條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學測量技術領域，尤其涉及一種條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉 裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002] 隨著現(xiàn)代精密測量技術發(fā)展，米勒干涉儀由于其結構緊湊、測量精度和空間分辨 率高等特點在光學探測以及計量領域得到了廣泛應用，比如生物醫(yī)學、光學輪廓及尺寸結 構等的非接觸測量。米勒干涉系統(tǒng)的基本原理與邁克爾遜干涉儀一致，二者之間的不同之 處在于其參考臂的物理位置不同，前者的參考臂位于一個由顯微物鏡、參考鏡和分光板所 組成的米勒物鏡中。傳統(tǒng)的米勒干涉儀由于其測量臂和參考臂之間的相對光強比固定不 變，導致其干涉條紋對比度不可調(diào)，故無法滿足不同反射率、尤其是低反射率待測樣品的高 精度測量。為了實現(xiàn)條紋對比度的可調(diào)，出現(xiàn)了各種偏振型米勒干涉系統(tǒng)，一般采用一對波 片或者反射型半波片來實現(xiàn)對檢測路或者參考路光束偏振態(tài)的變換，通過調(diào)節(jié)檢測路和參 考路不同偏振態(tài)光束之間的相對強度來實現(xiàn)干涉條紋對比度的調(diào)整。同時在系統(tǒng)中引入光 束偏振態(tài)，可直接利用偏振特性進行多步移相干涉檢測，避免了傳統(tǒng)米勒干涉儀中需要使 用價格高昂的納米定位平臺來實現(xiàn)高精度移相的問題，同時也減少受外界振動的影響。但 目前的偏振型米勒干涉系統(tǒng)普遍結構復雜，都需要采用復雜的特殊偏振器件，制造成本高， 調(diào)節(jié)難度大，測量較不方便，測量精確度不高，無法滿足不同反射率、尤其是低反射率待測 樣品的高精度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明主要解決原有偏振型米勒干涉系統(tǒng)普遍結構復雜，需要采用復雜的特殊偏 振器件，制造成本高，調(diào)節(jié)難度大，測量較不方便，測量精確度不高的技術問題；提供一種條 紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置及測量方法，其結構簡單，減少成本，調(diào)節(jié)方便，便于 測量，提高測量精確度，尤其滿足低反射率待測樣品的高精度測量。
[0004] 本發(fā)明另一目的是提供一種條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置及測量方法， 有效解決納米線柵偏振器反射光消光比低而導致的移相干涉條紋對比度不一致問題，操作 方便，提高測量精確度，滿足低反射率待測樣品的高精度測量。
[0005] 本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：本發(fā)明的條紋對 比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置，包括偏振激光器、偏振器、準直擴束系統(tǒng)、分光板、顯微物 鏡、納米線柵偏振器、參考反射鏡、四分之一波片、檢偏器、成像透鏡和CCD探測器，納米線 柵偏振器設在裝置的最下方，參考反射鏡放在納米線柵偏振器上方，顯微物鏡位于參考反 射鏡上方，CCD探測器、成像透鏡、檢偏器和四分之一波片依次從上到下設置并且位于顯微 物鏡的上方，分光板與X軸方向呈45°角傾斜設置，并且分光板位于所述的四分之一波片 和所述的顯微物鏡之間，偏振激光器、偏振器及準直擴束系統(tǒng)依次從左到右設置并且位于 所述的分光板的右側。檢測時，待測樣品放置在納米線柵偏振器的下方，偏振激光器發(fā)出偏 振光，經(jīng)偏振器、準直擴束系統(tǒng)到分光板，再經(jīng)分光板、顯微物鏡、納米線柵偏振器到待測樣 品，經(jīng)待測樣品反射后，又經(jīng)納米線柵偏振器、參考反射鏡、顯微物鏡、分光板、四分之一波 片、檢偏器和成像透鏡，最后在CCD探測器上得到干涉條紋。旋轉檢偏器的透光軸，在CCD 探測器上得到5幅相位分別相差90°的移相干涉條紋圖，再利用五步移相算法即可實現(xiàn)對 待測樣品的測量。通過調(diào)節(jié)偏振器的透光軸方向即可實現(xiàn)條紋對比度的調(diào)節(jié)。本技術方案 結構簡單，減少成本，調(diào)節(jié)方便，便于測量，提高測量精確度，尤其滿足低反射率待測樣品的 高精度測量。
[0006]作為優(yōu)選，所述的納米線柵偏振器包括透明玻璃基板及鍍于透明玻璃基板上的多 條互相平行的金屬納米線柵，所述的金屬納米線柵的寬度相同，相鄰兩條金屬納米線柵之 間的間距相同。
[0007]作為優(yōu)選，所述的金屬納米線柵的材質(zhì)為鋁材質(zhì)或金材質(zhì)。
[0008]作為優(yōu)選，所述的參考反射鏡的玻璃基板的厚度和所述的納米線柵偏振器的透明 玻璃基板的厚度相同，參考反射鏡的玻璃基板所用材質(zhì)和納米線柵偏振器的透明玻璃基板 所用材質(zhì)相同。對納米線柵偏振器的玻璃基底對于檢測光所額外引入的像差起到很好的補 償作用。
[0009]本發(fā)明的條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置的測量方法為：檢測時，待測樣 品放置在所述的納米線柵偏振器的下方，所述的偏振激光器發(fā)出的偏振光先經(jīng)過所述的偏 振器再經(jīng)過所述的準直擴束系統(tǒng)擴束后照射到所述的分光板，接著經(jīng)分光板的反射進入所 述的顯微物鏡后變?yōu)闀酃馐俳?jīng)過刻線方向與X軸方向平行的所述的納米線柵偏振 器，將光速分成透射光P和反射光S，透射光P和反射光S分別作為檢測光和參考光，透射 光P經(jīng)過待測樣品反射回來為反射光P'，反射光s經(jīng)過所述的參考反射鏡反射回來為反射 光S'，反射光P'和反射光S'分別再次經(jīng)過納米線柵偏振器的透射和反射后會合，再分別經(jīng) 過顯微物鏡后變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)快軸方向與X軸成45°夾角的所述的四分之一波片9,變?yōu)?兩個旋向相反的圓偏振光，再依次經(jīng)過所述的檢偏器10和所述的成像透鏡11，最后在所述 的CCD探測器上得到干涉條紋；通過以45°旋轉步長、沿同一方向?qū)λ龅臋z偏器的透光 軸進行5次旋轉，即在所述的CCD探測器上得到5幅相位分別相差90°的移相干涉條紋圖， 再利用五步移相算法即可實現(xiàn)對待測樣品的測量；通過調(diào)節(jié)所述的偏振器的透光軸方向即 可調(diào)整檢測光和參考光之間的相對光強，實現(xiàn)條紋對比度的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方便，便于測量，提 高測量精確度，滿足不同反射率、尤其是低反射率待測樣品的高精度測量。
[0010] 作為優(yōu)選，所述的測量方法包括移相干涉條紋對比度不一致的校正方法：旋轉所 述的偏振器的透光軸到對應干涉條紋對比度較理想的位置，以45°旋轉步長、沿同一方向 對所述的檢偏器的透光軸進行5次旋轉，在所述的CCD探測器上得到第一組五步移相干涉 條紋再將所述的偏振器的透光軸旋轉90°，然后再以45°旋轉步長、沿同一方向?qū)?所述的檢偏器的透光軸進行5次旋轉，在所述的CCD探測器上得到第二組五步移相干涉條 紋/ ;將所得到的兩組五步移相干涉條紋中對應同相位的每兩幅干涉條紋圖進行疊加， 可得到一組條紋對比度一致的五步移相干涉條紋I(?π/2)，即
[0011]
[0012]j= -2, _1，0,1，2,上標（jπ/2)表示對應的相移量，從而完成高精度測量。有效解 決納米線柵偏振器反射光消光比低而導致的移相干涉條紋對比度不一致問題，操作方便， 提高測量精確度，滿足低反射率待測樣品的高精度測量。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：采用加工工藝成熟的納米線柵偏振器作為偏振分光鏡，實 現(xiàn)檢測光路和參考光路的偏振分光，進而實現(xiàn)干涉條紋對比度的可調(diào)，同時通過旋轉偏振 器實現(xiàn)檢測光路和參考光路的光能量互換，并對旋轉變換前后的兩組干涉條紋進行疊加， 進而校正了由于納米線柵偏振器存在反射光消光比低而導致的移相干涉條紋對比度不一 致問題，本發(fā)明不但實現(xiàn)條紋對比度的可調(diào)，滿足不同反射率及低反射率待測樣品的高精 度測量需要，同時還極大地降低系統(tǒng)對于偏振器的性能要求、加工工藝的要求以及制作成 本，操作簡單，測量方便，有利于大量推廣應用。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置的一種系統(tǒng)連接結構示意 圖。
[0015]圖2是本發(fā)明條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置中納米線柵偏振器的一種 結構示意圖。
[0016] 圖3是實施例中對臺階進行測量時的第一組五步移相干涉條紋圖。
[0017] 圖4是實施例中對臺階進行測量時校正后的對比度一致的五步移相干涉條紋圖。
[0018] 圖5是實施例中對臺階進行測量，利用本發(fā)明五步移相算法計算得到待測標準臺 階的面形分布圖。
[0019] 圖中1.偏振激光器，2.偏振器，3.準直擴束系統(tǒng)，4.分光板，5.顯微物鏡，6.納 米線柵偏振器，7.參考反射鏡，8.待測樣品，9.四分之一波片，10.檢偏器，11.成像透鏡， 12.C⑶探測器，61.透明玻璃基板，62.金屬納米線柵。
【具體實施方式】
[0020] 下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
[0021] 實施例：本實施例的條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置，如圖1所示，包括偏 振激光器1、偏振器2、準直擴束系統(tǒng)3、分光板4、顯微物鏡5、納米線柵偏振器6、參考反射 鏡7、四分之一波片9、檢偏器10、成像透鏡11和(XD探測器12,納米線柵偏振器6位于裝置 的最下方，參考反射鏡7放在納米線柵偏振器6上方，顯微物鏡5位于參考反射鏡7上方， (XD探測器12、成像透鏡11、檢偏器10和四分之一波片9依次從上到下設置并且位于顯微 物鏡5的上方，分光板4與X軸方向呈45°角傾斜設置，并且分光板4位于四分之一波片9 和顯微物鏡5之間，偏振激光器1、偏振器2及準直擴束系統(tǒng)3依次從左到右設置并且位于 分光板4的右側。如圖2所示，納米線柵偏振器6包括透明玻璃基板61及鍍于透明玻璃基 板61上的多條互相平行的金屬納米線柵62,所有金屬納米線柵62的寬度相同，任何相鄰兩 條金屬納米線柵62之間的間距相同，金屬納米線柵62采用鋁或金制成。參考反射鏡7的 玻璃基板的厚度和納米線柵偏振器6的透明玻璃基板的厚度相同，參考反射鏡7的玻璃基 板所用材質(zhì)和納米線柵偏振器6的透明玻璃基板所用材質(zhì)相同。
[0022] 上述條紋對比度可調(diào)的偏振型米勒干涉裝置的測量方法為：檢測時，待測樣品8 放置在納米線柵偏振器6的下方，偏振激光器1