CN105928455B - 空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪及其测量方法，属于光学干涉测量仪器领域。该干涉仪包括点光源及其分光组件、斐索型主干涉仪和分光成像组件。方法为：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，采用分光组件将一个点光源复制成相同的四个，通过调整四个点光源在主干涉仪准直物镜焦面上与光轴的距离，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。

Description

空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪及其测量方法
技术领域
本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪及其测量方法。
背景技术
斐索型干涉仪采用被测光束与参考光束的共光路设计，除参考面外，干涉仪光学***自身的像差对被测光束和参考光束的影响基本相同，绝大部分可相互抵消，因而斐索型干涉仪仅对参考面的精度要求高，而对***波像差和其它元件的加工、装配精度要求较低。与泰曼格林型等非共光路干涉仪相比，斐索型干涉仪的设计和加工难度明显降低，因此成为大口径、大数值孔径光学元件面形检测的首选。
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(Bradley T.Kimbrough.Pathmatchedvibration insensitive Fizeau interferometer.Ph.D dissertation，University of Arizona，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。然而其偏振移相采集模块的制作相对困难且成本高。此外，由于前置干涉组件与主干涉仪时间相干性匹配要实现光程差的绝对补偿，前置辅助组件中的可调反射镜移动范围要与参考镜到被测镜的距离相等，这使得前置辅助组件中可调反射镜的移动范围非常大，从而导致仪器结构庞大，难以小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、成本低、方便实用、可小型化的空间分光同轴斐索型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：一种空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，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会聚物镜、棋盘光栅和第一孔径光阑，所述第一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通过调整棋盘光栅与第一孔径光阑之间的距离lg来确定：
d＝2λlg/Λ
其中，λ为入射光波长，Λ为棋盘光栅的光栅周期。
进一步地，所述主干涉仪包括顺次共光轴设置的分光膜、准直物镜、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准直物镜扩束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。
进一步地，所述分光成像组件包括顺次共光轴设置的第二孔径光阑、透镜阵列、成像物镜、CCD，所述透镜阵列紧贴第二孔径光阑，且二者位于主干涉仪所产生的参考光和测试光的焦面；
第二孔径光阑滤出经参考面与测试面反射回来的四组参考光与测试光，并且滤除干扰光，该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f1满足f1＝-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f2满足f2≤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＝f2+f2 2/dF#。
一种基于权利要求1所述空间分光同轴斐索型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y＝2x＝πf3 2/2Dk或者x＝2y＝πf3 2/2Dk，调节测试面与参考面之间的距离D为D＝πf3 2/4xk或者D＝πf3 2/4yk，得到相移量依次递增π/2的四幅干涉图，其中f3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。
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/f3)2
其中，D为参考面与测试面之间的距离，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，f3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)可实现同轴斐索同步移相干涉测量；(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是本发明空间分光同轴斐索型同步移相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；2、分光组件；3、会聚物镜；4、棋盘光栅；5、第一孔径光阑；6、分光膜；7、准直物镜；8、参考面；9、测试面；10、分光成像组件；11、第二孔径光阑；12、透镜阵列；13、成像物镜；14、CCD。
具体实施方式
结合图1，本发明空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，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10，由点光源1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10在一个CCD14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会聚物镜3、棋盘光栅4和第一孔径光阑5，所述第一孔径光阑5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通过调整棋盘光栅4与第一孔径光阑5之间的距离lg来确定：
d＝2λlg/Λ
其中，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；
所述主干涉仪包括顺次共光轴设置的分光膜6、准直物镜7、参考面8和测试面9，由点光源1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准直物镜7扩束后顺序通过参考面8和测试面9，其中每束光分别被参考面8和测试面9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6反射进入分光成像组件10。
(3)所述分光成像组件10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10包括顺次共光轴设置的第二孔径光阑11、透镜阵列12、成像物镜13、CCD14，所述透镜阵列12紧贴第二孔径光阑11，且二者位于主干涉仪所产生的参考光和测试光的焦面；第二孔径光阑11滤出经参考面与测试面反射回来的四组参考光与测试光，并且滤除干扰光，该四组参考光与测试光分别经过透镜阵列12中各个透镜的物方主点，成像物镜13将经过透镜阵列12的四组参考光与测试光准直成平行光，该平行光在CCD14的靶面上形成四个分开的光斑。
所述透镜阵列12为2×2负透镜阵列，每个负透镜的焦距f1满足f1＝-dF#，其中d为相邻发散球面波的横向错位距离，F#为主干涉仪中准直物镜7的F数。
所述成像物镜13的前焦面与透镜阵列12的像方主面重合，成像物镜13的焦距f2满足f2≤LF#/2，其中L为CCD14靶面的宽度。
所述CCD14的靶面与主干涉仪中测试面9共轭，CCD14的靶面与成像物镜13像方主面之间的距离l为l＝f2+f2 2/dF#。
本发明基于空间分光同轴斐索型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，调整测试面使其与参考面平行，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/f3)2
其中，D为参考面与测试面之间的距离，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，f3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y＝2x＝πf3 2/2Dk或者x＝2y＝πf3 2/2Dk，调节测试面与参考面之间的距离D为D＝πf3 2/4xk或者D＝πf3 2/4yk，得到相移量依次递增π/2的四幅干涉图，其中f3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
本发明空间分光同轴斐索型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。分光组件包括会聚物镜3、棋盘光栅4、第一孔径光阑5。点光源1经过会聚物镜3与棋盘光栅4后产生多个衍射级次，第一孔径光阑5用于滤出棋盘光栅4的(±1，±1)级四只光，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可以通过调整棋盘光栅4与第一孔径光阑5之间的距离lg来改变。满足d＝2λlg/Λ，其中λ为入射光波长，Λ为光栅周期。
2)主干涉仪，所述主干涉仪为斐索型干涉仪，使分别从参考面和测试面反射回的两束光波形成干涉场，所述主干涉仪包括分光膜6、准直物镜7、参考面8和测试面9，进入主干涉仪的四支光经分别由所述准直物镜7扩束后顺序通过参考面8和置于参考面后方的测试面9，经测试面9反射返回，再由分光膜6反射进入分光成像组件10。
3)分光成像组件10，用于将四个光源分别经参考面8与测试面9反射产生的干涉场在CCD14靶面上分开，并且使得CCD14靶面与测试面9共轭。分光成像组件10包括第二孔径光阑11、透镜阵列12、成像物镜13、CCD14。其中第二孔径光阑11用于滤出经参考面8与测试面9反射回来的四组参考光与测试光，并且滤出其它干扰光。透镜阵列12紧贴第二孔径光阑11，且位于反射光束的焦面。四组反射参考光与测试光分别经过各个透镜的物方主点。透镜阵列12为2×2负透镜阵列，其每一个透镜的作用相当于场镜。焦距f1满足f1≈-dF#。其中F#为准直物镜7的F数。成像物镜13用于将经过透镜阵列12的四组参考光与测试光准直成平行光，并且使得在CCD14靶面上的四组光斑是分开的。成像物镜13的前焦面与透镜阵列12的像方主面重合。成像物镜13的焦距满足f2≤LF#/2，其中L为CCD14靶面的宽度。CCD14的靶面与测试面9共轭，与成像物镜13像方主面之间的距离近似为l＝f+f2/dF#。
所述空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪原理如下：
如图2所示，当位于准直物镜7前焦面的点光源与其焦点存在一个横向错位距离r时，经过准直物镜7后的光束与光轴存在一个角度θ＝r/f3，其中f3为准直物镜7的焦距。从而在被参考面8与测试面9反射所产生的干涉场中引入一个常数相移量。如图3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/f3)2，这里忽略了一个常数相移因子-2Dk，其中D为参考面与测试面之间的距离，k＝2π/λ为波矢。
对于所述的空间分光同轴斐索型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4所示，以四个点光源的中心为坐标原点，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、2dDk/f3 2x、2dDk/f3 2y、2dDk/f3 2(x+y)，采用随机移相算法重构相位。特别的，当(x,y)满足y＝2x＝πf3 2/2Dk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。
使用上述空间分光同轴斐索型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)按斐索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9与参考面8之间的距离约为πf3 2/4xk，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9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，本发明空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，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。

Claims (10)

1.一种空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，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(10)，由点光源(1)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(10)在一个CCD(14)上同时获取四幅相移干涉图，其中：
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(10)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所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于，所述分光组件(2)包括顺次共光轴设置的会聚物镜(3)、棋盘光栅(4)和第一孔径光阑(5)，所述第一孔径光阑(5)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通过调整棋盘光栅(4)与第一孔径光阑(5)之间的距离lg来确定：
d＝2λlg/Λ
其中，λ为入射光波长，Λ为棋盘光栅(4)的光栅周期。
3.根据权利要求1所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于，所述主干涉仪包括顺次共光轴设置的分光膜(6)、准直物镜(7)、参考面(8)和测试面(9)，由点光源(1)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准直物镜(7)扩束后顺序通过参考面(8)和测试面(9)，其中每束光分别被参考面(8)和测试面(9)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(6)反射进入分光成像组件(10)。
4.根据权利要求1所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于，所述分光成像组件(10)包括顺次共光轴设置的第二孔径光阑(11)、透镜阵列(12)、成像物镜(13)、CCD(14)，所述透镜阵列(12)紧贴第二孔径光阑(11)，且二者位于主干涉仪所产生的参考光和测试光的焦面；
第二孔径光阑(11)滤出经参考面与测试面反射回来的四组参考光与测试光，并且滤除干扰光，该四组参考光与测试光分别经过透镜阵列(12)中各个透镜的物方主点，成像物镜(13)将经过透镜阵列(12)的四组参考光与测试光准直成平行光，该平行光在CCD(14)的靶面上形成四个分开的光斑。
5.根据权利要求4所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于，所述透镜阵列(12)为2×2负透镜阵列，每个负透镜的焦距f1满足f1＝-dF#，其中d为相邻发散球面波的横向错位距离，F#为主干涉仪中准直物镜(7)的F数。
6.根据权利要求5所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于，所述成像物镜(13)的前焦面与透镜阵列(12)的像方主面重合，成像物镜(13)的焦距f2满足f2≤LF#/2，其中L为CCD(14)靶面的宽度。
7.根据权利要求6所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪，其特征在于，所述CCD(14)的靶面与主干涉仪中测试面(9)共轭，CCD(14)的靶面与成像物镜(13)像方主面之间的距离l为
8.一种基于权利要求1所述空间分光同轴斐索型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面与参考面之间的距离D为或者得到相移量依次递增π/2的四幅干涉图，其中f3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。
9.根据权利要求8所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪的测量方法，其特征在于，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/f3)2
其中，D为参考面与测试面之间的距离，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，f3为主干涉仪中准直物镜的焦距。
10.根据权利要求8所述的空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪的测量方法，其特征在于，步骤3所述移相算法为随机移相算法或者四步移相算法。
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