泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪及其测量方法与流程

本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪及其测量方法。

背景技术：

泰曼型干涉仪采用被测光束与参考光束的分光路设计，与斐索型共光路干涉仪相比，泰曼型干涉仪的结构简单。目前，泰曼型同步移相干涉仪的主要是采用偏振干涉技术，相比于时间移相干涉测试技术，它能够在同一时间、不同空间位置获得多幅移相干涉图，有效地抑制了振动、空气扰动等时变因素的影响。泰曼型同步移相干涉仪的基本结构是通过前置辅助组件产生两束偏振态正交的光，经偏振分光棱镜分别引入到参考臂和测试臂，在参考臂和测试臂放置相位延迟片，改变原路返回后参考光和测试光的偏振态，经偏振分光棱镜出射的两束正交偏振光无法形成干涉场，需在后续光路中通过辅助组件，产生多幅偏振移相干涉图。然而其偏振移相采集模块的制作相对困难且成本高，且结构复杂，从而导致仪器成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种精度高、成本低、方便实用、可小型化的泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪及其测量方法。

实现本发明目的技术解决方案为：一种泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪，其特征在于，包括：点光源及其分光组件、主干涉仪和分光成像组件，由点光源发出的球面波经分光组件分成四束后进入主干涉仪，最后通过分光成像组件在一个CCD上同时获取四幅相移干涉图，其中：

所述点光源及其分光组件用于产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波；

所述主干涉仪为泰曼型干涉仪，使从参考面反射回的参考光和测试面反射回的测试光形成干涉场；

所述分光成像组件用于将四个光源分别经参考面与测试面反射产生的干涉场在CCD靶面上分开，并且使得CCD靶面与测试面共轭。

进一步地，所述分光组件包括顺次共光轴设置的第一准直物镜、棋盘光栅、第一会聚物镜和孔径光阑，所述孔径光阑滤出棋盘光栅的(±1，±1)级四束衍射光，并且滤除其它级次衍射光，所得的四束衍射光复振幅相同，并且分别位于正方形的四个顶点，该正方形位于第一会聚物镜的焦面，但中心不在主干涉仪的光轴上，该正方形的边长d即相邻发散球面波的横向错位距离，d由棋盘光栅与第一会聚物镜确定：

d＝2f₁λ/Λ

其中，f₁为第一会聚物镜的焦距，λ为入射光波长，Λ为棋盘光栅的光栅周期。

进一步地，所述主干涉仪包括共光轴设置的第二准直物镜、分光棱镜、参考面和测试面，由点光源发出的球面波经分光组件分成四束后进入主干涉仪，进入主干涉仪的四束光分别由第二准直物镜扩束，经分光棱镜后，分别通过参考面和测试面，其中每束光分别被参考面和测试面反射形成参考光和测试光，参考光和测试光沿原路返回并分别经分光棱镜透射和反射，进入分光成像组件。

进一步地，所述分光成像组件包括顺次共光轴设置的第二会聚物镜、透镜阵列、成像物镜、CCD，所述透镜阵列位于第二会聚物镜的焦面；

经参考面与测试面反射回来的四组参考光与测试光，分别经过透镜阵列中各个透镜的物方主点，成像物镜将经过透镜阵列的四组参考光与测试光准直成平行光，该平行光在CCD的靶面上形成四个分开的光斑。

进一步地，所述透镜阵列为2×2负透镜阵列，每个负透镜的焦距f₂满足f₂＝-dF_#，其中d为相邻发散球面波的横向错位距离，F_#为主干涉仪中第二准直物镜的F数。

进一步地，所述成像物镜的前焦面与透镜阵列的像方主面重合，成像物镜的焦距f₃满足f₃≤LF_#/2，其中L为CCD靶面的宽度。

进一步地，所述CCD的靶面与主干涉仪中测试面共轭，CCD的靶面与成像物镜像方主面之间的距离l为

一种基于权利要求1所述泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，点光源通过分光组件产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波，该四个发散球面波分别位于正方形的四个顶点，该正方形的中心不在主干涉仪的光轴上，将被测件置于主干涉仪中作为测试面，调整测试面使测试光与参考光的光程，使得CCD上同时获取四幅相移干涉图；

步骤2，令x、y分别为所述正方形中心与主干涉仪光轴之间距离在水平、竖直方向上的投影长度，且满足或者调节测试臂与参考臂长的差值D为或者得到相移量依次递增π/2的四幅干涉图，其中f₄为主干涉仪中准直物镜的焦距，k＝2π/λ为波矢，λ为入射光波长；

步骤3，从一帧CCD图像上提取出四幅干涉图，通过移相算法对四幅干涉图进行处理，恢复出测试面的面形或波像差。

进一步地，步骤1所述CCD上同时获取四幅相移干涉图，忽略常数相移因子-2Dk，每幅干涉图的相移量δ(r)满足：

δ(r)＝Dk(r/f₄)²

其中，D为参考臂与测试臂长的差值，k＝2π/λ为波矢，为发散球面波到主干涉仪光轴之间的错位距离，f₄为主干涉仪中准直物镜的焦距。

进一步地，步骤3所述移相算法为随机移相算法或者四步移相算法。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)可实现泰曼同步移相干涉测量；(2)仅用一个普通点光源即可实现移相，成本较低；(3)无需其它偏振元件，结构紧凑；(4)测试过程简单，调整方便，对环境的要求较低，使测试更容易实现。

附图说明

图1是本发明泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪的结构示意图。

图2是本发明泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪用于测量球面镜的结构示意图。

图3是点光源存在横向偏移导致准直光产生倾斜的光路示意图。

图4是倾斜光入射在干涉光场间引入相移的示意图。

图5是四个点光源与准直物镜焦点的相对位置示意图。

图中：1、点光源；2、分光组件；3、第一准直物镜；4、棋盘光栅；5、第一会聚物镜；6、孔径光阑；7、第二准直物镜；8、分光棱镜；9、参考面；10、测试面；11、分光成像组件；12、第二会聚物镜；13、透镜阵列；14、成像物镜；15、CCD。

具体实施方式

结合图1，本发明泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪，其特征在于，包括：点光源1及其分光组件2、主干涉仪和分光成像组件11，由点光源1发出的球面波经分光组件2分成四束后进入主干涉仪，最后通过分光成像组件11在一个CCD上同时获取四幅相移干涉图，其中：

(1)所述点光源1及其分光组件2用于产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波；

所述分光组件2包括顺次共光轴设置的第一准直物镜3、棋盘光栅4、第一会聚物镜5和孔径光阑6，所述孔径光阑6滤出棋盘光栅4的(±1，±1)级四束衍射光，并且滤除其它级次衍射光，所得的四束衍射光复振幅相同，并且分别位于正方形的四个顶点，该正方形位于第一会聚物镜5的焦面，但该正方形的中心不在主干涉仪的光轴上，该正方形的边长d即相邻发散球面波的横向错位距离，d由棋盘光栅4与第一会聚物镜5确定：

d＝2f₁λ/Λ

其中，f₁为第一会聚物镜5的焦距，λ为入射光波长，Λ为棋盘光栅4的光栅周期。

(2)所述主干涉仪为泰曼型干涉仪，使从参考面反射回的参考光和测试面反射回的测试光形成干涉场；

所述主干涉仪包括共光轴设置的第二准直物镜7、分光棱镜8、参考面9和测试面10，由点光源1发出的球面波经分光组件2分成四束后进入主干涉仪，进入主干涉仪的四束光分别由第二准直物镜7扩束，经分光棱镜8后，分别通过参考面9和测试面10，其中每束光分别被参考面9和测试面10反射形成参考光和测试光，参考光和测试光沿原路返回并分别经分光棱镜8透射和反射，进入分光成像组件11。

(3)所述分光成像组件11用于将四个光源分别经参考面与测试面反射产生的干涉场在CCD靶面上分开，并且使得CCD靶面与测试面共轭。

所述分光成像组件包括顺次共光轴设置的第二会聚物镜12、透镜阵列13、成像物镜14、CCD15，所述透镜阵列13位于第二会聚物镜12的焦面；经参考面与测试面反射回来的四组参考光与测试光，分别经过透镜阵列13中各个透镜的物方主点，成像物镜14将经过透镜阵列13的四组参考光与测试光准直成平行光，该平行光在CCD15的靶面上形成四个分开的光斑。

所述透镜阵列13为2×2负透镜阵列，每个负透镜的焦距f₂满足f₂＝-dF_#，其中d为相邻发散球面波的横向错位距离，F_#为主干涉仪中第二准直物镜7的F数。

所述成像物镜14的前焦面与透镜阵列13的像方主面重合，成像物镜14的焦距f₃满足f₃≤LF_#/2，其中L为CCD15靶面的宽度。

所述CCD15的靶面与主干涉仪中测试面10共轭，CCD15的靶面与成像物镜14像方主面之间的距离l为

本发明基于泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，点光源通过分光组件产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波，该四个发散球面波分别位于正方形的四个顶点，该正方形的中心不在主干涉仪的光轴上，将被测件置于主干涉仪中作为测试面，调整测试面使测试光与参考光的光程大致相等，使得CCD上同时获取四幅相移干涉图；所述CCD上同时获取四幅相移干涉图，忽略常数相移因子-2Dk，每幅干涉图的相移量δ(r)满足：

δ(r)＝Dk(r/f₄)²

其中，D为参考臂与测试臂长的差值，k＝2π/λ为波矢，为发散球面波到主干涉仪光轴之间的错位距离，f₄为主干涉仪中准直物镜的焦距。

步骤2，令x、y分别为所述正方形中心与主干涉仪光轴之间距离在水平、竖直方向上的投影长度，且满足或者调节测试臂与参考臂长的差值D为或者得到相移量依次递增π/2的四幅干涉图，其中f₄为准直物镜的焦距，k＝2π/λ为波矢，λ为入射光波长；

步骤3，从一帧CCD图像上提取出四幅干涉图，通过移相算法对四幅干涉图进行处理，恢复出测试面的面形或波像差；所述移相算法为随机移相算法或者四步移相算法。

实施例1

本发明泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪光路结构如图1所示，包括了，

1)点光源1及其分光组件2用于产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波。分光组件包括第一准直物镜3、棋盘光栅4、第一会聚物镜5、孔径光阑6。点光源1经过第一准直物镜3与棋盘光栅4后产生多个衍射级次，经会聚物镜5会聚后，孔径光阑6滤出棋盘光栅4的(±1，±1)级四支光，并且滤除其它级次衍射光。这四个点光源分别位于正方形的四个顶点，且其所构成的正方形的中心不在主干涉仪的光轴上。正方形的边长d由棋盘光栅与会聚物镜确定。满足d＝2f₁λ/Λ，其中f₁为第一会聚物镜的焦距，λ为入射光波长，Λ为棋盘光栅的光栅周期。

2)主干涉仪，所述主干涉仪为泰曼型干涉仪，使分别从参考面和测试面反射回的两束光波形成干涉场，所述主干涉仪包括第二准直物镜7、分光棱镜8、参考面9和测试面10，进入主干涉仪的四束光分别由第二准直物镜7扩束，经分光棱镜8后，分别通过参考面9和测试面10，其中每束光分别被参考面9和测试面10反射沿各自原光路返回并分别经分光棱镜8透射和反射，进入分光成像组件11。

3)分光成像组件11，用于将四个光源分别经参考面9与测试面10反射产生的干涉场在CCD15靶面上分开，并且使得CCD15靶面与测试面10共轭。分光成像组件11包括第二会聚物镜12、透镜阵列13、成像物镜14、CCD15。经参考面9与测试面10反射回来的四组参考光与测试光，分别经过透镜阵列13中各个透镜的物方主点。透镜阵列13为2×2负透镜阵列，其每一个透镜的作用相当于场镜。焦距f₂满足f₂≈-dF_#。其中F_#为第二准直物镜7的F数。成像物镜14用于将经过透镜阵列13的四组参考光与测试光准直成平行光，并且使得在CCD15靶面上的四组光斑是分开的。成像物镜14的前焦面与透镜阵列13的像方主面重合。成像物镜14的焦距满足f₃≤LF_#/2，其中L为CCD15靶面的宽度。CCD15的靶面与测试面10共轭，与成像物镜14像方主面之间的距离近似为

所述泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪原理如下：

如图3所示，当位于第二准直物镜7前焦面的四个点光源与其焦点存在一个横向错位距离r时，经过第二准直物镜7后的光束与光轴存在一个角度θ＝r/f₄，其中f₄为第二准直物镜7的焦距。从而在被参考面9与测试面10反射所产生的干涉场中引入一个常数相移量。如图4所示，根据几何光学性质其相移量为δ(r)＝k(AD-AB-BC)＝-2Dcosθ，由于θ很小，在小角度近似可以得到δ(r)＝Dk(r/f₄)²，这里忽略了一个常数相移因子-2Dk，其中D为参考臂与测试臂长的差值，k＝2π/λ为波矢。

对于所述的泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪而言，点光源1通过分光组件2产生四个复振幅相同的点光源，如图5所示，以四个点光源的中心为坐标原点，第二准直物镜7的前焦点的坐标为(x,y)，不失一般性，我们假设0＜x≤y，此时每个点光源对应干涉图的相移量与其最小相移量之间差值从小到大依次为：0、采用随机移相算法重构相位。特别的，当(x,y)满足时，每幅干涉图的相移量与其最小相移量之间差值从小到大依次为0、π/2、π、3π/2，采用四步移相算法重构相位。

使用上述泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪测量的步骤为：

1)打开点光源1并待其稳定；

2)按泰曼干涉仪光路放置被测件，打开计算机及干涉图数据处理软件，调出实时采集到的干涉条纹；

3)调节测试面10与参考面9相对分光棱镜的的距离差约为使得四幅干涉图之间从小到大依次产生约π/2相移量；

4)调整测试面10的位置和倾斜状态，使视场内条纹最少；

5)选取四幅干涉图的中心，在一帧CCD图像上提取出四幅干涉图；

6)通过随机移相算法或者四步移相算法，对四幅干涉图进行计算，恢复出测试面面形或波像差。

实施例2

本发明泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪用于测量球面镜光路结构如图2所示，包括了，

1)点光源1及其分光组件2用于产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波。分光组件包括第一准直物镜3、棋盘光栅4、第一会聚物镜5、孔径光阑6。点光源1经过第一准直物镜3与棋盘光栅4后产生多个衍射级次，经第一会聚物镜5会聚后，孔径光阑6滤出棋盘光栅4的(±1，±1)级四支光，并且滤除其它级次衍射光。这四个点光源分别位于正方形的四个顶点，且其所构成的正方形的中心不在主干涉仪的光轴上。正方形的边长d由棋盘光栅与会聚物镜确定。满足d＝2f₁λ/Λ，其中f₁为第一会聚物镜的焦距，λ为入射光波长，Λ为棋盘光栅的光栅周期。

2)主干涉仪，所述主干涉仪为泰曼型干涉仪，使分别从参考面和测试面反射回的两束光波形成干涉场，所述主干涉仪包括第二准直物镜7、分光棱镜8、参考面9和测试组件16，测试组件16包括显微物镜17和待测球面镜18。进入主干涉仪的四束光分别由第二准直物镜7扩束，经分光棱镜8后，通过参考面9并沿原光路返回的光作为参考光，通过显微物镜17会聚于待测球面镜18的球心，经球面镜18后沿原光路返回作为测试光，参考光和测试光分别经分光棱镜8透射和反射，进入分光成像组件11。

3)分光成像组件11，用于将四个光源分别经参考面9与测试面10反射产生的干涉场在CCD15靶面上分开，并且使得CCD15靶面与测试面10共轭。分光成像组件11包括第二会聚物镜12、透镜阵列13、成像物镜14、CCD15。经参考面9与待测球面17反射回来的四组参考光与测试光，分别经过透镜阵列13中各个透镜的物方主点。透镜阵列13为2×2负透镜阵列，其每一个透镜的作用相当于场镜。焦距f₂满足f₂≈-dF_#。其中F_#为第二准直物镜7的F数。成像物镜14用于将经过透镜阵列13的四组参考光与测试光准直成平行光，并且使得在CCD15靶面上的四组光斑是分开的。成像物镜14的前焦面与透镜阵列13的像方主面重合。成像物镜14的焦距满足f₃≤LF_#/2，其中L为CCD15靶面的宽度。CCD15的靶面与待测球面17近似共轭，与成像物镜14像方主面之间的距离近似为

所述泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪用于测量球面镜的原理如下：

如图3所示，当位于第二准直物镜7前焦面的四个点光源与其焦点存在一个横向错位距离r时，经过第二准直物镜7后的光束与光轴存在一个角度θ＝r/f₄，其中f₄为第二准直物镜7的焦距。从而在被参考面9与测试组件16反射所产生的干涉场中引入一个常数相移量。如图4所示，根据几何光学性质其相移量为δ(r)＝k(AD-AB-BC)＝-2Dcosθ，由于θ很小，在小角度近似可以得到δ(r)＝Dk(r/f₄)²，这里忽略了一个常数相移因子-2Dk，其中D为参考臂与测试臂长的差值，k＝2π/λ为波矢。

对于所述的泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪而言，点光源1通过分光组件2产生四个复振幅相同的点光源，如图5所示，以四个点光源的中心为坐标原点，第二准直物镜7的前焦点的坐标为(x,y)，不失一般性，我们假设0＜x≤y，此时每个点光源对应干涉图的相移量与其最小相移量之间差值从小到大依次为：0、采用随机移相算法重构相位。特别的，当(x,y)满足时，每幅干涉图的相移量与其最小相移量之间差值从小到大依次为0、π/2、π、3π/2，采用四步移相算法重构相位。

使用上述泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪测量的步骤为：

1)打开点光源1并待其稳定；

2)按泰曼干涉仪光路放置被测件，打开计算机及干涉图数据处理软件，调出实时采集到的干涉条纹；

3)调节待测球面18与参考面9相对分光棱镜的的距离差约为使得四幅干涉图之间从小到大依次产生约π/2相移量；

4)调整待测球面18的位置和倾斜状态，使视场内条纹最少；

5)选取四幅干涉图的中心，在一帧CCD图像上提取出四幅干涉图；

6)通过随机移相算法或者四步移相算法，对四幅干涉图进行计算，恢复出测试面面形或波像差。

综上所述，本发明泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪，利用四个点光源与光轴的横向偏移在参考光与测试光的干涉场中引入相移，通过一帧图像恢复相位，实现了动态测量。由于没有偏振元件以及PZT等移相元件的引入，其成本低，结构紧凑，易于实现小型化。此外，测试过程简单，调整方便，对环境的要求较低，使测试更容易实现。