[发明专利]一种基于同轴干涉的波面测量系统和方法

权利要求书

1.一种基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，包括：马赫曾德双光束干涉光路、同轴干涉记录单元、二维移动平台、激光干涉仪单元及数据处理单元；

待测光学元件设置在所述马赫曾德双光束干涉光路中，所述马赫曾德双光束干涉光路用于产生两束马赫曾德干涉光路，一路作为参考光，另一路作为测量光，其中测量光经过待测光学元件，所述同轴干涉记录单元设置在二维移动平台上，用于将两束马赫曾德干涉光路合路成同轴干涉信号，并记录同轴干涉信号的光强信息，并将光强信息发送至数据处理单元；激光干涉仪单元用于测量二维移动平台的位移，并将测得位移数据发送至数据处理单元，二维移动平台和数据处理单元连接，数据处理单元根据光强信息、位移数据和二维移动平台的运动数据计算待测波面的分布。

2.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，马赫曾德双光束干涉光路包括：激光器，1×2光纤耦合器、单模保偏光纤以及准直透镜；单模保偏光纤和准直透镜的数量均为2；

激光器经1×2光纤耦合器均匀分束并分别进入单模保偏光纤，两束由单模保偏光纤输出的球面波分别经两套对称放置的准直透镜形成相交的平面波，产生马赫曾德干涉光场。

3.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述同轴干涉记录单元包括合束元件、小孔光阑和光探测器，合束元件用于使马赫曾德双光束干涉光路产生的两束光重合，产生同轴干涉光，形成马赫曾德干涉光场，光探测器用于接收通过小孔光阑的马赫曾德干涉光场的光强信息，并将光强信息发送至数据处理单元。

4.根据权利要求3所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述合束元件包括：半透半反镜，光栅或分束棱镜。

5.根据权利要求3所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述光探测器是光电倍增管、CCD阵列或者雪崩二极管。

6.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述二维移动平台的一维运动方向与马赫曾德干涉光场的条纹方向垂直，另外一维运动方向与马赫曾德干涉光场的条纹方向平行。

7.根据权利要求3所述的基于同轴干涉的波面测量系统，其特征在于，所述激光干涉仪单元包括：反射镜和激光干涉仪；

所述反射镜设置在二维移动平台上，所述激光干涉仪出射的激光、反射镜与合束元件位于同一水平面，所述激光干涉仪出射的激光经反射镜反射，所述激光干涉仪和数据处理单元连接。

8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的基于同轴干涉的波面测量系统的测量方法，其特征在于，包括：

S1，无待测元件时利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差；

S2，将待测元件插入所述基于同轴干涉的波面测量系统中，使得测量光束通过待测元件，利用利用所述基于同轴干涉的波面测量系统测量波面差；

S3，将S2和S1所得的测量结果相减，得到待测波面的绝对值。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤S1包括：在未插入待测元件时，激光干涉仪测量得到位移数据Δx(t)，光探测器记录相应的同轴干涉信号的光强信息I(t)，数据处理单元通过位移数据Δx(t)和光强信息I(t)计算得到对应位移变化的第一干涉光强变化曲线；数据处理单元通过第一干涉光强变化曲线计算一段位移距离上的干涉光强变化次数，得到条纹的频率，利用相位差频率公式计算得到初始相位差；

步骤S2包括：将待测光学元件插入测量光束时，激光干涉仪测量得到位移数据Δx’(t)，光探测器记录相应的同轴干涉信号的光强信息I’(t)，数据处理单元通过位移数据Δx’(t)和光强信息I’(t)计算得到对应位移变化的第二干涉光强变化曲线；数据处理单元通过第二干涉光强变化曲线计算一段位移距离上的干涉光强变化次数，得到条纹的频率，利用相位差频率公式计算得到待测相位差。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，在垂直于马赫曾德干涉光场条纹的方向上，马赫曾德双光束干涉形成的强度为：

I＝1+m*cos(2πf₀x+Φ₁(x)-Φ₂(x)) (1)

其中f₀是干涉条纹的基频，m为调制度，当参考光和测量光的强度相等时m为最大值1，参考光和测量光的相位分别为Φ₁和Φ₂，定义干涉条纹的相位：

通过对式(2)求导得到与相位对应的每一个位置上的频率：

在一段扫描位移L上的平均频率为：

其中L表示测量周期时扫描的位移量，通过式(4)得到所述相位差频率公式为：