10)相距200mm，二號透鏡(10)與二號反射鏡(11)相距150mm, 二號反射鏡(11)與二號分光鏡(7)相距750mm且與三號透鏡(13)相距200mm，移相控制裝置(14)放置于三號透鏡(13)和四號透鏡(15)之間并與三號透鏡(13)和四號透鏡分別相距150mm和200mm，三號分光鏡(16)與四號透鏡(15)相距200mm且與二號反射鏡(I I)相距750mm且與五號透鏡相距200mm且三者之間位置正交，探測裝置(18)與五號透鏡(17)相距50mm并且與數據采集裝置(19)相連。
[0006]一號光源(I)的光波波長為632.8nm，二號光源(2)的光波波長為543nm。
[0007]—號分光鏡(4)、二號分光鏡(7)、三號分光鏡(16)的分光比均為1:1且材料均為BK7玻璃。
[0008]一號透鏡(6)、二號透鏡(10)、四號透鏡(15)的焦距為200mm且厚度為2mm且直徑為30mm且材料為K9玻璃。
[0009]三號透鏡(13)的焦距為150mm且厚度為3mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。
[0010]五號透鏡(17)的焦距為150mm且厚度為3mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。
[0011 ]移相控制裝置(14)為電動調焦鏡片ETL。
[0012]探測裝置(18)為(XD。
[0013]數據采集裝置(19)包括圖像采集卡和計算機。
[0014]本實用新型的有益效果是:本實用新型通過將兩個不同波長的雙光源取代單光源并在Mach-Zehnder干涉儀及傳統單一波長光源的相移干涉裝置的基礎上進行改進，設計出新型Mach-Zehnder干涉儀雙光束光學元件微表面形貌測量裝置。該測量裝置包含兩個不同波長的光源，這樣可使其測量范圍擴大，并且由于通過兩組方向交叉的干涉條紋來測量被測元
[0015]件形貌，可以有效地從干涉圖像中提取出更多的數據點，從而提高測量的橫行分辨率。同時，該裝置基于的干涉原理保證了測量靈敏度高的優勢，且引入了一種使用電動調焦鏡片來實現移相的方法，使系統更具有穩定性、抗變換性。該Mach-Zehnder干涉的雙光源光學元件微表面形貌測量裝置相比傳統單光源測量裝置具有靈敏度高、測量范圍大、穩定性強等優點。
【附圖說明】
[0016]圖1為基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置。
【具體實施方式】
[0017]下面結合說明書附圖進一步說明本實用新型的【具體實施方式】。
[0018]如圖1，本實施方式所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，它包括一號光源(I)、二號光源(2)、一號反射鏡(3)、一號分光鏡(4)、針孔濾波器(5)、一號透鏡(6)、二號分光鏡(7)、待測光學元件(8)、顯微物鏡(9)、二號透鏡(10)、二號反射鏡(I I)、三號反射鏡
(12)、三號透鏡(I3)、移相控制裝置(14)、四號透鏡(15)、三號分光鏡(16)、五號透鏡(17)、探測裝置(18)、數據采集裝置(19); 一號反射鏡(3)放置于與一號光源(I)相距300mm且與一號分光鏡(4)相距200mm且三者之間位置正交，二號光源(2)與一號分光鏡(4)相距300mm且位置與一號光源(I)平行，針孔濾波器(5)與一號分光鏡(4)相距200mm且與一號透鏡(6)相距200mm，二號分光鏡(7)與一號透鏡(6)相距200mm且與待測光學元件(8)相距200mm且與三號反射鏡(12)相距750mm且三者之間位置正交，待測光學元件(8)與顯微物鏡(9)相距200mm，顯微物鏡(9)與二號透鏡(10)相距200mm，二號透鏡(10)與二號反射鏡(11)相距150mm, 二號反射鏡(I I)與二號分光鏡(7)相距750mm且與三號透鏡(13)相距200mm，移相控制裝置(14)放置于三號透鏡(13)和四號透鏡(15)之間并與三號透鏡(13)和四號透鏡分別相距150mm和200mm，三號分光鏡(16)與四號透鏡(15)相距200mm且與二號反射鏡(I I)相距750mm且與五號透鏡相距200mm且三者之間位置正交，探測裝置(18)與五號透鏡(17)相距50mm并且與數據采集裝置(19)相連。
[0019]一號光源(I)的光波波長為632.8nm，二號光源(2)的光波波長為543nm。
[°02°] 一號分光鏡(4)、二號分光鏡(7)、三號分光鏡(16)的分光比均為1:1且材料均為BK7玻璃。
[0021 ] 一號透鏡(6)、二號透鏡(10)、四號透鏡(15)的焦距為200mm且厚度為2mm且直徑為30mm且材料為K9玻璃。
[0022]三號透鏡(13)的焦距為150mm且厚度為3mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。
[0023]五號透鏡(17)的焦距為150mm且厚度為3mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。
[0024]移相控制裝置(14)為電動調焦鏡片ETL。
[0025]探測裝置(18)為CCD。
[0026]數據采集裝置(19)包括圖像采集卡和計算機。
[0027]在進行光學元件微表面形貌測量時，先搭建好實驗光路，將探測裝置(18)連接到數據采集裝置(19)。調整兩光源的位置，對其進行共軸調整，使兩束光的中心重合。經一號透鏡(6)擴束準直，并檢查一號透鏡之后的光路，光斑大小和中心高保持不變。然后調整二號分光鏡(7)分束成測試光和參考光，反射光斑和透射光斑保持形狀、大小和中心高不變。此時數據采集裝置(19)上顯示的經探測裝置(18)拍攝的干涉圖樣即為光經過兩路不同路徑后發生耦合干涉時的圖樣。移相控制裝置(14)由兩種介質組成，可通過控制電壓使移相控制裝置(14)內的兩種介質的厚度發生改變，從而使兩路光的光程發生改變，使得傳感光路與參考光路產生位相差以實現相位調制。利用探測裝置(18)的模擬信號經過A/D轉換變成數字信傳到數據采集裝置(19)。通過采集到的圖樣信息，進而得到待測光學元件(8)的微表面形貌。
[0028]工作原理:
[0029]基于雙波長干涉的微表面形貌測量:
[0030]工作過程:如圖1所示，將探測裝置(18)與數據采集裝置(19)相連，并搭建實驗光路。
[0031]在對光學元件微表面形貌測量的過程中，先將探測裝置(18)與數據采集裝置(19)連接，再依次打開一號光源(I)、二號光源(2)、探測裝置(18)、數據采集裝置(19)。由一號光源(I)經一號反射鏡(3)反射和二號光源(2)發出的光在一號分光鏡(4)中相遇，經過針孔濾波器(5)除去高頻噪聲，然后將利用一號透鏡(6)將其擴束準直。擴束后的光經過二號分光鏡(7)后，光被分成光強比為1:1的兩束光分別進入傳感光路與參考光路。在測量光路中光依次經過待測光學元件(8)、顯微物鏡(9)、二號透鏡(10)、二號反射鏡(U)。在參考光路中光依次經過三號反射鏡(12)、三號透鏡(13)、移相控制裝置(14)、四號透鏡(15)并在三號分光鏡(16)中與另一路光相遇發生親合。電壓控制移相控制器(18)使參考光路光程發生改變，從而使兩路光的光程差發生改變。光程差的改變會導致兩束光耦合時的位相發生改變。在三號分光鏡(16)內相遇的兩束光會因為位相不同的兩束光的疊加而發生光強的重新分布，產生干涉現象。該干涉光依次經過透鏡(17)成像在探測裝置(18)上。當干涉光因為參考光路的光程發生改變時，探測裝置(18)所拍攝的干涉圖樣會發生變化。可根據干涉圖樣的變化及利用相應的算法計算出待測光學元件(8)的微表面形貌。
【主權項】
1.基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:它包括一號光源(I)、二號光源(2)、一號反射鏡(3)、一號分光鏡(4)、針孔濾波器(5)、一號透鏡(6)、二號分光鏡(7)、待測光學兀件(8)、顯微物鏡(9)、二號透鏡(10)、二號反射鏡(11)、三號反射鏡(12)、三號透鏡(13)、移相控制裝置(14)、四號透鏡(15)、三號分光鏡(16)、五號透鏡(17)、探測裝置(18)、數據采集裝置(19); 一號反射鏡(3)放置于與一號光源(I)相距300mm且與一號分光鏡(4)相距200mm且三者之間位置正交，二號光源(2)與一號分光鏡(4)相距300mm且位置與一號光源(I)平行，針孔濾波器(5)與一號分光鏡(4)相距200mm且與一號透鏡(6)相距200mm，二號分光鏡(7)與一號透鏡(6)相距200mm且與待測光學元件(8)相距200mm且與三號反射鏡(12)相距750mm且三者之間位置正交，待測光學元件(8 )與顯微物鏡(9 )相距200mm，顯微物鏡(9 )與二號透鏡(10 )相距200mm，二號透鏡(10)與二號反射鏡(I I)相距150mm, 二號反射鏡(I I)與二號分光鏡(7)相距750mm且與三號透鏡(13)相距200mm，移相控制裝置(14)放置于三號透鏡(13)和四號透鏡(15)之間并與三號透鏡(13)和四號透鏡分別相距150mm和200mm，三號分光鏡(16)與四號透鏡(15)相距200mm且與二號反射鏡(I I)相距750mm且與五號透鏡相距200mm且三者之間位置正交，探測裝置(18)與五號透鏡(17)相距50mm并且與數據采集裝置(19)相連。2.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:一號光源(I)的光波波長為632.8nm，二號光源(2)的光波波長為543nm。3.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:一號分光鏡(4)、二號分光鏡(7)、三號分光鏡(16)的分光比均為1:1且材料均為BK7玻璃。4.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:一號透鏡(6)、二號透鏡(10)、四號透鏡(15)的焦距為200mm且厚度為2mm且直徑為30mm且材料為K9玻璃。5.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:三號透鏡(13)的焦距為150mm且厚度為3mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。6.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:五號透鏡(17)的焦距為150mm且厚度為3mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。7.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:移相控制裝置(14)為電動調焦鏡片ETL。8.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:探測裝置(18)為CCD。9.根據權利要求1所述的基于雙波長干涉的微表面形貌測量裝置，其特征在于:數據采集裝置(19)包括圖像采集卡和計算機。
【文檔編號】G01B11/24GK205642308SQ201620294905
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】沈濤, 周燕
【申請人】哈爾濱理工大學