本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置及方法。
背景技术：
马赫-曾德尔型干涉仪采用被测光束与参考光束的分光路设计，与泰曼型不共光路干涉仪相比，马赫-曾德尔型干涉仪基本没有光返回到激光器中造成不稳定噪声，更有利于干涉测量。
目前，马赫-曾德尔型移相干涉仪主要是采用pzt移相器件来控制光程的变化，如将光纤绕在一管状pzt上，利用pzt的逆压电效应，当通过直流电压时，pzt管会沿直径方向膨胀或缩小，也就是其外径会产生变化，这就使绕在它上面的光纤会产生长度的变化而使其光程也产生变化，从而实现移相，但是这类方法成本高，结构复杂，且对控制电路的要求较高。
此外，还有采用偏振干涉技术来控制光程的变化，相比于时间移相干涉测试技术，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，其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，在测试臂中放入补偿板，经第二块偏振分光棱镜出射的两束正交偏振光无法形成干涉场，在后续光路中通过辅助组件，产生多幅偏振移相干涉图，然而其中偏振移相采集模块的制作困难且成本高，且结构复杂，从而导致整个仪器的成本较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种精度高、成本低、方便实用的变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置及方法。
实现本发明的技术解决方案为：一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，包括光源变倾角移相组件、主干涉仪和成像组件，所述光源变倾角移相组件包括共光轴顺次设置的点光源、准直物镜和第一反射镜，所述主干涉仪包括共光轴设置的第一分光棱镜、第二反射镜、第三反射镜、补偿板和第二分光棱镜，所述成像组件包括共光轴顺次设置的第一成像透镜、第二成像透镜和ccd；
所述光源变倾角移相组件出射倾斜的平行光，调整该平行光偏离光轴的角度，进入主干涉仪；主干涉仪中的参考光与测试光经第二分光棱镜重新会合后，进入成像组件；成像组件中第一成像透镜的后焦点与第二成像透镜的前焦点重合，形成双远心光路，在ccd(14)靶面获得经参考光与测试光相干叠加后形成的干涉图。
进一步地，所述光源变倾角移相组件中第一反射镜的倾角可调，通过调整第一反射镜的倾角改变入射到主干涉仪中的光束倾角，从而改变参考光与测试光之间的光程差，最终改变干涉图中的移相量；设定第一反射镜与45°初始位置的偏转角度为θ/2，则折转后的光束倾角为θ。
进一步地，所述主干涉仪包括共光轴设置的第一分光棱镜、第二反射镜、第三反射镜、补偿板和第二分光棱镜，具体如下：
经光源变倾角移相组件出射的倾角为θ的准直光进入到主干涉仪，然后被第一分光棱镜分成两路：一路光通过参考臂，即第二反射镜；另一路光通过测试臂，即第三反射镜和补偿板；最后两路光再经第二分光棱镜重新会合后，进入成像组件。
进一步地，入射到主干涉仪中的光束倾角为θ，测试光经过补偿板后，引入的光程差δ(θ)为：
其中，h为补偿板的厚度，n为补偿板的折射率；
在干涉图中引入的移相量δ(θ)为：
其中，k＝2π/λ为波数，λ为波长。
进一步地，所述第一成像透镜的焦距f1与第二成像透镜的焦距f2满足f1/f2≥d/l，其中，d为测试光束的口径，l为ccd的靶面宽度。
进一步地，所述ccd的靶面与主干涉仪中补偿板共轭，ccd的靶面与第二成像透镜像方主面之间的间距l'为
一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量方法，包括以下步骤：
步骤1，光源变倾角移相组件产生与光轴平行的准直光，将补偿板置于主干涉仪中，调整补偿板的位置，在ccd上获得成像清晰的干涉图；
步骤2，调整第一反射镜使折转后的光束倾角发生变化，测试光经过补偿板引入不同光程差，在干涉图中引入不同移相量；
步骤3，采集到系列移相干涉图后，通过移相算法恢复相位。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)仅需旋转反射镜即可实现移相，移相方式简单、成本低；(2)无需其他偏振器件，结构紧凑；(3)测试过程简单，调整方便。
附图说明
图1是本发明变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置的结构示意图。
图2是本发明用于测量激光棒透射波前的结构示意图。
图3是本发明中反射镜偏转造成平行光束倾角变化的光路示意图。
图4是本发明中倾斜光入射在干涉光场间引入移相的示意图。
图中：1、光源变倾角移相组件；2、点光源；3、准直物镜；4、第一反射镜；5、主干涉仪；6、第一分光棱镜；7、第二反射镜；8、第三反射镜；9、补偿板；10、第二分光棱镜；11、成像组件；12、第一成像透镜；13、第二成像透镜；14、ccd；15、激光棒。
具体实施方式
结合图1，本发明变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，包括光源变倾角移相组件1、主干涉仪5和成像组件11，所述光源变倾角移相组件1包括共光轴顺次设置的点光源2、准直物镜3和第一反射镜4，所述主干涉仪5包括共光轴设置的第一分光棱镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、补偿板9和第二分光棱镜10，所述成像组件11包括共光轴顺次设置的第一成像透镜12、第二成像透镜13和ccd14；
所述光源变倾角移相组件1出射倾斜的平行光，调整该平行光偏离光轴的角度，进入主干涉仪5；主干涉仪5中的参考光与测试光经第二分光棱镜10重新会合后，进入成像组件11；成像组件11中第一成像透镜12的后焦点与第二成像透镜13的前焦点重合，形成双远心光路，在ccd(14)靶面获得经参考光与测试光相干叠加后形成的干涉图。
所述光源变倾角移相组件1产生倾斜的平行光，使得入射到主干涉仪5中的光束存在倾角，测试光经过补偿件，在参考光与测试光之间引入光程差，从而在干涉图中引入移相量，最后通过成像组件11在ccd14上获得成像清晰的干涉图。由于光程差与入射光束的倾角有关，所以改变入射到主干涉仪5中的光束倾角，可以获取系列移相干涉图。其中：
(1)所述光源变倾角移相组件1用于产生倾角变化的平行光束；
所述光源变倾角移相组件1包括共光轴顺次设置的点光源2、准直物镜3和第一反射镜4；点光源2发出的球面波先经准直物镜3准直成平面波，再经第一反射镜4折转；
所述第一反射镜4的倾角可调，通过调整第一反射镜4的倾角改变入射到主干涉仪5中的光束倾角，从而改变参考光与测试光之间的光程差，最终改变干涉图中的移相量；当第一反射镜4与45°初始位置的偏转角度为θ/2，折转后的光束倾角为θ。
(2)所述主干涉仪5为马赫-曾德尔干涉仪，参考光和测试光经第二分光棱镜10会合后形成干涉场；
所述主干涉仪5包括共光轴设置的第一分光棱镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、补偿板9和第二分光棱镜10；经光源变倾角移相组件1出射的倾角为θ的准直光进入到主干涉仪5，然后被第一分光棱镜6分成两路：一路光通过参考臂，即第二反射镜7；另一路光通过测试臂，即第三反射镜8和补偿板9；最后两路光再经第二分光棱镜10重新会合后，进入成像组件11；
调整光源变倾角移相组件1使进入到主干涉仪5的光束倾角为θ，测试光经过补偿板9后，引入的光程差δ(θ)为：
其中，h为补偿板的厚度，n为补偿板的折射率。
在干涉图中引入的移相量δ(θ)为：
其中，k＝2π/λ为波数，λ为波长。
(3)所述成像组件11用于将光源经参考臂与测试臂形成的干涉场成像到ccd14靶面上获取清晰的干涉图，并且ccd14靶面与补偿板9共轭。
所述成像组件11包括共光轴顺次设置的第一成像透镜12、第二成像透镜13和ccd14；所述第一成像透镜12的后焦点与第二成像透镜13的前焦点重合，形成双远心光路，经参考臂与测试臂后的一组参考光与测试光，分别经过第一成像透镜12会聚，然后经第二成像透镜13准直，在ccd14上获得成像清晰的干涉图。
所述第一成像透镜12的焦距f1与第二成像透镜13的焦距f2满足f1/f2≥d/l，其中，d为测试光束的口径，l为ccd14的靶面宽度。
所述ccd14的靶面与主干涉仪5中补偿板9共轭，ccd14的靶面与第二成像透镜13像方主面之间的间距l'为
本发明变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，光源变倾角移相组件产生与光轴平行的准直光，将补偿板置于主干涉仪中，调整补偿板的位置，在ccd上获得成像清晰的干涉图。
步骤2，调整第一反射镜使折转后的光束倾角发生变化，测试光经过补偿板引入不同光程差，在干涉图中引入不同移相量。
步骤3，采集到系列移相干涉图后，通过移相算法恢复相位。
实施例1
本发明变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置用于测量激光棒透射波前的光路结构如图2所示，其中：
1)光源变倾角移相组件1用于产生倾斜的平行光束。光源变倾角移相组件1包括共光轴顺次设置的点光源2、准直物镜3和第一反射镜4；点光源2发出的球面波先经准直物镜3准直，再经第一反射镜4折转，当第一反射镜4与45°初始位置的偏转角度为θ/2，折转后的光束倾角为θ；
2)主干涉仪5为马赫-曾德尔干涉仪，参考光和测试光经第二分光棱镜10会合后形成干涉场。主干涉仪5包括共光轴设置的第一分光棱镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、补偿板9和第二分光棱镜10；经光源变倾角移相组件1出射的倾角为θ的准直光进入到主干涉仪5，然后被第一分光棱镜6分成两路：一路光通过参考臂，即第二反射镜7；另一路光通过测试臂，即第三反射镜8和补偿板9；最后两路光再经第二分光棱镜10重新会合后，进入成像组件11；
3)成像组件11用于将光源经参考臂与测试臂形成的干涉场成像到ccd14靶面上获取清晰的干涉图，并且ccd14靶面与补偿板9共轭。成像组件11包括共光轴顺次设置的第一成像透镜12、第二成像透镜13和ccd14；所述第一成像透镜12的后焦点与第二成像透镜13的前焦点重合，形成双远心光路，经参考臂与测试臂后的一组参考光与测试光，分别经过第一成像透镜12会聚，然后经第二成像透镜13准直，在ccd14上获得成像清晰的干涉图。第一成像透镜12的焦距f1与第二成像透镜13的焦距f2满足f1/f2≥d/l，其中，d为测试光束的口径，l为ccd14的靶面宽度。ccd14的靶面与主干涉仪5中补偿板9共轭，ccd14的靶面与第二成像透镜13像方主面之间的间距l'为
所述点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置原理如下：
如图3所示，垂直入射的平行光经第一反射镜4折转，当第一反射镜4与45°初始位置的偏转角度为θ/2，根据几何光学基本原理，折转后的光束倾角为θ。
如图4所示，当入射到激光棒15端面的光束倾角为θ时，测试光经激光棒15后引入的光程差为：
其中，h为激光棒15的长度，n为激光棒15的折射率。
此时移相量δ(θ)为：
其中，k＝2π/λ为波数，λ为波长。
使用变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置获得系列移相干涉图后，采用随机移相算法重构相位，恢复出激光棒15的透射波前。
使用上述变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量激光棒15透射波前的步骤为：
1)打开点光源2并待其稳定；
2)在马赫-曾德尔干涉仪光路的测试臂中放置激光棒15，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图；
3)调整第一反射镜4的角度，采集系列移相干涉图；
4)通过随机移相算法，对系列移相干涉图进行计算，恢复出激光棒15的透射波前。
综上所述，本发明变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置及方法，通过倾角可调的反射镜使入射到主干涉仪中的光束倾角发生变化，测试光经过补偿板后引入不同光程差，在干涉图中引入不同移相量，并通过获取的系列移相干涉图恢复相位。由于没有偏振元件以及pzt移相元件的引入，其成本低，结构紧凑，易于实现小型化。此外，测量装置调整方便，测试过程简单，更易实现。