[发明专利]一种点光源异位式马赫‑曾德尔干涉仪测量装置及方法

说明书

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；