CN107121205A - 一种点光源异位式马赫‑曾德尔干涉仪测量装置及方法 - Google Patents
一种点光源异位式马赫‑曾德尔干涉仪测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种点光源异位式马赫‑曾德尔干涉仪测量装置及方法。该装置包括点光源、分光组件、主干涉仪和分光成像组件。方法为：首先由点光源发出球面波，分光组件将一个点光源复制成四个相同的点光源，然后通过调整四个点光源在主干涉仪的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相应的相移量，最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、对比度好、易于操作的特点，可以用于气流密度变更的测量领域。
Description
技术领域
本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种点光源异位式马赫-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，造成激光器的不稳定噪声，这有利于干涉测量。目前，马赫-曾德尔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。马赫-曾德尔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，在测试臂中放入待测件，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，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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、成本低、方便实用的点光源异位式马赫-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：一种点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，包括顺次设置的点光源、分光组件、主干涉仪和分光成像组件，其中：
所述点光源发出球面波，分光组件将点光源复制成四个相同的点光源，然后通过调整四个点光源在主干涉仪的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相应的相移量，最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。
进一步地，所述分光组件包括共光轴顺次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，并滤除其它级次衍射光，所得的四束衍射光复振幅相同，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，中心不在主干涉仪的光轴上，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，所述主干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪，包括共光轴设置的第二准直物镜、第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、测试件和第二分光棱镜；从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，每束光分别由第二准直物镜扩束，然后被第一分光棱镜分成两路：一路光通过参考臂，即第一反射镜；另一路光通过测试臂，即第二反射镜和测试件；最后两路光再经第二分光棱镜重新会合后，进入分光成像组件；
测试光经测试件后引入光程差的变化为D，调整异位式点光源到主干涉仪光轴之间的错位距离r，相应的移相量为：
其中，D为待测件引入的光程差，n为待测件的折射率，k＝2π/λ为波矢，f4为主干涉仪中准直物镜的焦距。
进一步地，所述分光成像组件包括共光轴顺次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；经参考臂与测试臂后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，然后经成像物镜准直成平行光，在CCD的靶面上形成四个光斑。
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件共轭，CCD的靶面与成像物镜像方主面之间的距离l为
一种点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量方法，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且空间位置不同的发散球面波，四个发散球面波分别位于正方形的四个顶点，且正方形的中心不在主干涉仪的光轴上；将测试件置于主干涉仪中，调整测试件位置，改变测试光与参考光的光程差，在CCD上同时获取四幅相移干涉图；
步骤2，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分别为x、y，调节x、y使其满足或者D为测试件引入的光程差，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，恢复出测试件引入的相位变化。
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：
其中，D为测试件引入的光程差，n为测试件的折射率，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是本发明点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置的结构示意图。
图2是本发明用于测量可压缩气流中折射率变更的结构示意图。
图3是本发明中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是本发明中倾斜光入射在干涉光场间引入相移的示意图。
图5是本发明中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、主干涉仪；8、第二准直物镜；9、第一分光棱镜；10、第一反射镜；11、第二反射镜；12、测试件；13、第二分光棱镜；14、分光成像组件；15、第二会聚物镜；16、透镜阵列；17、成像物镜；18、CCD；19、气流待查室。
具体实施方式
结合图1，本发明点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，包括顺次设置的点光源1、分光组件2、主干涉仪7和分光成像组件14，其中：所述点光源1发出球面波，分光组件2将点光源1复制成四个相同的点光源，然后通过调整四个点光源在主干涉仪7的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相应的相移量，最后通过分光成像组件14在一个CCD上同时获取四幅成像清晰的相移干涉图，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包括共光轴顺次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，并滤除其它级次衍射光，所得的四束衍射光复振幅相同，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，中心不在主干涉仪7的光轴上，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7为马赫-曾德尔干涉仪，使参考光和测试光经第二分光棱镜13会合后形成干涉场；
所述主干涉仪7为马赫-曾德尔干涉仪，包括共光轴设置的第二准直物镜8、第一分光棱镜9、第一反射镜10、第二反射镜11、测试件12和第二分光棱镜13；从点光源1发出的球面波经分光组件2分成四束后进入主干涉仪7，每束光分别由第二准直物镜8扩束，然后被第一分光棱镜9分成两路：一路光通过参考臂，即第一反射镜10；另一路光通过测试臂，即第二反射镜11和测试件12；最后两路光再经第二分光棱镜13重新会合后，进入分光成像组件14；
测试光经测试件后引入光程差的变化为D，调整异位式点光源到主干涉仪光轴之间的错位距离r，相应的移相量为：
其中，D为待测件引入的光程差，n为待测件的折射率，k＝2π/λ为波矢，f4为主干涉仪中准直物镜的焦距。
(3)所述分光成像组件14用于将四个光源分别经参考臂和测试臂后产生的干涉场在CCD18靶面上分开，并且使得CCD18靶面与测试件共轭。
所述分光成像组件14包括共光轴顺次设置的第二会聚物镜15、透镜阵列16、成像物镜17、CCD18；所述透镜阵列16位于第二会聚物镜15的焦面；经参考臂与测试臂后的四组参考光与测试光，分别经过透镜阵列16中各个透镜的物方主点，然后经成像物镜17准直成平行光，在CCD18的靶面上形成四个光斑。
所述透镜阵列16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7中第二准直物镜8的F数。
所述成像物镜17的前焦面与透镜阵列16的像方主面重合，成像物镜17的焦距f3满足f3≤LF#/2，其中L为CCD18靶面的宽度。
所述CCD18的靶面与主干涉仪7中测试件12共轭，CCD18的靶面与成像物镜17像方主面之间的距离l为
本发明基于点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，点光源1通过分光组件2产生四个复振幅相同且空间位置不同的发散球面波，四个发散球面波分别位于正方形的四个顶点，且正方形的中心不在主干涉仪7的光轴上；将测试件12置于主干涉仪7中，调整测试件12位置，改变测试光与参考光的光程差，在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(n-1)kD，每幅干涉图的相移量δ(r)满足：
其中，D为测试件12引入的光程差，n为测试件12的折射率，k＝2π/λ为波矢，为发散球面波到主干涉仪7光轴之间的错位距离，f4为主干涉仪7中准直物镜的焦距。
步骤2，所述正方形中心与主干涉仪7光轴之间距离在水平、竖直方向上的投影长度分别为x、y，调节x、y使其满足或者D为测试件12引入的光程差，n为测试件12的折射率，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，恢复出测试件引入的相位变化，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
本发明点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置用于测量可压缩气流中折射率变更的光路结构如图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7，所述主干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪，使气流待查室19置于干涉仪的测试臂中，使得经过它们形成的参考光和测试光会合后产生干涉场。所述主干涉仪7包括第二准直物镜8、第一分光棱镜9、第一反射镜10、第二反射镜11、气流待查室19和第二分光棱镜13，进入主干涉仪的四束光分别由第二准直物镜8扩束，经第一分光棱镜9后分为两路，一路光为参考光，另一路光通过气流待查室19为测试光，参考光和测试光分别经第二分光棱镜13反射和透射，进入分光成像组件14。
3)分光成像组件14，用于将四个光源分别经参考臂和测试臂后产生的干涉场在CCD18靶面上分开，并且使得CCD18靶面与气流待查室19共轭。分光成像组件14包括第二会聚物镜15、透镜阵列16、成像物镜17、CCD18。四组参考光与测试光分别经过透镜阵列16中各个透镜的物方主点。透镜阵列16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8的F数。成像物镜17用于将经过透镜阵列16的四组参考光与测试光准直成平行光，并且使得在CCD18靶面上的四组光斑是分开的。成像物镜17的前焦面与透镜阵列16的像方主面重合。成像物镜17的焦距满足f3≤LF#/2，其中L为CCD18靶面的宽度。CCD18的靶面与气流待查室19共轭，与成像物镜17像方主面之间的距离近似为l＝f3+f3 2/dF#。
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，当位于第二准直物镜8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8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8的焦距，从而在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＝nAC+CD-AB＝(ncosθ′-cosθ)·D，由于θ和θ′很小，在小角度近似可以得到这里忽略了一个常数相移因子(n-1)kD，其中D为气流待查室19引入的光程差，n为气流待查室19的折射率，k＝2π/λ为波矢。
对于所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置而言，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8的前焦点的坐标为(x,y)，设定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。
使用上述点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量可压缩气流中折射率变更的步骤为：
1)打开点光源1并待其稳定；
2)在马赫-曾德尔干涉仪光路的测试臂中放置气流待查室19，并将气流待查室19抽成真空，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x、y，即四个点光源形成的正方形与主干涉仪光轴之间距离在水平、竖直方向上的投影长度，使得四幅干涉图之间从小到大依次产生约π/2相移量；
4)向气流待查室19中通入待测气体；
5)待干涉图稳定后，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，恢复出流场引起的相位变化。
综上所述，本发明点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置及方法，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)
1.一种点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，包括顺次设置的点光源(1)、分光组件(2)、主干涉仪(7)和分光成像组件(14)，其中：
所述点光源(1)发出球面波，分光组件(2)将点光源(1)复制成四个相同的点光源，然后通过调整四个点光源在主干涉仪(7)的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相应的相移量，最后通过分光成像组件(14)在一个CCD上同时获取四幅成像清晰的相移干涉图。
2.根据权利要求1所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述分光组件(2)包括共光轴顺次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，并滤除其它级次衍射光，所得的四束衍射光复振幅相同，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，中心不在主干涉仪(7)的光轴上，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所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述主干涉仪(7)为马赫-曾德尔干涉仪，包括共光轴设置的第二准直物镜(8)、第一分光棱镜(9)、第一反射镜(10)、第二反射镜(11)、测试件(12)和第二分光棱镜(13)；从点光源(1)发出的球面波经分光组件(2)分成四束后进入主干涉仪(7)，每束光分别由第二准直物镜(8)扩束，然后被第一分光棱镜(9)分成两路：一路光通过参考臂，即第一反射镜(10)；另一路光通过测试臂，即第二反射镜(11)和测试件(12)；最后两路光再经第二分光棱镜(13)重新会合后，进入分光成像组件(14)；
测试光经测试件后引入光程差的变化为D，调整异位式点光源到主干涉仪光轴之间的错位距离r，相应的移相量为：
<mrow>
<mi>&delta;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>r</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mi>D</mi>
<mi>k</mi>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>r</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
其中，D为待测件引入的光程差，n为待测件的折射率，k＝2π/λ为波矢，f4为主干涉仪中准直物镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述分光成像组件(14)包括共光轴顺次设置的第二会聚物镜(15)、透镜阵列(16)、成像物镜(17)、CCD(18)；所述透镜阵列(16)位于第二会聚物镜(15)的焦面；经参考臂与测试臂后的四组参考光与测试光，分别经过透镜阵列(16)中各个透镜的物方主点，然后经成像物镜(17)准直成平行光，在CCD(18)的靶面上形成四个光斑。
5.根据权利要求4所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述透镜阵列(16)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(7)中第二准直物镜(8)的F数。
6.根据权利要求4所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述成像物镜(17)的前焦面与透镜阵列(16)的像方主面重合，成像物镜(17)的焦距f3满足f3≤LF#/2，其中L为CCD(18)靶面的宽度。
7.根据权利要求1所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述CCD(18)的靶面与主干涉仪(7)中测试件(12)共轭，CCD(18)的靶面与成像物镜(17)像方主面之间的距离l为l＝f3+f3 2/dF#。
8.一种点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，点光源(1)通过分光组件(2)产生四个复振幅相同且空间位置不同的发散球面波，四个发散球面波分别位于正方形的四个顶点，且正方形的中心不在主干涉仪(7)的光轴上；将测试件(12)置于主干涉仪(7)中，调整测试件(12)位置，改变测试光与参考光的光程差，在CCD上同时获取四幅相移干涉图；
步骤2，所述正方形中心与主干涉仪(7)光轴之间距离在水平、竖直方向上的投影长度分别为x、y，调节x、y使其满足或者D为补偿件引入的光程差，n为测试件(12)的折射率得到相移量，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，恢复出测试件引入的相位变化。
9.据权利要求8所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量方法，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：
<mrow>
<mi>&delta;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>r</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mi>D</mi>
<mi>k</mi>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>r</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
其中，D为测试件(12)引入的光程差，n为测试件(12)的折射率，k＝2π/λ为波矢，为发散球面波到主干涉仪(7)光轴之间的错位距离，f4为主干涉仪(7)中准直物镜的焦距。
10.根据权利要求8所述的点光源异位式马赫-曾德尔干涉仪测量方法，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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