一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置的制造方法
【專利摘要】一種基于Mach?Zehnder干涉的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，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表面粗糙度的測量范圍小、不適用于臺階高度大于1/2波長材料表面的粗糙度測量的問題。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、二號分光鏡、透鏡、一號雙膠合透鏡、二號反射鏡、三號分光鏡、二號透鏡、二號雙膠合透鏡、待測材料、三號透鏡、光闌、三號雙膠合透鏡、四號雙膠合透鏡、探測裝置、微位移控制器、光強衰減器、待測元件固定臺。其中，探測裝置需與電腦相連，利用電腦顯示探測裝置拍攝的干涉圖樣，并結合相應算法可得到待測元件的表面粗糙度。本實用新型適用于精密光學干涉傳感領域。
【專利說明】
一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糖度測量裝置
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Mach-Zehnder干涉的雙光束元件表面粗糙度測量裝置。
【背景技術】
[0002]對于元件表面粗糙度的高精度測量，利用Mach-Zehnder干涉原理設計的測量裝置是一種有效的途徑。這種裝置由傳感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粗糙度的測量。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，該種方法利用微位移控制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，其測量精度可達1/50波長量級。但傳統相移干涉法采用單一波長的光源，其測量范圍小，不適用于待測元件表面臺階高度大于1/2波長的粗糙度測量。在測量過程中，若被測材料臺階高低相差過大，導致相鄰像素的位相差大于η即光程差大于1/2波長，則無法精確地測量出臺階的高度。
[0003]因此，有必要將傳統位相干涉法測量元件表面粗糙度的裝置進行改進，設計出操作簡便、精度高、測量范圍大的元件表面粗糙度測量裝置。
【發明內容】
[0004]本實用新型是為了解決在元件表面粗糙度的測量中，傳統相移干涉法測量范圍小、測量裝置制作成本高且操作復雜的問題。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干涉的雙光束元件表面粗糙度測量裝置。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干涉的雙光束元件表面粗糙度測量裝置。
[0005]—種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，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)、二號分光鏡(5)、透鏡(6)、一號雙膠合透鏡
(7)、二號反射鏡(8)、三號分光鏡(9)、二號透鏡(10)、二號雙膠合透鏡(11)、待測材料(12)、三號透鏡(13)、光闌(14)、三號雙膠合透鏡(15)、四號雙膠合透鏡(16)、探測裝置(17)、微位移控制器(18)、光強衰減器(19)、待測元件固定臺(20);
[0006]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200mmd的位置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，二號分光鏡(5)與一號分光鏡(4)相距200mm且與一號透鏡(6)相距200mm且與二號透鏡(10)相距200mm且三者之間位置正交，一號透鏡(6)與一號雙膠合透鏡(7)相距200mm，二號透鏡(10)與二號雙膠合透鏡(11)相距200mm，二號反射鏡(8)固定于微位移控制器(18)上且與雙膠合透鏡(7)相距200mm且與三號分光鏡(9)相距609mm且三者之間位置正交，光強衰減器(19)放置于二號反射鏡(8)和三號分光鏡(9)之間并與二號反射鏡(8)相距300mm，待測材料(12)放置在待測元件固定臺(20)上且與雙膠合透鏡(11)相距200mm且與三號分光鏡(9)相距609mm且三者之間位置正交，三號透鏡(13)與三號分光鏡(9)相距200mm且與光闌(14)相距200mm，三號雙膠合透鏡(15)與光闌(14)相距30mm且與四號雙膠合透鏡(16)相距20mm，四號雙膠合透鏡(16)與探測裝置(17)相距44mm。
[0007]一號光源(I)的光波波長為632.8nm，二號光源的光波波長為543nm。
[0008]—號分光鏡(4)、二號分光鏡(5)、三號分光鏡(9)的分光比均為1:1且材料均為BK7玻璃。
[0009]一號透鏡(6)、二號透鏡(10)的焦距為12.9mm且厚度為2mm且直徑為3mm且材料為K9玻璃。
[0010]三號透鏡(13)的焦距為200mm且厚度為4mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。
[0011]—號雙膠合透鏡(7)、二號雙膠合透鏡(11)直徑為3mm且前后兩部分的材料分別是ZFl玻璃和K9玻璃。
[0012]光闌(14)的厚度為30mm。
[0013]三號雙膠合透鏡(15)和四號雙膠合透鏡(16)的直徑分別是1mm和14mm且這兩個雙膠合透鏡前后兩部分的材料分別是K9玻璃、F3玻璃和F3玻璃、K9玻璃。
[0014]微位移控制器(18)為PZT。
[0015]光強衰減器(19)為透射光強度可調的透鏡組。
[0016]待測元件固定臺(20)為可方便放置待測材料(12)的金屬或塑料制成的夾具。
[0017]探測裝置(17)為CCD。
[0018]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干涉儀雙光束元件表面粗糙度測量裝置。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，可用于測量臺階高度大于1/2波長材料表面的粗糙度。該裝置在測量過程中，若被測材料臺階高低相差過大，導致相鄰像素的位相差大于η同樣可精確地測量出臺階的高度，比傳統的干涉測量裝置具有更大的測量范圍。同時，該裝置基于的干涉原理保證了測量靈敏度高的優勢，待測元件固定臺方便待測元件的取放且操作簡單。該Mach-Zehnder干涉的雙光源元件表面粗糙度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、操作簡便等優點。
【附圖說明】
[0019]圖1為一種基于Mach-Zehnder干涉的雙光束元件表面粗糙度測量裝置。
【具體實施方式】
[0020]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】。
[0021]如圖1，本實施方式所述的一種基于Mach-Zehnder干涉的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，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)、二號分光鏡
(5)、透鏡(6)、一號雙膠合透鏡(7)、二號反射鏡(8)、三號分光鏡(9)、二號透鏡(10)、二號雙膠合透鏡(11)、待測材料(12)、三號透鏡(13)、光闌(14)、三號雙膠合透鏡(15)、四號雙膠合透鏡(16)、探測裝置(17)、微位移控制器(18)、光強衰減器(19)、待測元件固定臺(20);—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的位置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，二號分光鏡(5)與一號分光鏡(4)相距200mm且與一號透鏡(6)相距200mm且與二號透鏡(10)相距200mm且三者之間位置正交，一號透鏡(6)與一號雙膠合透鏡(7)相距200mm，二號透鏡(10)與二號雙膠合透鏡(11)相距200mm，二號反射鏡(8)固定于微位移控制器(18)上且與雙膠合透鏡(7)相距200mm且與三號分光鏡(9)相距609mm且三者之間位置正交，光強衰減器(19)放置于二號反射鏡(8)和三號分光鏡(9)之間并與二號反射鏡(8)相距300mm，待測材料(12)放置在待測元件固定臺(20)上且與雙膠合透鏡(11)相距200mm且與三號分光鏡(9)相距609mm且三者之間位置正交，三號透鏡(I 3)與三號分光鏡(9)相距200mm且與光闌(14)相距200mm，三號雙膠合透鏡(15)與光闌(14)相距30mm且與四號雙膠合透鏡(16)相距20mm，四號雙膠合透鏡(16)與探測裝置(17)相距44mm。
[0022]一號光源(I)的光波波長為632.8nm，二號光源的光波波長為543nm。
[0023]—號分光鏡(4)、二號分光鏡(5)、三號分光鏡(9)的分光比均為1:1且材料均為BK7玻璃。
[0024]一號透鏡(6)、二號透鏡(10)的焦距為12.9mm且厚度為2mm且直徑為3mm且材料為K9玻璃。
[0025]三號透鏡(13)的焦距為200mm且厚度為4mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃。
[0026]—號雙膠合透鏡(7)、二號雙膠合透鏡(11)直徑為3mm且前后兩部分的材料分別是ZFl玻璃和K9玻璃。
[0027]光闌(14)的厚度為30mm。
[0028]三號雙膠合透鏡(15)和四號雙膠合透鏡(16)的直徑分別是1mm和14mm且每個透鏡的材料分別是K9玻璃、F3玻璃和F3玻璃、K9玻璃。
[0029]微位移控制器(18)為PZT。
[0030]光強衰減器(19)為透射光強度可調的透鏡組。
[0031]待測元件固定臺(20)為可方便放置待測材料(12)的金屬或塑料制成的夾具。
[0032]探測裝置(17)為(XD。
[0033]在進行元件表面粗糙度測量時，先搭建好實驗光路，將探測裝置(17)連接到電腦。在待測元件固定臺(20)上放好待測材料(12)并調整待測材料(12)的位置，使得光剛好能從二號雙膠合透鏡(11)到達該待測材料(12)并由該待測材料(12)到三號分光鏡(9)。電腦上顯示的經探測裝置(17)拍攝的圖樣即為光經過兩路不同路徑后發生耦合干涉時的圖樣。當微位移控制器(18)帶動二號反射鏡(8)發生移動時，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(17)采集干涉圖樣。通過采集到的圖樣信息，得到待測材料(12)的表面粗糙度。
[0034]工作原理:
[0035]基于Mach-Zehnder干涉的雙波長元件表面粗糙度測量:
[0036]工作過程:如圖1所示，將探測裝置(17)與電腦相連，并搭建實驗光路。
[0037]在對元件表面粗糙度測量的過程中，先將探測裝置(17)與電腦連接，再依次打開一號光源(I)、二號光源(2)、探測裝置(17)、電腦。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，一號分光鏡(4)的分光比為1:1。經過一號分光鏡(4)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。在傳感光路中光依次經過二號透鏡(10)、二號雙膠合透鏡(11)、待測材料(12)、三號分光鏡(9 )。在參考光路中光依次經過一號透鏡(6)、一號雙膠合透鏡(7)、二號反射鏡(8)、光強衰減器(19)并在三號分光鏡(9)中與另一路光相遇發生耦合。當參考光路的光程通過微位移控制器(18)帶動二號反射鏡(8)移動時，其光程會發生改變，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(9)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。該干涉光依次經過三號透鏡(13)、光闌(14)、三號雙膠合透鏡(15)、四號雙膠合透鏡(16)到達探測裝置(17)。當干涉光因為參考光路的光程發生改變時，探測裝置(17)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材料(12)的表面粗糙度。
【主權項】
1.一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，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)、二號分光鏡(5)、透鏡(6)、一號雙膠合透鏡(7)、二號反射鏡(8)、三號分光鏡(9)、二號透鏡(10)、二號雙膠合透鏡(11)、待測材料(12)、三號透鏡(13)、光闌(14)、三號雙膠合透鏡(15)、四號雙膠合透鏡(16)、探測裝置(17)、微位移控制器(18)、光強衰減器(19)、待測元件固定臺(20); 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且三者之間正交的位置，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，二號分光鏡(5)與一號分光鏡(4)相距200mm且與一號透鏡(6)相距200mm且與二號透鏡(10)相距200mm且三者之間位置正交，一號透鏡(6)與一號雙膠合透鏡(7)相距200mm，二號透鏡(10)與二號雙膠合透鏡(11)相距200mm，二號反射鏡(8)固定于微位移控制器(18)上且與雙膠合透鏡(7)相距200mm且與三號分光鏡(9)相距609mm且三者之間位置正交，光強衰減器(19)放置于二號反射鏡(8)和三號分光鏡(9)之間并與二號反射鏡(8)相距300mm，待測材料(12)放置在待測元件固定臺(20)上且與雙膠合透鏡(11)相距200mm且與三號分光鏡(9)相距609mm且三者之間位置正交，三號透鏡(13)與三號分光鏡(9)相距200mm且與光闌(14)相距200mm，三號雙膠合透鏡(15)與光闌(14)相距30mm且與四號雙膠合透鏡(16)相距20mm，四號雙膠合透鏡(16)與探測裝置(17)相距44mm。2.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:一號光源(I)的光波波長為632.8nm，二號光源的光波波長為543nm。3.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:一號分光鏡(4)、二號分光鏡(5)、三號分光鏡(9)的分光比均為1:1且材料均為BK7玻璃，一號透鏡(6)、二號透鏡(10)的焦距為12.9mm且厚度為2mm且直徑為3mm且材料為K9玻璃，三號透鏡(13)的焦距為200mm且厚度為4mm且直徑為34mm且材料為K9玻璃，一號雙膠合透鏡(7)、二號雙膠合透鏡(11)直徑為3mm且前后兩部分的材料分別是ZFl玻璃和K9玻璃。4.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:光闌(14)的厚度為30_。5.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:三號雙膠合透鏡(15)和四號雙膠合透鏡(16)的直徑分別是1mm和14mm且每個透鏡的前后兩部分的材料分別是K9玻璃、F3玻璃及F3玻璃、K9玻璃。6.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:微位移控制器(18)為PZT。7.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:光強衰減器(19)為透射光強度可調的透鏡組。8.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:待測元件固定臺(20)為可方便放置待測材料(12)的金屬或塑料制成的夾具。9.根據權利要求1所述的一種基于Mach-Zehnder的雙光束元件表面粗糙度測量裝置，其特征在于:探測裝置(17)為CCD。
【文檔編號】G01B11/30GK205482840SQ201620002225
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月5日
【發明人】沈濤, 周燕, 楊思博, 孫濱超
【申請人】哈爾濱理工大學