齊先豪,韓 森,2,張凌華,2,吳先鈺,程 俊,邊小月
(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海 200093;2.蘇州慧利儀器有限責任公司,江蘇 蘇州 215123;3.蘇州科技大學 物理科學與技術(shù)學院,江蘇 蘇州 215009)
現(xiàn)代干涉測量技術(shù)作為光學檢測的重要手段,在光學加工和產(chǎn)品質(zhì)量檢測等方面具有舉足輕重的地位。與一般的光學成像測量技術(shù)相比,干涉測量技術(shù)具有精度高、分辨率高、量程大等不可取代的優(yōu)勢[1]。但是使用激光作為光源時,也會帶來一些弊端。例如,高度的時空相干性,使得激光發(fā)生光學干涉時具有極端的靈敏性。再者,因光學元件在微觀尺度上存在缺陷,在進行干涉測量時會發(fā)生局部的反射和衍射,進而產(chǎn)生相干噪聲,破壞干涉圖的空間結(jié)構(gòu),引起了測試面和波前形狀的測量誤差。抑制相干噪聲,去除其對干涉測量結(jié)果的影響,一直是目前光學檢測行業(yè)追求的目標[2-3]。
為了抑制相干噪聲,許多學者付出了努力,提出了各種不同的方案。例如,可在成像目鏡的焦面處放置旋轉(zhuǎn)毛玻璃,使入射到旋轉(zhuǎn)毛玻璃上的激光作為擴展光源;改變?nèi)肷涞礁缮鎯x上光束的入射角,進而得到平均化的測試結(jié)果。上述方法均為從硬件角度進行的改進,從非硬件角度來說,也有眾多方案,如對獲取的面型或波前數(shù)據(jù)進行低通濾波處理,濾除高頻部分的相干噪聲等[4]。行業(yè)內(nèi),Zygo 根據(jù)離軸照明的技術(shù)原型,率先提出了采用離軸環(huán)形光源干涉儀抑制相干噪聲的方案。這種光源只對光學干涉腔內(nèi)產(chǎn)生干涉,有效抑制了干涉腔外相干噪聲的產(chǎn)生,但其存在一些缺陷,如系統(tǒng)復雜、成本高、產(chǎn)生的干涉條紋對比度較低等等[5]。為此,本文基于離軸照明抑制相干噪聲的技術(shù)原理,重新設(shè)計了一種具有抑制相干噪聲能力的照明系統(tǒng),針對此系統(tǒng)進行仿真和誤差優(yōu)化,從而提升其效用。
在采用經(jīng)典照明系統(tǒng)Fizeau 干涉儀中,離軸點光源S 發(fā)出光波,其路徑如圖1 所示。光波經(jīng)過分束器和準直透鏡后,以與光軸傾斜一定角度的平行光束出射。平行光束一部分經(jīng)過參考面上P 點反射回去,另一部分透射光線打到測試面上Q 點,經(jīng)過測試面反射回去。包含被測面上Q 點信息的光線與在P 點被反射回去的參考光線在準直透鏡前重合,發(fā)生干涉,干涉條紋經(jīng)過準直器和分束器后成像于CCD[6-9]。
圖1 離軸點光源干涉測量原理Fig.1 Schematic of interferometry of off-axis point light source
當離軸量為r的點光源足夠多時組合起來,作為半徑為r的環(huán)形光源,用平均環(huán)半徑表示環(huán)光源的大小,光路如圖2 所示。在圖2 中,點Mi是參考面上半徑為rM圓弧上的點。
圖2 離軸環(huán)形光源干涉測量原理Fig.2 Schematic of interferometry of off-axis toroidal light source
對于平均環(huán)半徑為的離軸光源來說,設(shè)其最大和最小環(huán)半徑分別為r2和r1,此時CCD 上N 的像點的光強可表示為[6-9]
式中:包含Q 點信息的光線在CCD 上的光強為IQ,;IR為參考面上P 點的光強;IT為測試面上Q 點的光強;λ為光源的波長;d為干涉腔長;f為準直鏡焦距;y為光源S 的離軸距離。不同的離軸點光源發(fā)出的光線,經(jīng)過參考面上不同點Mi和N 后都發(fā)生干涉,最終在CCD 上得到來自于光源上不同離軸點光源對同一個待測點N 的疊加測量信息。測試面上某一個待測點N 的干涉信息,可看作是由環(huán)光源上所有離軸點光源共同參與得到的[4]。以此類推,待測面上所有待測點的干涉信息疊加后可得到干涉圖,其形成于環(huán)形光上各個點的積分過程,積分過程有效平滑了系統(tǒng)中存在的噪聲,且不會改變測試面的相位信息[10]。
本文仿真建模了一套能夠用于19.05 mm(3/4英寸)Fizeau 干涉儀的離軸環(huán)形光源系統(tǒng)。光源部分的仿真光路如圖3 所示,光線方向從左至右。在Zemax 軟件中對照明系統(tǒng)進行設(shè)計,選擇直徑為2 mm、波長為632.8 nm 的高斯光束作為照明系統(tǒng)的光源進行模擬,高斯光束經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)和中間帶有遮光部分的特殊透鏡后形成環(huán)形像斑。該圓環(huán)離軸量太大,不能直接作為Fizeau 干涉儀的光源進行下一步仿真。為此,在后續(xù)系統(tǒng)中加入雙遠心光路,對環(huán)形像斑進行縮放,縮放到合適的尺寸。為得到對相干噪聲較好的抑制效果,19.05 mm Fizeau 干涉儀使用環(huán)半徑為0.13 mm~0.45 mm 的環(huán)形光源作為光源,后續(xù)的縮放光路在保持像質(zhì)的情況下必須滿足該要求。
圖3 抑制相干噪聲照明系統(tǒng)Fig.3 Illumination system with coherent noise suppression
在Zemax 非序列模式中對光源系統(tǒng)進行仿真。采用高斯光源作為源光源,波長為632.8 nm,能量為100 W,光束寬度為2 mm。為了濾除雜散光,給光組中各透鏡的前后表面均進行鍍增透膜處理。在雙遠心光組的物面和像面處加入探測器,分別位于圖4 中CCD1 和CCD2 上。CCD1 尺寸為10 mm×10 mm,像素數(shù)為600×600,CCD2 尺寸為0.6 mm×0.6 mm,像素數(shù)為600×600。通過Zemax 中光線追跡功能進行追跡,追跡108條光線,得到的結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出,光線追跡得到了直徑為0.56 mm,環(huán)寬為90 μm 的離軸環(huán)形光斑。
圖4 CCD 上接收到的光線Fig.4 Diagram of light received on CCD
在光線經(jīng)過雙遠心光組之前總功率為80.808 W,峰值輻照度為6.260×103W/cm2。當光線經(jīng)過雙遠心光組后,探測器得到的圖像(即最終形成的光源)總功率為80.077 W,峰值輻照度為7.307×105W/cm2。CCD 上峰值輻照度數(shù)量級由原來的103W/cm2提高至105W/cm2,峰值輻照度的提高說明后者的光線能量更為集中,表明后續(xù)光路中雜散光線的占比降低了。同時,雙遠心光組的加入使得光線總功率降低了不到1 W,相比功率100 W 的源光源來說,光線功率損失微乎其微。
為驗證照明系統(tǒng)對相干噪聲的抑制能力,設(shè)計了對比仿真實驗。對比實驗中,一組采用傳統(tǒng)的點光源作為照明系統(tǒng)進行仿真,另外一組采用本文設(shè)計的離軸照明系統(tǒng)進行仿真。對比實驗采用控制變量法,干涉系統(tǒng)部分光路參數(shù)完全一致,且均在準直透鏡處設(shè)置噪聲。引入噪聲是通過布爾運算功能實現(xiàn)的。用圓柱模擬透鏡上的灰塵、油污等圓形噪聲源,用矩形體模擬透鏡的瑕疵和劃痕。圓柱尺寸分別為:直徑200 μm、長500 μm;直徑120 μm、長400 μm。矩形體尺寸為:100 μm×350 μm×100 μm、100 μm×450 μm×100 μm,2 個矩形體相對于y軸傾斜角度為-15°和10°。在被測面傾斜角同為0.05°情況下追跡108根光線,分別得到的干涉圖如圖5所示。
圖5 不同照明模式下的干涉圖Fig.5 Interferogram in different lighting modes
與圖5(a)相比,圖5(b)中亮條紋間的間隔更遠了,這是由于在照明系統(tǒng)的像面處加入了散射平板導致的。在實際實驗中,為去除離軸光源在CCD 探測器處引起的軸上極亮點,往往在環(huán)形光源所在平面上加入旋轉(zhuǎn)的散射元件。本仿真中在光源像斑處加入了一塊厚度為1 mm 的散射板,散射類型為體散射,平均光程為0.15,散射角度為7°。
在仿真中,由于Zemax 仿真功能的限制,只能模擬出靜止的散射元件,無法有效模擬旋轉(zhuǎn)的元件。相干光束透射進散射元件內(nèi)部后,由于體散射元件內(nèi)部折射率不均勻,導致光線出射方向不一致。由于加入靜止散射板,使最終成像的條紋有很大的散斑噪聲。這些散斑噪聲使干涉條紋像素點分布不規(guī)則,導致最終得到的圖像產(chǎn)生類似煙霧的顆粒狀效果。因為照明系統(tǒng)加入了散射元件且仿真功能受限,使圖5(b)中存在著較為嚴重的散斑噪聲。但對于加入的劃痕和圓形噪點來說,圖5(b)有較好的抑制效果。圖5 中標記了部分劃痕和圓形噪聲源在干涉圖上引入的噪聲。在采用傳統(tǒng)照明模式的追跡結(jié)果圖5(a)中,噪聲的加入破壞了干涉圖的空間結(jié)構(gòu),亮條紋之間最大峰值輻照度差異較大,對干涉測量結(jié)果的準確性帶來了較大誤差。在圖5(b)中標記位置沒有出現(xiàn)明顯的噪聲,可見在抑制缺陷引起的相干噪聲時,圖5(b)效果更好,證明本文系統(tǒng)對狹義上的相干噪聲有更好的抑制效果。
本文設(shè)計的照明系統(tǒng)的干涉仿真結(jié)果如圖5(b)所示,雖然抑制了相干噪聲,但干涉圖的清晰度卻十分低,條紋對比度也不高。本文仿真模型分為照明系統(tǒng)和干涉系統(tǒng)兩部分,誤差大體上分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差兩大類。隨機誤差主要為每次仿真時追跡光線的隨機分布,導致探測器上接收到的圖像能量差異。對于隨機誤差,可多次追跡大量光線,并對這些追跡結(jié)果取平均值。在進行仿真和光線追跡時,干涉系統(tǒng)及照明系統(tǒng)的參數(shù)沒有發(fā)生變化,因此將2 個系統(tǒng)的誤差看作是僅有系統(tǒng)誤差。
進行光線追跡時,由于照明系統(tǒng)內(nèi)部存在像差導致環(huán)厚度提升,進而影響干涉條紋對比度和清晰度。CCD 上干涉條紋對比度為
針對上式變量進行誤差分析。在Matlab 中進行模擬,干涉腔長取10 mm,僅光斑厚度r2和r1為變量,得到照明系統(tǒng)的環(huán)寬度與對比度的關(guān)系,如圖6 所示。從圖6 可以看出,隨著離軸光斑厚度增大,條紋對比度也逐步下降。當條紋對比度大于95%時,環(huán)寬度≤0.058 mm,即≤58 μm。
圖6 環(huán)寬與條紋對比度的關(guān)系Fig.6 Relationship between ring thickness and stripe contrast
在Zemax 中對照明系統(tǒng)的像差進行分析,其主要像差來源于雙遠心光路部分,雙遠心光路部分的像差類型為畸變和像散??紤]到雙遠心光路前的像有一定的厚度,故設(shè)置在y方向上高度為3.0 mm、2.816 mm 和2.632 mm 共3 個視場,以3 個視場的成像質(zhì)量評價該光組的成像設(shè)計情況。添加一系列控制操作數(shù)以控制像差、數(shù)值孔徑和遠心度,根據(jù)優(yōu)化需要調(diào)整權(quán)重,以成像質(zhì)量和不同視場的像點距離(最后形成光斑的厚度)為目標進行改進優(yōu)化。優(yōu)化前后雙遠心光路像面全視場光斑如圖7 所示。優(yōu)化后艾里斑半徑由4.118 μm 減小至3.218 μm,三視場光斑在y軸方向上的距離(即光源的環(huán)形寬度)從90 μm 減小至42 μm。相較于優(yōu)化前,像點光斑的艾里斑半徑縮小了,且在3 種不同視場條件下,該光路均表現(xiàn)出較好的成像質(zhì)量,像差均控制在理想范圍內(nèi),光斑也幾乎都在艾里斑內(nèi)。根據(jù)圖6 中的關(guān)系可得出此時理論條紋對比度為0.954。
圖7 雙遠心光組像方點列圖Fig.7 Spot diagram of double-telecentric light group image square
為了消除經(jīng)過分束器反射回來的雜散光對干涉成像的影響,把照明系統(tǒng)像面處的輻照度信息收集到探測器內(nèi),保存成EULUMADAT 文件,再把該文件導入到干涉儀前作為干涉儀的光源。
根據(jù)(2)式中的關(guān)系,除環(huán)寬外,干涉腔長d同樣會影響條紋對比度。將環(huán)寬固定為42 μm,僅干涉腔長d為變量進行模擬,得到干涉腔長與條紋對比度的關(guān)系如圖8 所示。從圖8 可看出,隨著干涉腔長d的增大,條紋對比度顯著下降。若想得到條紋對比度大于0.950 的干涉條紋,理論上干涉腔長d≤15.43 mm。為便于仿真,將干涉腔長改為10 mm,此時理論條紋對比度為0.962。
圖8 干涉腔長與條紋對比度的關(guān)系Fig.8 Relationship between interference cavity length and stripe contrast
除去以上干涉腔長對條紋對比度的誤差外,影響最后成像質(zhì)量的還有干涉系統(tǒng)中鏡片本身的誤差,如準直鏡像差。準直鏡的準直效果在一定程度上也會影響最終的干涉效果,同樣在Zemax 中采用阻尼最小二乘法對其進行優(yōu)化。優(yōu)化準直鏡的像差到合理范圍內(nèi),并在重新建模的干涉系統(tǒng)中采用優(yōu)化后的準直鏡片。
將優(yōu)化后的照明系統(tǒng)與干涉儀重新建模,此時照明系統(tǒng)光斑厚度為42 μm,干涉腔長為15 mm。經(jīng)過驗證,該系統(tǒng)在光線條數(shù)超過108后,得到的干涉圖像幾乎沒有差別,因此可認為在達到108條光線后,仿真結(jié)果收斂,此時仿真得到的干涉圖更接近真實結(jié)果。進行10 次光線追跡,每次追跡108條光線,對10 次收斂的仿真結(jié)果進行均值化處理,得到的干涉條紋圖如圖9 所示。圖9(a)為誤差分析改進前追跡到的干涉條紋。在Matlab 中導入圖9(a)和圖9(b)兩張圖片,經(jīng)過計算,像面探測器得到的條紋對比度分別為0.923 和0.976。
圖9 誤差分析優(yōu)化前后的干涉條紋圖Fig.9 Relationship between interference cavity length and stripe contrast
誤差分析優(yōu)化后照明系統(tǒng)的干涉條紋可見度大幅度提升,像差得到了很好地控制。對比圖9(c)和圖9(d)可知,對于最后的干涉條紋成像來說,存在的像差極大地影響了干涉圖中亮條紋的峰值分布,圖9(c)中僅有兩根亮條紋的能量達到了紅色,且主要分布在視場中心區(qū)域;圖9(d)中優(yōu)化改進后的亮條紋能量分布則較為均勻,干涉圖中亮條紋的寬度較細,更接近于能量分布完全一致的理想干涉條紋。
本文仿真實驗中,選擇與19.05 mm 干涉儀結(jié)合進行研究,最后的仿真結(jié)果表明,設(shè)計的照明系統(tǒng)在此干涉儀上能發(fā)揮作用。本研究中所有工作都是基于離軸照明技術(shù)原理和有關(guān)公式進行的,因此,使用其他參數(shù)的干涉儀或者其他波長的激光作為光源時,本文的工作內(nèi)容依然具有參考意義,本文的照明系統(tǒng)對其他參數(shù)的干涉測量來說,也具有一定的參考意義。
經(jīng)過對比,照明系統(tǒng)經(jīng)誤差分析改進后,得到的干涉圖條紋對比度顯著提升,改進前條紋對比度為92.3%,改進后可達到97.6%,條紋對比度提高了5.3%。經(jīng)過誤差分析優(yōu)化后的照明系統(tǒng),不僅對瑕疵引起的相干噪聲有較強的抑制能力,還能保持條紋對比度大于95%。