CN108627254A - 一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变倾角移相马赫‑曾德尔干涉仪测量装置及方法。该装置包括光源变倾角移相组件、主干涉仪和成像组件，光源变倾角移相组件出射倾斜的平行光进入主干涉仪，主干涉仪中的参考光与测试光经分光棱镜重新会合后进入成像组件，在CCD靶面获得干涉图。方法为：首先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；然后调整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；最后采集到系列移相干涉图后，通过移相算法恢复相位。本发明具有成本低、结构紧凑、对比度好、操作简便的特点，可广泛应用于波前高精度检测领域。
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。
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'为其中，lt为补偿板到第一成像透镜物方主面的距离，f1为第一成像透镜的焦距，f2为第二成像透镜的焦距。
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'为其中，lt为补偿板9到第一成像透镜12物方主面的距离。
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'为其中，lt为补偿板9到第一成像透镜12物方主面的距离。
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。
Claims (7)
1.一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，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CCD(14)；
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。
2.根据权利要求1所述的变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述光源变倾角移相组件(1)中第一反射镜(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；设定第一反射镜(4)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。
3.根据权利要求1所述的变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，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)，具体如下：
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)。
4.根据权利要求1、2或3所述的变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，入射到主干涉仪(5)中的光束倾角为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。
5.根据权利要求1、2或3所述的变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，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CCD(14)的靶面宽度。
6.根据权利要求1、2或3所述的变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量装置，其特征在于，所述CCD(14)的靶面与主干涉仪(5)中补偿板(9)共轭，CCD(14)的靶面与第二成像透镜(13)像方主面之间的间距l'为其中，lt为补偿板(9)到第一成像透镜(12)物方主面的距离，f1为第一成像透镜(12)的焦距，f2为第二成像透镜(13)的焦距。
7.一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，光源变倾角移相组件(1)产生与光轴平行的准直光，将补偿板(9)置于主干涉仪(5)中，调整补偿板(9)的位置，在CCD(14)上获得成像清晰的干涉图；
步骤2，调整第一反射镜(4)使折转后的光束倾角发生变化，测试光经过补偿板(9)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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181009 |
|
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