专利名称：Mems扫描式激光外差干涉仪及其测量玻璃应力的方法
技术领域：
本发明涉及一种干涉仪及其測量玻璃应カ的方法，特别涉及ー种MEMS扫描式激光外差干涉仪及其測量玻璃应カ的方法。
背景技术：
光学材料内存在应カ吋，加工好的光学元件表面会随时间而慢慢变形，严重影响成像质量，大大減少了光学元件的寿命。应カ分布不均匀还会引起光学均匀性质量降低，使折射率分布不一致。这些都会使经过光学元件的波面发生变形，使像质变坏。所以应カ的大小是光学材料光学性能的重要指标之一，在高精度的光学元件如角锥棱镜、直角棱镜、五角棱镜等的加工过程中，如果选择应カ小的光学材料，可以大大提高光学元件的光学性能和加工质量。控制应カ是光学材料制备エ艺中极其重要的ー环，应用适当热处理来控制应カ的方法已成为技术人员所熟知。然而，如何准确测定光学材料应カ仍是困扰广大光学材料生产厂家的难题之一，传统的经验估计和简单粗略的測量方法已越来越不适应当今社 会对光学材料要求，因此研究更加合理，更加准确、快速、全面的对玻璃的应カ进行測量就显得尤为重要。本文就是想在研制红外干涉仪来对红外材料的均匀性进行测量的同时，进一歩研究红外干渉仪对应力进行测量的方法。光学材料应カ分布的测量一直是困扰研究者们的ー个难题，虽然也有ー些方法出现，但效果都不理想，多是ー些定性或半定性的測量。早期，许多国家都采用的是苏联提出的八点法，或者是用偏光顔色粗略的估计双折射两束光的程差的方法。1966年F. ff. Rosberry指出采用偏振光干涉图形确定材料的应カ状态。1972年A. S. DeVany则更进ー步指出，采用Williams干涉仪可确定应力分布。后来又陆续有人提出了单1/4波片定量应カ测定法、双1/4波片定量应カ测定法和巴比涅补偿器法等。进入21世纪以后，随着电子信息技术的快速发展，国内外许多科学工作者又对这ー难题展开研究。2001年TakenoriKato提出计算机合成干涉色的方法。2002年Carole C. Montorou等提出基于色度学的光程差测量法。2009年Jenq Shyong Chen和Yung Kuo Huang用偏振短相干干涉显微镜对光学材料的应カ进行了測量。2004年提出基于移相法的光学玻璃应カ等倾角全场数字化測量方法。2005年提出了采用1/4波片法测试玻璃样品的应力，应カ双折射光程差測量精度达0. 2nm/cm，重复性为0. lnm/cm。2008年提出了用干涉法测量了铝薄膜的轴向应力。2011年提出了基于白光干渉色的光学材料应カ定量测量的方法，应カ测量精度达0. 5nm/cm。目前广泛使用的激光外差干涉仪基本都处于可见光波段，精密测量红外光学材料的參数如光学厚度、内应カ等，这一直是影响红外薄膜光学发展的科学难题之一。而且都是基于CCD相机对投射光干渉图像进行成像的原理来测量的，由于CCD相机的价格和尺寸的限制无法实现低成本和大口径的测量。总结起来主要存在着以下几方面的问题(I)工作波长都是采用可见光的波段激光或者白光，因此对于红外材料的測量就具有局限性；
(2)对待测物的测量采用全视场的光束照射，对全视场进行成像来获取测量參数信息。(3)光学材料应カ分布的测量过程中，一直依靠人为或者机械旋转偏振片来进行椭圆光的检测，控制困难，检测精度不高，。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前的玻璃应カ的測量对于红外材料的測量具有局限性问题，本发明提供ー种MEMS扫描式激光外差干涉仪及其測量玻璃应カ的方法。本发明的MEMS扫描式激光外差干涉仪,它包括激光器、声光移频器、第一光纤率禹合器、A /2波片、偏振分束棱镜、A /4波片、MEMS振镜、F- 0透镜、反射镜、第二光纤稱合器、光纤合束器、探測器和信号处理系统；
激光器发射的光束入射至声光移频器，经声光移频器后出射的光分别为频率f的I级光和频率f’的0级光，频率f的0级光入射至第一光纤耦合器，经第一光纤耦合器耦合后的光束入射至\ /2波片，经\ /2波片透射的光束入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射的光束入射至入/4波片，经入/4波片透射的光束入射至MEMS振镜；经MEMS振镜反射的光束入射至F-0透镜，经F-0透镜的光束入射至平面反射镜，经平面反射镜的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜反射的光束入射至第二光纤稱合器，经第二光纤稱合器稱合后的光束和声光移频器后出射的频率f的I级光均入射至光纤合束器，经光纤合束器整合后的光束入射至探測器，经探测器输出的交变电流信号发送给信号处理系统。应用上述干涉仪测量玻璃应カ的方法，它包括如下步骤步骤ー将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F- 0透镜与平面反射镜中间；步骤ニ 在MEMS振镜扫描的ー个周期内，进行如下步骤步骤I :调整MEMS扫描式激光外差干涉仪中的\ /4波片与其入射光偏振方向的夹角为0°，探测器测得交变电流信号I1 ；步骤2 :调整所述MEMS扫描式激光外差干涉仪中的\ /4波片与其入射光偏振方向的夹角为45°，探测器测得交变电流信号I2;步骤三信号处理系统将步骤I和步骤2获得的两个交变电流信号I1和I2进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应カ。本发明还提供ー种MEMS扫描式激光外差干涉仪，它包括激光器、声光移频器、第一光纤稱合器、入/2波片、偏振分束棱镜、MEMS振镜、F-0透镜、反射镜、第二光纤稱合器、光纤合束器、探測器、信号处理系统、克尔效应晶体和电极驱动电路；经第一光纤耦合器耦合后的光束入射至\ /2波片，经\ /2波片透射的光束入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射的光束入射至克尔效应晶体，经克尔效应晶体透射的光束入射至MEMS振镜；经MEMS振镜反射的光束入射至F-0透镜，经F-0透镜的光束入射至平面反射镜，经平面反射镜的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜反射的光束入射至第二光纤稱合器，经第二光纤稱合器稱合后的光束和声光移频器后出射的频率f的I级光均入射至光纤合束器，经光纤合束器整合后的光束入射至探測器，经探测器输出的交变电流信号发送给信号处理系统；电极驱动电路用于给克尔效应晶体施加电压使其沿指定方向产生双折射效应，所述指定方向与克尔效应晶体入射光偏振方向之间的夹角为45°。应用上述干涉仪测量玻璃应カ的方法，它包括如下步骤步骤ー将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F- 0透镜与平面反射镜中间；步骤ニ 在MEMS振镜扫描的ー个周期内，进行如下步骤步骤I :通过探测器测得交变电流信号I1 ；
步骤2 :驱动电极驱动电路，使克尔效应晶体产生双折射效应的O光和e光相位延迟n/4，然后通过探测器测得交变电流信号I2 ；步骤三信号处理系统将步骤I和步骤2获得的两个交变电流信号I1和交变电流信号I2进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应力。本发明还提供ー种MEMS扫描式激光外差干涉仪,它包括激光器、声光移频器、第一光纤稱合器、入/2波片、偏振分束棱镜、MEMS振镜、F-0透镜、反射镜、第二光纤稱合器、光纤合束器、探測器、信号处理系统、“克尔”效应晶体和电极驱动电路；经第一光纤耦合器耦合后的光束入射至\ /2波片，经\ /2波片透射的光束入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射的光束入射至克尔效应晶体，经克尔效应晶体透射的光束入射至MEMS振镜；经MEMS振镜反射的光束入射至F-0透镜，经F-0透镜的光束入射至平面反射镜，经平面反射镜的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜反射的光束入射至第二光纤稱合器，经第二光纤稱合器稱合后的光束和声光移频器后出射的频率f的I级光均入射至光纤合束器，经光纤合束器整合后的光束入射至探測器，经探测器输出的交变电流信号发送给信号处理系统；电极驱动电路用于给克尔效应晶体施加电压使其沿指定方向产生双折射效应，所述指定方向与克尔效应晶体入射光偏振方向之间的夹角为45°。电极驱动电路的驱动信号周期与MEMS振镜扫描的周期相同，且电极驱动电路的驱动信号周期内设置半个周期的延迟。应用上述干涉仪测量玻璃应カ的方法，它包括如下步骤步骤ー将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F- 0透镜与平面反射镜中间；步骤ニ驱动电极驱动电路给克尔效应晶体施加电压信号，通过探测器连续两次测得交变电流信号信号，分别获得I1和I2 ;所述两次测量的时间间隔大于电极驱动电路的驱动信号的半个周期且小于I个周期；步骤三信号处理系统将步骤ニ获得的两个交变电流信号I1和I2进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应カ。本发明的有益效果为利用激光外差干涉系统来测量样品的玻璃应カ分布时需进行至少两次完整的系统测量。測量某一点的应カ信息时，第一次需要获取X/4波片与其入射光偏振方向的夹角为0°时的测量信号,第二次需要获取入/4波片与其入射光偏振方向的夹角为45°时的测量信号，最后对这两次获取的信号进行处理就可以获得应カ的方向和大小的分布情況。本发明对红外材料的測量具有很好的效果，同时本发明还设置了驱动电极驱动电路和克尔效应晶体控制两次测量时的时间间隔和精度，使测量玻璃应カ时便于控制。
图I为本发明具体实施方式
一所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪的光路原理示意图。图2为本发明具体实施方式
ニ所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪的光路原理示意图。 图3为本发明具体实施方式
五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ方法的入射至偏振分束棱镜的椭圆偏振光的夹角e的示意图，在ニ维坐标系中直线O表不椭圆偏振光的O光，即玻璃应カ主轴光分量,直线e表不椭圆偏振光的e光，即应カ主轴垂直方向光分量，I轴表不空间坐标的垂直方向，X轴为空间坐标的水平方向。图4为本发明具体实施方式
五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ方法的探测器测得的交变电流信号I1的仿真波形图。图5为本发明具体实施方式
五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ方法的探测器测得的交变电流信号I2的仿真波形图。图6为本发明具体实施方式
五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ方法的探测器测得的交变电流信号I1和探测器测得的交变电流信号I2的ニ维关系图。图7为本发明具体实施方式
五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ方法的探测器测得的交变电流信号I1和探测器测得的交变电流信号I2的时空分布图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图I说明本实施方式，本实施方式所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪，它包括激光器I、声光移频器2、第一光纤稱合器3、A /2波片4、偏振分束棱镜
5、入/4波片6、MEMS振镜7、F-0透镜8、反射镜9、第二光纤稱合器10、光纤合束器11、探测器12和信号处理系统13 ；激光器I发射的光束入射至声光移频器2，经声光移频器2后出射的光分别为频率f的I级光和频率f’的0级光，频率f的0级光入射至第一光纤耦合器3，经第一光纤耦合器3耦合后的光束入射至\ /2波片4，经\ /2波片4透射的光束入射至偏振分束棱镜5，经偏振分束棱镜5透射的光束入射至\ /4波片6，经入/4波片6透射的光束入射至MEMS振镜7 ；经MEMS振镜7反射的光束入射至F- 0透镜8，经F- 0透镜8的光束入射至平面反射镜9，经平面反射镜9的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜5，经偏振分束棱镜5反射的光束入射至第二光纤稱合器10,经第二光纤稱合器10稱合后的光束和声光移频器2后出射的频率f的I级光均入射至光纤合束器11，经光纤合束器11整合后的光束入射至探測器12，经探测器12输出的交变电流信号发送给信号处理系统13。
具体实施方式
ニ 结合图2说明本实施方式，本实施方式还提供ー种MEMS扫描式激光外差干涉仪，它包括激光器I、声光移频器2、第一光纤稱合器3、A /2波片4、偏振分束棱镜5、MEMS振镜7、F- 0透镜8、反射镜9、第二光纤耦合器10、光纤合束器11、探测器12、信号处理系统13、克尔效应晶体14和电极驱动电路15 ；激光器I发射的光束入射至声光移频器2，经声光移频器2后出射的光分别为频率f的I级光和频率f’的0级光，频率f的0级光入射至第一光纤耦合器3，经第一光纤耦合器3耦合后的光束入射至\ /2波片4，经\ /2波片4透射的光束入射至偏振分束棱镜5，经偏振分束棱镜5透射的光束入射至克尔效应晶体14，经克尔效应晶体14透射的光束入射至MEMS振镜7 ；经MEMS振镜7反射的光束入射至F- 0透镜8，经F- 0透镜8的光束入射至平面反射镜9，经平面反射镜9的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜5，经偏振分束棱镜5反射的光束入射至第二光纤稱合器10,经第二光纤稱合器10稱合后的光束和声 光移频器2后出射的频率f的I级光均入射至光纤合束器11，经光纤合束器11整合后的光束入射至探測器12，经探测器12输出的交变电流信号发送给信号处理系统13 ；电极驱动电路15用于给克尔效应晶体施加电压使其沿指定方向产生双折射效应，所述指定方向与克尔效应晶体14入射光偏振方向之间的夹角为45°。
具体实施方式
三本实施方式是对具体实施方式
ニ所述的MEMS扫描式激光外差干渉仪的进ー步说明，电极驱动电路15的驱动信号周期与MEMS振镜7扫描的周期相同，且电极驱动电路15的驱动信号周期内设置半个周期的延迟。
具体实施方式
四本实施方式所述的旋转体无线信号传输装置是对具体实施方式
一、ニ和三的进ー步说明，所述激光器I发射的激光为红外激光。
具体实施方式
五应用具体实施方式
一所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ的方法，它包括如下步骤步骤ー将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F- 0透镜8与平面反射镜9中间；步骤ニ 在MEMS振镜I扫描的ー个周期内，进行如下步骤步骤I :调整MEMS扫描式激光外差干涉仪中的\ /4波片6与其入射光偏振方向的夹角为0°，探測器12测得交变电流信号I1;步骤2 :调整所述MEMS扫描式激光外差干涉仪中的\ /4波片6与其入射光偏振方向的夹角为45°，探測器12测得交变电流信号I2 ；步骤三信号处理系统13将步骤I和步骤2获得的两个交变电流信号I1和I2进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应カ。利用激光外差干涉系统来测量样品的应カ分布时需进行至少两次完整的系统测量。测量某一点的应カ信息时，第一次需要获取入/4波片与其入射光偏振方向成0°时的測量信号，第二次需要获取入/4波片与其入射光偏振方向成45°时的测量信号，最后对这两次获取的信号进行处理就可以获得应カ的方向和大小的分布情況。第一次測量吋，由于入/4与光束偏振方向夹角为0°，光束穿过它不改变偏振状态。但是光束穿过样品吋，由于样品有应カ存在会产生双折射效应，光束在样品测量点的应カ主轴的平行和垂直方向的两个分量会产生相位差V气反射回去的时候这个相位差加倍。于是反射回偏振分束棱镜的会是ー个椭圆偏振光，，设应カ主轴与y轴的夹角为9，如图3所应カ主轴是O光方向则偏振分束棱镜的反射光可表示为
权利要求
1.MEMS扫描式激光外差干涉仪,其特征在于,它包括激光器(I)、声光移频器(2)、第一光纤耦合器(3)、入/2波片(4)、偏振分束棱镜(5)、偏入/4波片(6)、MEMS振镜(7)、F-0透镜(8)、反射镜(9)、第二光纤耦合器(10)、光纤合束器(11)、探測器(12)和信号处理系统(13)； 激光器(I)发射的光束入射至声光移频器(2)，经声光移频器(2)后出射的光分别为频率f的I级光和频率f’的0级光，频率f的0级光入射至第一光纤耦合器(3)， 经第一光纤耦合器(3)耦合后的光束入射至入/2波片(4)，经入/2波片(4)透射的光束入射至偏振分束棱镜(5)，经偏振分束棱镜(5)透射的光束入射至偏入/4波片(6)，经偏入/4波片(6)透射的光束入射至MEMS振镜(7)； 经MEMS振镜(7)反射的光束入射至F-0透镜(8)，经F-0透镜(8)的光束入射至平面反射镜(9)，经平面反射镜(9)的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜(5)，经偏振分束棱镜(5)反射的光束入射至第二光纤稱合器(10),经第二光纤稱合器(10) I禹合后的光束和声光移频器(2)后出射的频率f的I级光均入射至光纤合束器(11)，经光纤合束器(11)整合后的光束入射至探測器(12)，经探测器(12)输出的交变电流信号发送给信号处理系统(13)。
2.MEMS扫描式激光外差干涉仪,其特征在于,它包括激光器(I)、声光移频器(2)、第一光纤耦合器(3)、入/2波片(4)、偏振分束棱镜(5)、MEMS振镜(7)、F-0透镜(8)、反射镜(9)、第二光纤稱合器(10)、光纤合束器(11)、探测器(12)、信号处理系统(13)、克尔效应晶体(14)和电极驱动电路(15)； 激光器(I)发射的光束入射至声光移频器(2)，经声光移频器(2)后出射的光分别为频率f的I级光和频率f’的0级光，频率f的0级光入射至第一光纤耦合器(3)， 经第一光纤耦合器(3)耦合后的光束入射至X/2波片(4)，经入/2波片(4)透射的光束入射至偏振分束棱镜(5)，经偏振分束棱镜(5)透射的光束入射至克尔效应晶体(14)，经克尔效应晶体(14)透射的光束入射至MEMS振镜(7)； 经MEMS振镜(7)反射的光束入射至F-0透镜(8)，经F-0透镜(8)的光束入射至平面反射镜(9)，经平面反射镜(9)的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜(5)，经偏振分束棱镜(5)反射的光束入射至第二光纤稱合器(10),经第二光纤稱合器(10) I禹合后的光束和声光移频器(2)后出射的频率f的I级光均入射至光纤合束器(11)，经光纤合束器(11)整合后的光束入射至探測器(12)，经探测器(12)输出的交变电流信号发送给信号处理系统(13); 电极驱动电路(15 )用于给克尔效应晶体施加电压使其沿指定方向产生双折射效应，所述指定方向与克尔效应晶体(14)入射光偏振方向之间的夹角为45°。
3.根据权利要求2所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪，其特征在干，电极驱动电路(15)的驱动信号周期与MEMS振镜(7)扫描的周期相同，且电极驱动电路(15)的驱动信号周期内设置半个周期的延迟。
4.根据权利要求I或2所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪，其特征在于，所述激光器(I)发射的激光为红外激光。
5.应用权利要求I所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ的方法，其特征在于，它包括如下步骤步骤ー将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F- 0透镜(8)与平面反射镜(9)中间； 步骤ニ 在MEMS振镜(7)扫描的ー个周期内，进行如下步骤 步骤I :调整MEMS扫描式激光外差干涉仪中的偏入/4波片(6)与其入射光的偏振方向的夹角为0°，探測器(12)测得交变电流信号I1; 步骤2 :调整所述MEMS扫描式激光外差干涉仪中的偏\ /4波片(6)与其入射光的偏振方向的夹角为45 °，探測器(12 )测得交变电流信号I2 ； 步骤三信号处理系统(13)将步骤I和步骤2获得的两个交变电流信号I1和I2进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应カ。
6.应用权利要求2所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ的方法，其特征在于，它包括如下步骤 步骤ー将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F- 0透镜(8)与平面反射镜(9)中间； 步骤ニ 在MEMS振镜(7)扫描的ー个周期内，进行如下步骤 步骤I :通过探测器(12)测得交变电流信号I1 ； 步骤2 :驱动电极驱动电路(15)，使克尔效应晶体产生双折射效应的O光和e光相位延迟n/4，然后通过探测器(12)测得交变电流信号I2 ； 步骤三信号处理系统(13)将步骤I和步骤2获得的两个交变电流信号I1和交变电流信号I2进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应力。
7.应用权利要求3所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应カ的方法，其特征在于，它包括如下步骤 步骤ー将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F- 0透镜(8)与平面反射镜(9)中间； 步骤ニ 驱动电极驱动电路(15)给克尔效应晶体施加电压信号，通过探测器(12)连续两次测得交变电流信号信号，分别获得I1和I2 ;所述两次测量的时间间隔大于电极驱动电路(15)的驱动信号的半个周期且小于I个周期； 步骤三信号处理系统(13)将步骤ニ获得的两个交变电流信号I1和12进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应カ。
全文摘要
MEMS扫描式激光外差干涉仪及其测量玻璃应力的方法，涉及一种干涉仪及其测量玻璃应力的方法。为了解决玻璃应力的测量对于红外材料具有局限性问题。激光器发出的光经声光移频器后为频率为f的1级光和f'的0级光；1级光为信号光，0级光为本振光，1级光经过λ/2波片，进入偏振分束棱镜；再透过部件后，经MEMS振镜7对样品进行扫描后被反射镜反射按原光路返回；光束再次通过部件后，被偏振分束棱镜反射出水平分量，再与0级光拍频，通过改变部件与其入射光偏振方向分别为0°和45°，信号处理系统对探测器测得两个电流进行处理，得到样品的玻璃应力，所述部件为λ/4波片或45°方向加电极的克尔效应晶体。用于测量玻璃应力。
文档编号G01N21/23GK102829903SQ201210315020
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者王春晖, 庞亚军, 曲杨, 李小宝 申请人:哈尔滨工业大学
专业数控铣床产品供应商
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