泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪及其测量方法技术

发明专利技术公开了一种泰曼型点源阵列异位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、泰曼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。本发明专利技术具有成本低、抗震性好、对比度好、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 array type tyman heterotopic simultaneous phase-shifting

The invention discloses a method of measuring instrument and tyman type array source heterotopic simultaneous phase-shifting interferometry, which belongs to the optical instrument field. The interferometer comprises a point light source and optical component, main interferometer and tyman type optical imaging assembly. Methods: spherical waves emitted by the point light source by splitting component is divided into four beams into the main interferometer, optical components will be copied into a point source four of the same, by adjusting the four point light interferometer in the main surface of the collimation lens focal distance and optical axis, in the reference plane and the test the interference introduced in phase shift is different, and then through the optical imaging component in a CCD and get four amplitude imaging clear phase shift interferometry. The invention has the advantages of low cost, good seismic resistance, good contrast, easy operation, etc., and can be used in the field of real-time and high-precision detection of optical components.

【技术实现步骤摘要】
泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪及其测量方法
本专利技术属于光干涉测量仪器
，特别是一种泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪及其测量方法。
技术介绍
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。实现本专利技术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。本专利技术与现有技术相比，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是本专利技术泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪的结构示意图。图2是本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(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：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(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。

【技术特征摘要】
1.一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(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：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(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。2.根据权利要求1所述的泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪，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。3.根据权利要求1所述的泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪，其特征在于，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)。4.根据权利要求1所述的泰曼型点源阵列异位同步移相干涉仪，其特征在于，所述分光成像组件(11)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)、CCD(15)，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...

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