CN102435136A

CN102435136A - 空间相移装置及应用该装置的干涉测量装置、相位校正装置

Info

Publication number: CN102435136A
Application number: CN2011102790665A
Authority: CN
Inventors: 徐建程
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明提供一种干涉测量装置，包括用以产生偏振状态相互正交线偏振光的装置，该相互正交线偏振光分别称为参考光和测试光；相位调制式空间光调制器，设置于参考光或测试光的光路中，用以改变光波前的空间相位分布；该空间光调制器具有复数个像素，每一像素具备特定的相位分布；其中，经所述空间光调制器相位调制后的光称为调制光，未经调制的光称为未调制光；基于所述调制光和未调制光实现干涉测量的干涉仪；对干涉仪产生的相干光探测的光探测装置；且二者像素相对应。本发明提供的装置，不但可以实现多个空间载波相移分布时的测量，而且还可以实现高精度动态测量。本发明还提供一种空间相移装置以及液晶空间光调制器相位校正装置。

Description

空间相移装置及应用该装置的干涉测量装置、相位校正装置

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种空间相移装置。本发明还同时提供一种相位校正装置、应用该空间相移装置的干涉测量装置。

背景技术

干涉仪在光学元件面形检测方面有着重要的应用价值。就干涉测量方法而言，可分为时域相移法、傅里叶分析法和空间载波相移法。时域相移法测量精度高，在光学检测中应用广泛，但它至少需要三幅干涉图，受环境振动影响大，所以不适合动态环境下测量。傅里叶分析法只需要一幅空间载波干涉图，所以适合动态环境下测量，但傅里叶分析法测量精度相对较低且不能判断被测相位的正负。空间载波相移法结合了时域相移法和傅里叶分析法的优点，通过处理单幅空间载波干涉图近似达到时域相移法的精度，所以空间载波相移法在动态高精度干涉测量方面有着重要的应用前景。

目前实现空间载波相移的方法主要有两种：一种是通过倾斜参考镜引入一个适当的空间载频量，使相邻像素点间的位相差为π/2，但是实际测量时很难调整参考镜使空间载频严格等于理论值。另一种是利用偏振分光器件在同一个CCD上得到四幅相移π/2的干涉图，在公开号为CN101111739A的中国专利文献中即公开了该装置，该专利文献中，设置菲索干涉仪的参考镜和测试镜，使他们具有不同的斜率，从而分离测试光T和参考光R，然后使测试光和参考光经过不同的偏振光学元件，在测试光和参考光之间引入空间载波相移，最后实现了在同一个CCD上得到四幅相移π/2的干涉图。上述介绍的装置能够实现动态干涉测量，但是由于参考光和测试光的夹角较大，他们属于非共路系统，容易引进较大的系统误差。为此，在专利号为US7230717B2美国中，公开了一种共光路的动态干涉仪系统，该美国专利中参考光和测试光的夹角接近为零，但两者的偏振态是正交的，通过在CCD前加一个偏振相位掩模板，偏振相位掩模板的像素分布与CCD的像素分布一致。偏振相位掩模板使参考光和测试光在CCD上每个像素内引入一个特定的相位差，从而获得了空间载波相移分布。

上述偏振相位掩模板虽然可以引入空间载波相移，但是它的加工比较困难，容易产生加工误差，而且不易校正加工误差，而加工误差将直接影响干涉测量的精度，因此上述美国专利US7230717B2介绍的偏振相位掩模板的精度有待进一步提高；此外，一个加工好的偏振相位掩模板只能产生特定的空间载波相移分布，不能进行人为的修改，应用不免受到限制。

发明内容

本发明提供一种干涉测量装置，本发明的干涉测量装置不但可以实现多个空间载波相移分布时的测量，而且还可以实现误差校正，提高测量精度。本发明还同时提供一种空间相移装置以及液晶空间光调制器相位校正装置。

本发明提供的一种干涉测量装置，包括，

用以产生偏振状态相互正交线偏振光的装置，该相互正交线偏振光分别称为参考光和测试光；

相位调制式空间光调制器，设置于参考光或测试光的光路中，用以改变光波前的空间相位分布；该空间光调制器具有复数个像素，每一像素具备特定的相位分布；其中，经所述空间光调制器相位调制后的光称为调制光，未经调制的光称为未调制光；

基于所述调制光和未调制光实现干涉测量的干涉仪；

对干涉仪产生的相干光探测的光探测装置，该光探测装置具备与所述空间光调制器相同的像素分布；且二者像素相对应。

可选的，所述空间光调制器为反射式液晶空间光调制器。

可选的，所述产生偏振状态相互正交线偏振光的装置包括共轴设置的线偏振光起偏器和偏振分光棱镜。

可选的，所述产生偏振状态相互正交线偏振光的装置还进一步包括使偏振分光镜后的正交线偏振光产生相位延迟的结构。

可选的，液晶空间光调制器至少包括一组2×2分布的像素单元，且所述像素单元中每一像素具有不同的相位。

可选的，所述每一像素单元中相位分布分别为0、π/2、π和3π/2。

可选的，所述干涉仪为菲索干涉仪。

可选的，还包括相干光源。

本发明还提供一种空间相移装置，包括：沿准直光束照射方向依次设置的偏振器件和液晶空间光调制器，还包括用于对所述液晶空间光调制器相位调制的控制装置。

本发明还提供一种液晶空间光调制器相位校正装置，包括沿光轴依次设置的干涉仪、参考镜、偏振片和液晶空间光调制器。

与现有技术相比，本发明提供的基于液晶空间光调制器干涉测量装置，参考光和测试光的夹角接近为零，因此干涉仪系统像差引起的参考光和测试光之间的光程差的误差较小，即系统误差较小；同时本实施例采用液晶空间光调制器实现空间载波相移，通过控制输入信号在液晶空间光调制器上每个像素对应的灰度，可以得到设计所需的空间载波相移分布，同时它还可以人为地设计输入信号的灰度修改空间载波相移的分布；本发明可实现采集一帧空间载波相移干涉条纹，从中可以提取多帧帧具有特定相移的子干涉图；而且，本发明提供的干涉测量装置，可以通过计算机控制得到任意的空间载波相移分布，从而具有更广泛的应用价值；

本发明的干涉测量装置还可以实现误差校正，因此可实现高精度动态测量。

附图说明

图1为本发明的干涉测量装置的实施例的示意图；

图2为施加到液晶空间光调制器的周期信号灰度分布的示意图；

图3为液晶空间光调制器引入的的空间载波相移分布；

图4为本发明的干涉测量装置的实施例产生的干涉图；

图5为从图4中提取的四帧具有特定相移的子干涉图；

图6为本发明的空间相移装置的实施例的示意图；

图7为本发明的液晶空间光调制器相位校正装置的实施例的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1为本发明的干涉测量装置的实施例的示意图。请参看图1，本实施例中，干涉测量装置中包括正交偏振光源、相位调制式空间光调制器、干涉仪以及光探测装置。其中，

所述正交偏振光源用于产生偏振状态相互正交的线偏振光，该相互正交的线偏振光分别称为参考光和测试光，本实施例中该正交偏振光源包括短相干光源、线偏振光起偏器以及线偏振光分束器。

空间光调制器设置于上述的参考光或者测试光的光路中，以实现对参考光或者测试光的相位调制，改变光波前的空间相位分布。该空间光调制器具有复数个像素，每一像素具备特定的相位分布；其中，经所述空间光调制器相位调制后的光称为调制光，未经调制的光称为未调制光；

本实施例中的干涉仪为动态索菲干涉仪，其中，所述调制光和未调制光构成索菲干涉仪的测试光和参考光，索菲干涉仪基于所述调制光和未调制光实现干涉测量。当然，所述干涉仪还可以为其它动态干涉仪。

所述光探测装置设置于索菲干涉仪的干涉图像面位置，用于对干涉图进行探测。其中，该光探测装置具备与所述空间光调制器相同的像素分布；且二者像素相对应。本实施例中，光探测装置为CCD 17。

下面进行详细进行描述。

如图1所示，短相干光源1输出的光束经过作为起偏器的偏振片2之后得到线偏振光，线偏振光束经过偏振分光棱镜3后分成P光和S光，其中，P光沿线偏振光入射方向由偏振分光分光棱镜3透射而出，S光经偏振分光棱镜分束面反射，沿垂直于线偏振光入射方向向下出射。

在所述偏振分光棱镜3的右后侧和下侧分别设置第一波片5和第二波片4。其中，两波片均为四分之一波片。P光经过所述第一波片5之后被放置在该第一波片5之后的第一参考镜7所反射，并再次经过第一波片5后，P光偏振方向旋转90度后进入偏振分光棱镜3，经分束面反射后由偏振分光棱镜3上面的出射，该光束定义为S2光束，S2光束的相位是一个平面。

另一方面，S光经过第二波片4和第一偏振片22a后，被设置于第一偏振片22a下侧的空间光调制器23相位调制后反射，并再次通过第一偏振片22a和第二波片4，偏振方向旋转90度后通过偏振分光棱镜3，该光束定义为P2。

本实施例中，空间光调制器23为反射式液晶空间光调制器，该液晶空间光调制器23具备复数个像素。所述的液晶空间光调制器23与计算机24连接，在相位调制模式下，计算机24通过液晶空间光调制器的驱动电路输入一定的灰度信号，可使得液晶空间光调制器的像素产生一定的相位变化。根据液晶空间光调制器的相位调制特定可知，输入信号的灰度与相位调制的大小成正比，对不同的像素输入不同的灰度信号，可使得不同的像素产生不同的相位变化，从而可通过计算机控制液晶空间光调制器的相位分布。

本实施例中，液晶空间光调制器23共有1024×768个像素，通过在计算机上施加与所述液晶空间光调制器23像素分布相同的、且为周期性的灰度分布信号，如图2所示(图2示出的为其中16个像素的信号灰度分布)，可在液晶空间光调制器23上产生周期性的相位分布。在本实施例中，以相邻2×2个像素为一个周期，称为像素单元。在一个周期中，像素的相位分布分别为0，π/2，π和3π/2。当光束经液晶空间光调制器23反射后，再经过第一偏振片22a，其光束被调制后的相位分布将如图3所示，其也是周期分布。当然，还可以通过改变计算机信号的灰度分布，得到其它的相位分布，例如，可以使得相邻2×2个像素的相位分布分别为0，π/2，3π/2和π，或者0，π/3，2π/3，和π。

可见，通过计算机24向液晶空间光调制器23输入如图2所示的周期信号，则得到光束P2的相位如图3所示。光束S2和P2经过聚焦透镜9，被分光棱镜10反射，然后经准直镜11准直，光束S2被索菲干涉仪中设置的第二参考镜12和第二测试镜13反射后的光束分别定义为SR和ST，光束P2被第二参考镜12和第二测试镜13反射后的光束分别定义为PR和PT。

本实施例中，第二参考镜12和第二测试镜13反射光间的光程差为2ΔL，，通过一维平移台8调节第一参考镜7的位置，使P2和S2的光程差也为2ΔL，则SR和ST的光程差为2ΔL，PR和PT的光程差为2ΔL，SR和PR的光程差为2ΔL，ST和PT的光程差为2ΔL，PT和SR的光程差为0，只有ST和PR的光程差为4ΔL，因为光源是短相干长度光源，其相干长度远小于2ΔL，因此只有光束PT和光束SR才有可能干涉。

光束PT和光束SR透过分光棱镜10，再经成像透镜15和第二偏振片22b，最后在CCD 17(CCD 17具有与液晶空间光调制器23相同的像素数和分布，设置于干涉测量装置时，二者像素相对应。)，和上得到空间载波相移干涉条纹，如图4所示，该干涉图中包含被测光学元件-第二测试镜13的面形误差，同时它还包含液晶空间光调制器23引进的空间载波相移分布信息。因为空间载波相移分布是预先设计并有计算机控制的，所以空间载波相移分布是已知的，如图3所示。在空间载波相移干涉条纹中，把空间载波相移值为0对应的所有像素组成第一幅子干涉图，将把空间载波相移值为π/2，π和3π/2对应的所有像素分别组成第二、第三和第四子干涉图，如图5所示，利用传统的四步相移算法就能从这四幅子干涉图中提取被测光学元件(第二测试镜13)的误差分布。

本发明的实施例提供的基于液晶空间光调制器干涉测量装置，参考光和测试光的夹角接近为零，因此干涉仪系统像差引起的参考光和测试光之间的光程差的误差较小，即系统误差较小；同时本实施例采用液晶空间光调制器实现空间载波相移，通过控制输入信号在液晶空间光调制器上每个像素的灰度，可以得到设计所需的空间载波相移分布，同时它还可以人为地设计输入信号的灰度修改空间载波相移的分布；因此，本实施例可实现CCD采集一帧空间载波相移干涉条纹，我们从中可以提取四帧相移π/2的子干涉图，因此本实施例提供的干涉仪也可以在动态环境下测量。而且，本发明提供的干涉测量装置，可以通过计算机控制得到任意的空间载波相移分布，从而具有更广泛的应用价值。

此外，本发明还提供一种空间相移装置，如图6所示，该相移装置包括沿准直光束照射方向依次设置的偏振器件22和液晶空间光调制器23，还包括用于对所述液晶空间光调制器相位调制的控制装置24。本实施例中，所述控制装置24为计算机以及液晶空间光调制器控制电路。此外所述液晶空间光调制器23为反射式。

通过控制输入信号在液晶空间光调制器23上每个像素的灰度，可以得到设计所需的空间载波相移分布。其中，输入信号、液晶空间光调制器和CCD的像素个数要一致。

本发明还提供一种液晶空间光调制器相位校正装置，如图7所示，包括沿光轴依次设置的干涉仪25、参考镜26、偏振片22和液晶空间光调制器23。液晶空间光调制器23与控制装置24相连接。

通过该装置可校正液晶空间光调制器23和偏振片22的面形误差。其步骤如下，先将液晶空间光调制器23上所有像素的输入信号的灰度设置为零，然后用干涉仪测量液晶空间光调制器23和偏振片22的面形误差之和。根据输入信号的灰度与相位调制的大小成正比的特性，计算校正液晶空间光调制器23和偏振片22的面形误差之和所要求的输入信号的灰度分布，将该灰度分布保存到计算机内，用于液晶空间光调制器的校正。每次使用液晶空间光调制器23时，将校正用的灰度分布和设计得到的灰度分布共同作用到液晶空间光调制器23上，这样就能有效地抑制面形误差的影响，从而得到高精度的空间载波相移分布。

可见，本发明上述实施例的干涉测量装置还可以应用图7所示液晶空间光调制器相位校正装置实现误差校正，因此可实现高精度动态测量。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种干涉测量装置，其特征在于包括，

基于所述调制光和未调制光实现干涉测量的干涉仪；

2.根据权利要求1所述的干涉测量装置，其特征在于，所述空间光调制器为反射式液晶空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的干涉测量装置，其特征在于，所述产生偏振状态相互正交线偏振光的装置包括共轴设置的线偏振光起偏器和偏振分光棱镜。

4.根据权利要求3所述的干涉测量装置，其特征在于，所述产生偏振状态相互正交线偏振光的装置还进一步包括使偏振分光镜后的正交线偏振光产生相位延迟的结构。

5.根据权利要求3所述的干涉测量装置，其特征在于，液晶空间光调制器至少包括一组2×2分布的像素单元，且所述像素单元中每一像素具有不同的相位。

6.根据权利要求5所述的干涉测量装置，其特征在于，所述每一像素单元中相位分布分别为0、π/2、π和3π/2。

7.根据权利要求1所述的干涉测量装置，其特征在于，所述干涉仪为菲索干涉仪。

8.根据权利要求7所述的干涉测量装置，其特征在在于，还包括相干光源。

9.一种空间相移装置，其特征在于包括：沿准直光束照射方向依次设置的偏振器件和液晶空间光调制器，还包括用于对所述液晶空间光调制器相位调制的控制装置。

10.一种液晶空间光调制器相位校正装置，其特征在于包括沿光轴依次设置的干涉仪、参考镜、偏振片和液晶空间光调制器。