专利名称：光学元件、照明装置、方法以及应用该装置的干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种应用于干涉仪中产生环形光束的光学元件；本发明还涉及应用所述光学元件的照明装置、方法以及应用该装置的干涉仪。
背景技术：
在目前的商用干涉仪中，多用激光作为干涉仪的标准光源。由于激光具有很强的时间相干性和空间相干性，干涉系统中光学元件的缺陷例如灰尘、凹陷、伤痕、气泡等会作为散射中心，从而产生相干噪声，结果在干涉图里会形成牛顿环或靶心，这严重影响了干涉仪系统的测量精度。为解决激光光源在商用干涉仪中产生相干噪声的问题，一些应用其它光源作为干涉仪光源的技术方案被相继提出，例如，在专利号为US6028670的美国专利中公开了一种应用低相干光源作为干涉仪的光源，在专利号为US5，737，081的美国专利中公开了一种空间扩展光源作为低相干光源应用于干涉仪中的技术方案。空间扩展光源应用于干涉仪中作为光源，是抑制相干噪声的一种有效方法，但是却会导致干涉图对比度的下降，因此对提高干涉仪系统信噪比的效果不明显。基于此，在专利号为US66430MB2的美国专利中，提出采用环形光源作为干涉仪光源，且其产生环形光源的方法为计算全息法。计算全息法首先用计算机产生锥形波前，通过引入适当倾斜的参考平面波可得振幅型的计算全息图，如图1所示；通过计算机控制将编码好的计算全息图在绘图仪器上成图，然后制作掩模板，利用掩模板将全息干板曝光后处理得到全息光学元件。平行光束经过全息光学元件后得到其夫琅禾费(Fraimhofer)衍射如图2所示，由图可知该方法可得到环形光束，但是其衍射图上有零级和正负一级衍射。环形光源能有效地抑制干涉仪系统的相干噪声，同时保持较高的干涉条纹对比度，因此它能有效地提高干涉仪系统的信噪比。但是目前采用计算全息法产生的环形光源， 会得到如图2所示的零级和正负一级衍射。因此必须采用空间滤波器滤除零级和负一级衍射，只让正一级衍射(环形光束)通过，这不仅降低了光源的能量利用率，还会使环形光源发出的环形光束的中心偏离了干涉仪系统的光轴中心，这会使干涉仪系统引入较严重的系统误差。

发明内容
本发明提供一种光学元件，该光学元件可以产生环形光束，在该环形光束应用于干涉仪时，可抑制系统中的相干噪声，同时可增大干涉仪光源的能量利用率，并使环形光束的中心在干涉仪系统的光轴中心，降低干涉仪系统的系统误差；本发明还提供一种应用所述光学元件的照明装置、方法以及应用该装置的干涉仪。本发明提供的一种光学元件，用于产生环形光束，包括环形外周面、设置于所述环形外周面两端的作为第一端面的平面和作为第二端面的锥面；所述第一端面和第二端面相对设置。
可选的，所述锥面为内凹形锥面或外凸形锥面。本发明还提供一种照明装置，包括第一光轴，沿所述第一光轴依次设置有上述权利要求1或2所述的光学元件、聚焦透镜以及毛玻璃；所述光学元件和聚焦透镜的光轴均与所述第一光轴相重合。可选的，还包括产生平行光束的光源，该光源设置于所述光学元件的与聚焦透镜相对的一侧。可选的，所述产生平行光束的光源包括激光器以及设置于该激光器输出端一侧的扩束装置。可选的，所述毛玻璃为圆柱体，该毛玻璃的光轴称为第二光轴，所述第二光轴与第一光轴相平行，第一光轴与第二光轴的相对距离可调；且所述毛玻璃沿其径向的表面粗糙度不同；所述照明装置还包括旋转电机，所述旋转电机的输出轴与所述毛玻璃的光轴重合，且该旋转电机的输出端与毛玻璃固为一体；在所述旋转电机转动时，可带动所述毛玻璃同步旋转。可选的，所述光学元件的第二端面为外凸形锥面，且所述第二端面背向或朝向所述聚焦透镜。可选的，，所述光学元件的第二端面为内凹形锥面，且所述第二端面背向或朝向所述聚焦透镜。此外，本发明还提供一种干涉仪，应用上述任一所述的照明装置。可选的，所述干涉仪为迈克尔逊干涉仪，菲佐干涉仪或泰曼-格林干涉仪。与现有技术相比，本发明提供的光学元件，在应用于产生环形光束时，仅有一个中心在光轴上的环形光束，不需要滤波，因而在应用于干涉仪时，可以增大干涉仪系统中光源的能量利用率；另一方面，因为本发明提供的光学元件，其产生的环形光束的中心在光轴上，这有利于干涉仪系统的安装与调整，并且能有效地降低离轴环形光束照明引入的系统误差。


图1为现有技术中的一种用于产生环形光束的计算全息图；图2为图1所示的计算全息图产生的环形光束的示意图；图3为本发明的光学元件的第一实施例的示意图；图4为平行光束经过图3所示的光学元件后的圆锥形波前分布图；图5为平行光束经过图3所示的光学元件后光场的夫琅禾费衍射图；图6为本发明的光学元件的第二实施例的示意图；图7为平行光束经过图6所示的光学元件后的圆锥形波前分布图；图8为平行光束经过图6所示的光学元件后光场的夫琅禾费衍射图；图9为本发明的照明装置的第一实施例示意图；图10为本发明的照明装置的第二实施例的示意图；图11为本发明的照明装置的第三实施例的示意图；图12为本发明的照明装置的第四实施例的示意图13本发明的干涉仪的其中一个实施例的示意图；图14为传统点光源照明干涉仪时探测得到的背景光强分布；图15为本发明的环形光束照明干涉仪时探测到的背景光强分布。
具体实施例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。下面结合附图对本发明的光学元件进行详细描述。图3为本发明的光学元件的第一实施例的示意图。如图3所示，本实施例中，光学元件由一扁圆柱体以及设置于该扁圆柱体其中一端面外的锥体构成。其包括环形外周面 14、设置于所述环形外周面两端的作为第一端面的平面10和作为第二端面的锥面12a。所述第一端面10和第二端面1 相对设置。本实施例中，所述锥面1 为外凸形锥面。所述的外周面14、第一端面10以及第二端面12a构成的封闭空间内充满介质材料，例如玻璃材料或者其它折射率大于1的介质材料。本实施例的光学元件可产生环形光束。在平行光束经过本实施例所述的光学元件后将得到圆锥形波前分布，如图4所示。本实施例中，该光学元件的光轴为00’，径向半径为 R，锥面的楔角为θ弧度；介质材料的折射率为η，若入射光的波长为λ，则平行光束经过圆
锥形相位元件后的相位函数为Φ(χ，Υ) =-2 π 9!^-1)/^，其中，=^2+/，其对应光场
θχρ[ Φ(χ, y)]的夫琅禾费衍射图如图5所示，只有一个中心在光轴上的环形光束。因为只有一个环形光束，所以它不需要滤波，在应用于干涉仪时，可以增大干涉仪系统光源的能量利用率；此外，因为本发明实施例产生的环形光束的中心在光轴上，这有利于干涉仪系统的安装与调整，并且能有效地降低离轴环形光源照明引入的系统误差。图6为本发明的光学元件的第二实施例的示意图，在本实施例中，光学元件为在扁圆柱体的一端面切去一圆锥体后的结构。即该第二端面12b为内凹形锥面，本实施例的光学元件的其它方面可以与上述的第一实施例相同，这里不再赘述。图7和图8分别示出了平行光束经过图6所示的光学元件后的圆锥形波前分布和对应光场的夫琅禾费衍射图。 可见，本实施例的光学元件具有与上述第一实施例相同的技术效果。本实施例的光学元件也可产生环形光束，其产生的环形光束可以作为光源应用在干涉仪系统中。图9为本发明的照明光源的第一实施例的示意图。请参考图9，本实施例中，照明装置包括第一光轴00’，沿所述光轴依次设置有光学元件2、聚焦透镜3以及毛玻璃5。所述光学元件2和聚焦透镜3的光轴均与所述第一光轴00’相重合。其中所述光学元件2可以是上述实施例中所述的任意一种。本实施例中， 以所述光学元件为图3所示的结构为例进行说明(即所述第二端面为外凸形锥面的光学元件)。本实施例中，所述光学元件2的第二端面(即锥端端面)朝向所述聚焦透镜3。在所述光学元件2的第一端面(与聚焦透镜3相对的一侧)，可设置相干光源，例如激光光源 1，光学元件2的第一端面朝向该激光光源。所述聚焦透镜3与所述光学元件2之间的距离可以设置为聚焦透镜3的一倍焦距处，当然，也可以设置为其它数值。所述毛玻璃5设置于聚焦透镜3的一倍焦距之外，例如，毛玻璃5与聚焦透镜3之间的距离可以是f+t(其中，f为聚焦透镜3的焦距，t为偏离焦点的距离)。所述毛玻璃为扁圆柱体，可以设置所述毛玻璃的光轴与所述第一光轴00’相重合。利用上述的照明装置产生环形光束时，使激光光源1输出的光经过扩束装置后得到平行光束，平行光束照明到光学元件2，然后被聚焦透镜3聚焦。若入射光的波长为入， 光学元件的折射率为η、锥面的楔角为θ弧度、半径为R，聚焦透镜的口径为2R、焦距为f， 则在聚焦透镜3的焦平面上将得到平均环半径(平均环半径表示环形光场分布的内外半径之和的二分之一)为9f(n-l)的环形光束。在离聚焦透镜3焦点距离t处放置毛玻璃5，则产生的环形光束的环厚度为2Rt/ f (其中，环形光束的环厚度表示内外半径之差)。因此通过选择光学元件2的折射率、楔角及聚焦透镜3的焦距就可以控制环形光束的平均环半径，通过设置毛玻璃5的位置和聚焦透镜3的F数(透镜的F数表示透镜的焦距f与口径2R之比)就可以控制环形光束的环厚度。此外，也可以设置毛玻璃5的光轴(毛玻璃的光轴可以称为第二光轴)与所述第一光轴错开一定的距离，并相平行。并设置所述毛玻璃5表面沿其径向的粗糙度不同；将一旋转电机的输出轴与所述毛玻璃的光轴重合，且该旋转电机的输出端与毛玻璃固为一体； 在所述旋转电机转动时，可带动所述毛玻璃同步旋转；通过控制毛玻璃5的光轴(第二光轴)与所述第一光轴错开距离d，使照明装置产生的环形光束照射到毛玻璃表面合适粗糙度区域，进而控制环形光束的空间相干性。图10为本发明的照明光源的第二实施例的示意图，本实施例中，仅将图9中所示的光学元件2水平旋转180度，使得第二端面朝向激光光源1，第一端面朝向聚焦透镜3。本实施例的其它方面可以与上述照明光源的第一实施例相同，并具有该实施例相同的技术效果，这里不再赘述。图11和图12分别为使用内凹形第二端面的光学元件并且第二端面背向和朝向激光光源1的情形，这里不再赘述。上述图9至图12所示的照明光源可产生环形光束，因而可以作为环形光源应用于干涉仪中，对干涉仪进行照明。其中，干涉仪的类型可以是迈克尔逊干涉仪，菲佐干涉仪和泰曼-格林干涉仪中的任意一种。图13示出了应用上述照明光源对菲佐干涉仪照明的示意图。请参考图13，利用上述照明光源产生特定的环形光束后，环形光束入射到干涉仪系统的分光棱镜6，经准直物镜7后得到准直光束，准直光束分别被参考镜8和测试镜9反射后，再次经过准直物镜7和分光棱镜6，接着被成像物镜10成像到探测器11上，得到干涉条纹，通过干涉条纹分析算法，最后得到测试镜9的面形分布。下面以具体的实例进行说明。本实例将上述的环形光源应用到口径为IOOmm的菲佐干涉仪系统中，以验证环形光源在干涉仪系统中抑制相干噪声的有效性。在本实例中，干涉仪系统的激光光源1是He-Ne激光器，其波长为632. Snm ；光学元件2的折射率约为1. 52， 楔角为0. 0087弧度，即0. 5度，聚焦透镜3的口径为2R为10mm、焦距f为50mm ；毛玻璃5 所处位置与焦点的距离t = 0. 5mm ；得到环形光束的内半径为0. 22，外半径为0. 32，平均环半径约为0. 27mm，环厚度约为0. 1mm。图14是口径为IOOmm干涉仪系统在传统点光源照明模式下的背景光强分布，在传统点光源照明模式下，背景光强分布不均勻，而且在图14的右下角有一个明显的牛顿环。本实例将上述的环形光源装置安装到口径为IOOmm的菲佐干涉仪系统中，探测器得到背景光强分布如图15所示，在环形光源照明模式下，背景光强分布比较均勻，也没有明显的牛顿环。可见，采用环形光源代替传统的点光源，它能有效地抑制干涉仪系统中的相干噪声，同时保持较高的干涉条纹对比度，因此它能有效地提高干涉仪系统的信噪比。而应用本发明光学元件实现环形光束，得到的是一个中心在光轴上的环形光束。与计算全息法产生的环形光束相比，本发明的上述实施例的技术方案由于只产生一个环形光束，若不考虑光学元件的吸收和散射，光源的能量率接近100% .，而计算全息法产生的环形光束光源由于需要把零级和政府一级衍射滤除掉，其能量率小于50% ；此外， 计算全息法产生的离轴环形光束照明干涉仪系统时，离轴照明会使干涉仪中准直物镜系统引入彗差和像散等离轴像差，因此，离轴环形光束经干涉仪准直物镜后的波前具有较大的倾斜量，这倾斜量会导致干涉测量的结果偏离测试面的真实误差分布，进而产生干涉仪系统误差；而本发明实施例中产生的环形光束中心在光轴上，它经干涉仪准直物镜后接近平行光，波前的倾斜量非常小，所以它导致的干涉仪系统误差较小，能有效地降低计算全息法产生的离轴环形光束照明引入的系统误差。而且由于光束中心在光轴上，还有利于干涉仪的安装于调整。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。
权利要求
1.一种光学元件，用于产生环形光束，其特征在于，包括环形外周面、设置于所述环形外周面两端的作为第一端面的平面和作为第二端面的锥面；所述第一端面和第二端面相对设置。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述锥面为内凹形锥面或外凸形锥
3.一种照明装置，其特征在于包括第一光轴，沿所述第一光轴依次设置有上述权利要求1或2所述的光学元件、聚焦透镜以及毛玻璃；所述光学元件和聚焦透镜的光轴均与所述第一光轴相重合。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，还包括产生平行光束的光源，该光源设置于所述光学元件的与聚焦透镜相对的一侧。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其特征在于，所述产生平行光束的光源包括激光器以及设置于该激光器输出端一侧的扩束装置。
6.根据权利要求3或4或5任一所述的照明装置，其特征在于，所述毛玻璃为圆柱体， 该毛玻璃的光轴称为第二光轴，所述第二光轴与第一光轴相平行，第一光轴与第二光轴的相对距离可调；且所述毛玻璃沿其径向的表面粗糙度不同；所述照明装置还包括旋转电机，所述旋转电机的输出轴与所述毛玻璃的光轴重合，且该旋转电机的输出端与毛玻璃固为一体；在所述旋转电机转动时，可带动所述毛玻璃同步旋转。
7.根据权利要求3或4或5所述的照明装置，其特征在于，所述光学元件的第二端面为外凸形锥面，且所述第二端面背向或朝向所述聚焦透镜。
8.根据权利要求3或4或5所述的照明装置，其特征在于，所述光学元件的第二端面为内凹形锥面，且所述第二端面背向或朝向所述聚焦透镜。
9.一种干涉仪，其特征在于，应用上述权利要求3至8任一权利要求所述的照明装置。
10.根据权利要求9所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪为迈克尔逊干涉仪，菲佐干涉仪或泰曼-格林干涉仪。
全文摘要
本发明提供一种光学元件，用于产生环形光束，包括环形外周面、设置于所述环形外周面两端的作为第一端面的平面和作为第二端面的锥面；所述第一端面和第二端面相对设置。该光学元件可以产生环形光束，在该环形光束应用于干涉仪时，能抑制干涉仪系统的相干噪声，同时增大干涉仪光源的能量利用率，并使环形光束的中心在干涉仪系统的光轴中心，降低干涉仪系统的系统误差，提高干涉仪系统的测量精度。本发明还提供一种应用所述光学元件的照明装置、方法以及应用该装置的干涉仪。
文档编号G01B9/02GK102200593SQ20111010924
公开日2011年9月28日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者徐建程 申请人:浙江师范大学