点源异位扩束同步移相斐索干涉仪及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种点源异位扩束同步移相斐索干涉仪及其测量方法。该干涉仪包括点光源阵列、斐索型主干涉仪和分光成像组件。方法为：点光源阵列产生的四束相同的球面波分别进入主干涉仪，通过调整点光源阵列在主干涉仪准直物镜焦面上与光轴的距离，使得经主干涉仪出射的四个准直波前入射到参考镜上的角度不同，从而在参考面与测试面的干涉中引入不同的相移量，然后通过分光成像组件在一个CCD上同时获取四幅成像清晰的相移干涉图。本发明专利技术具有成本低、抗震性好、易于操作等特点，可以用于光学元件的实时高精度检测等领域。

Instrument and measurement method of point source of ectopic beam simultaneous phase shifting Fizeau interference

The invention discloses a point source of ectopic beam phase shifting Fizeau interferometer and its measuring method. The interferometer comprises a point light source array, Fizeau interferometer and optical imaging of main components. Methods: a point light source array produced by four identical spherical wave beam into the main interferometer, by adjusting the point light source array interferometer in the main surface of the collimation lens focal distance and optical axis, the main interferometer emitted four wavefront collimation incident to the reference mirror on different angles, thus in the reference plane and test the interference introduced in different phase shift, and then through the optical imaging component in a CCD and get four amplitude imaging clear phase shift interferometry. The invention has the characteristics of low cost, good earthquake resistance, easy operation and so on, and can be used in the field of real-time high precision detection of optical elements.

【技术实现步骤摘要】
点源异位扩束同步移相斐索干涉仪及其测量方法
本专利技术属于光干涉测量仪器
，特别是一种点源异位扩束同步移相斐索干涉仪及其测量方法。
技术介绍
斐索型干涉仪广泛的应用于光学测量领域，其共光路结构使得干涉仪内部光学系统的像差可以在测量结果中抵消，从而实现光学元件的高精度检测。但这种干涉仪在数据采集过程中，环境干扰会破坏相移准确度，造成测量误差，严重时，测量甚至无法进行。如何将斐索干涉仪应用于非稳环境下的动态测量，是当前的研究热点。目前斐索型同步移相干涉仪主要有两种结构形式。一种是2004年4D公司Millerd等提出的倾斜参考镜结构(US7，057,738B2)，另一种是1989年Kuchel等提出(US4，872，755)，2006年Kimbrough等改进的短相干光源光程差匹配结构(BradleyT.Kimbrough.PathmatchedvibrationinsensitiveFizeauinterferometer.Ph.Ddissertation，UniversityofArizona，2006)。前一种结构中参考面的倾斜使得测试光与参考光的共光路特性被部分破坏，从而引起相位测量误差，失去了斐索型干涉仪最大的优势。后一种结构通过前置辅助组件产生两束偏振态正交的光波同时照明主干涉仪，共形成6组干涉条纹。使用短时间相干长度的宽带照明光源，可使前置组件与干涉仪时间相干性匹配时，参考面与测试面干涉形成的被测干涉条纹对比度达到最大，同时其余5组附加条纹完全消失，从而实现同轴斐索同步移相干涉测量。然而由于采用四个相邻像素作为一个解算单元恢复位相，空间分辨率会有损失。此外由于微偏振阵列制作工艺的限制，进一步提高干涉仪的分辨率将遇到瓶颈。再者，对于大口径干涉仪系统，由于玻璃材料制造及机械支撑等因素，应力双折射产生的光学均匀性误差无法完全消除，偏振像差会造成干涉图对比度模糊以及波前测量误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种精度高、成本低、方便实用、可小型化的点源异位扩束同步移相斐索干涉仪及其测量方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种点源异位扩束同步移相斐索干涉仪，包括：点光源阵列、主干涉仪和分光成像组件，点光源阵列产生的四束相同的球面波分别进入主干涉仪，然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：所述点光源阵列用于产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波；所述主干涉仪为斐索型干涉仪，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(13)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，所述点光源阵列包括顺次共光轴设置的点光源、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＝2λf2/Λ其中，λ为入射光波长，f2为会聚物镜的焦距，Λ为棋盘光栅的光栅周期。进一步地，所述主干涉仪包括顺次共光轴设置的第二准直物镜、分光膜、发散物镜、第三准直物镜、参考面和测试面，由点光源阵列产生的四束相同的球面波分别进入主干涉仪，进入主干涉仪的四束光先由准直物镜准直，然后经由发散物镜与第三准直物镜扩束，最后顺序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由分光膜反射进入分光成像组件；所述发散物镜与第三准直物镜构成一个扩束系统，通过改变该扩束系统放大倍率实现干涉图的光学变倍。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，所述第二会聚物镜的位置满足下式：f4+f6-ls＞0其中，f4与f6分别为发散物镜与第二会聚物镜的焦距，ls为发散物镜与第二会聚物镜之间的光程；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经第二会聚物镜会聚后，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，所述第二会聚物镜的焦距满足下式：f6＝f3dI/d其中，f3为第二准直物镜的焦距，dI为透镜阵列中每个透镜的直径。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f7满足f7＝-dF#，其中d为相邻发散球面波的横向错位距离，F#为经第二会聚物镜后光束的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f8满足f8≤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l＝f8+f82/dF#。一种基于权利要求1所述点源异位扩束同步移相斐索干涉仪的测量方法，包括以下步骤：步骤1，点光源阵列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，调整测试面使其与参考面平行，使得CCD上同时获取四幅相移干涉图；步骤2，令Δx、Δy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Δx＝(4m+1)λf32f52/8lDf42、Δy＝(2n+1)λf32f52/4lDf42，或者Δx＝(2m+1)λf32f52/4lDf42、Δy＝(4n+1)λf32f52/8lDf42，即可得到相移量依次递增π/2的四幅干涉图；其中，(m,n)为整数，λ为入射光波长，f3、f4和f5为分别为第二准直物镜、发散物镜和第三准直物镜的焦距，D为参考面与测试面之间的距离，l为CCD的靶面与成像物镜像方主面之间的距离；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；步骤4，连续采集多帧CCD图像，分别提取波像差后求取平均值，得到最终的测试面面形或波像差。进一步地，步骤1所述CCD上同时获取四幅相移干涉图，每幅干涉图的相移量δ(r)满足：其中，为发散球面波到主干涉仪光轴之间的错位距离。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)可实现同轴斐索同步移相干涉测量，仅用一个普通点光源即可实现移相，成本较低；(2)点光源阵列间距与成像透镜阵列直径可变，可以有效的抑制系统误差，提高检测分辨率与精度；(3)通过更换扩束系统可实现光学变倍；(4)无需其它偏振元件，结构紧凑；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是本专利技术点源异位扩束同步移相斐索干涉仪的结构示意图。图2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3是倾斜光入射在干涉光场间引入相移的示意图。图4是四个点光源与准直物镜焦点的相对位置示意图。图中：1、点光源阵列；2、点光源；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、分光膜；9、发散物镜；10、第三准直物镜；11、参考镜；12、测试镜；13、分光成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种点源异位扩束同步移相斐索干涉仪，其特征在于，包括：点光源阵列(1)、主干涉仪和分光成像组件(13)，点光源阵列(1)产生的四束相同的球面波分别进入主干涉仪，然后通过分光成像组件(13)在一个CCD(17)上同时获取四幅相移干涉图，其中：所述点光源阵列(1)用于产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波；所述主干涉仪为斐索型干涉仪，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(13)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。

【技术特征摘要】
1.一种点源异位扩束同步移相斐索干涉仪，其特征在于，包括：点光源阵列(1)、主干涉仪和分光成像组件(13)，点光源阵列(1)产生的四束相同的球面波分别进入主干涉仪，然后通过分光成像组件(13)在一个CCD(17)上同时获取四幅相移干涉图，其中：所述点光源阵列(1)用于产生四个复振幅相同但空间位置不同的发散球面波；所述主干涉仪为斐索型干涉仪，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(13)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。2.根据权利要求1所述的点源异位扩束同步移相斐索干涉仪，其特征在于，所述点光源阵列(1)包括顺次共光轴设置的点光源(2)、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＝2λf2/Λ其中，λ为入射光波长，f2为会聚物镜(5)的焦距，Λ为棋盘光栅(4)的光栅周期。3.根据权利要求1所述的点源异位扩束同步移相斐索干涉仪，其特征在于，所述主干涉仪包括顺次共光轴设置的第二准直物镜(7)、分光膜(8)、发散物镜(9)、第三准直物镜(10)、参考面(11)和测试面(12)，由点光源阵列(1)产生的四束相同的球面波分别进入主干涉仪，进入主干涉仪的四束光先由准直物镜(7)准直，然后经由发散物镜(9)与第三准直物镜(10)扩束，最后顺序通过参考面(11)和测试面(12)，其中每束光分别被参考面(11)和测试面(12)反射形成参考光和测试光，参考光和测试光沿原路返回并由分光膜(8)反射进入分光成像组件(13)；所述发散物镜(9)与第三准直物镜(10)构成一个扩束系统，通过改变该扩束系统放大倍率实现干涉图的光学变倍。4.根据权利要求1所述的点源异位扩束同步移相斐索干涉仪，其特征在于，所述分光成像组件(13)包括顺次共光轴设置的第二会聚物镜(14)、透镜阵列(15)、成像物镜(16)、CCD(17)，所述第二会聚物镜(14)的位置满足下式：f4+f6-ls＞0其中，f4与f6分别为发散物镜(9)与第二会聚物镜(14)的焦距，ls为发散物镜(9)与第二会聚物镜(14)之间的光程；透镜阵列(15)位于第二会聚物镜(14)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经第二会聚物镜(14)会聚后，分别经过透镜阵列(15)中各个透...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，朱文华，张瑞，杨影，丁煜，郑东晖，孙沁园，韩志刚，朱日宏，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32