本發明屬于光干涉測量儀器技術領域，特別是一種泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀及其測量方法。

背景技術：

泰曼型干涉儀采用被測光束與參考光束的分光路設計，與斐索型共光路干涉儀相比，泰曼型干涉儀的結構簡單。目前，泰曼型同步移相干涉儀的主要是采用偏振干涉技術，相比于時間移相干涉測試技術，它能夠在同一時間、不同空間位置獲得多幅移相干涉圖，有效地抑制了振動、空氣擾動等時變因素的影響。泰曼型同步移相干涉儀的基本結構是通過前置輔助組件產生兩束偏振態正交的光，經偏振分光棱鏡分別引入到參考臂和測試臂，在參考臂和測試臂放置相位延遲片，改變原路返回后參考光和測試光的偏振態，經偏振分光棱鏡出射的兩束正交偏振光無法形成干涉場，需在后續光路中通過輔助組件，產生多幅偏振移相干涉圖。然而其偏振移相采集模塊的制作相對困難且成本高，且結構復雜，從而導致儀器成本高。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種精度高、成本低、方便實用、可小型化的泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀及其測量方法。

實現本發明目的技術解決方案為：一種泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀，其特征在于，包括：點光源及其分光組件、主干涉儀和分光成像組件，由點光源發出的球面波經分光組件分成四束后進入主干涉儀，最后通過分光成像組件在一個CCD上同時獲取四幅相移干涉圖，其中：

所述點光源及其分光組件用于產生四個復振幅相同但空間位置不同的發散球面波；

所述主干涉儀為泰曼型干涉儀，使從參考面反射回的參考光和測試面反射回的測試光形成干涉場；

所述分光成像組件用于將四個光源分別經參考面與測試面反射產生的干涉場在CCD靶面上分開，并且使得CCD靶面與測試面共軛。

進一步地，所述分光組件包括順次共光軸設置的第一準直物鏡、棋盤光柵、第一會聚物鏡和孔徑光闌，所述孔徑光闌濾出棋盤光柵的(±1，±1)級四束衍射光，并且濾除其它級次衍射光，所得的四束衍射光復振幅相同，并且分別位于正方形的四個頂點，該正方形位于第一會聚物鏡的焦面，但中心不在主干涉儀的光軸上，該正方形的邊長d即相鄰發散球面波的橫向錯位距離，d由棋盤光柵與第一會聚物鏡確定：

d＝2f₁λ/Λ

其中，f₁為第一會聚物鏡的焦距，λ為入射光波長，Λ為棋盤光柵的光柵周期。

進一步地，所述主干涉儀包括共光軸設置的第二準直物鏡、分光棱鏡、參考面和測試面，由點光源發出的球面波經分光組件分成四束后進入主干涉儀，進入主干涉儀的四束光分別由第二準直物鏡擴束，經分光棱鏡后，分別通過參考面和測試面，其中每束光分別被參考面和測試面反射形成參考光和測試光，參考光和測試光沿原路返回并分別經分光棱鏡透射和反射，進入分光成像組件。

進一步地，所述分光成像組件包括順次共光軸設置的第二會聚物鏡、透鏡陣列、成像物鏡、CCD，所述透鏡陣列位于第二會聚物鏡的焦面；

經參考面與測試面反射回來的四組參考光與測試光，分別經過透鏡陣列中各個透鏡的物方主點，成像物鏡將經過透鏡陣列的四組參考光與測試光準直成平行光，該平行光在CCD的靶面上形成四個分開的光斑。

進一步地，所述透鏡陣列為2×2負透鏡陣列，每個負透鏡的焦距f₂滿足f₂＝-dF_#，其中d為相鄰發散球面波的橫向錯位距離，F_#為主干涉儀中第二準直物鏡的F數。

進一步地，所述成像物鏡的前焦面與透鏡陣列的像方主面重合，成像物鏡的焦距f₃滿足f₃≤LF_#/2，其中L為CCD靶面的寬度。

進一步地，所述CCD的靶面與主干涉儀中測試面共軛，CCD的靶面與成像物鏡像方主面之間的距離l為

一種基于權利要求1所述泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，點光源通過分光組件產生四個復振幅相同但空間位置不同的發散球面波，該四個發散球面波分別位于正方形的四個頂點，該正方形的中心不在主干涉儀的光軸上，將被測件置于主干涉儀中作為測試面，調整測試面使測試光與參考光的光程，使得CCD上同時獲取四幅相移干涉圖；

步驟2，令x、y分別為所述正方形中心與主干涉儀光軸之間距離在水平、豎直方向上的投影長度，且滿足或者調節測試臂與參考臂長的差值D為或者得到相移量依次遞增π/2的四幅干涉圖，其中f₄為主干涉儀中準直物鏡的焦距，k＝2π/λ為波矢，λ為入射光波長；

步驟3，從一幀CCD圖像上提取出四幅干涉圖，通過移相算法對四幅干涉圖進行處理，恢復出測試面的面形或波像差。

進一步地，步驟1所述CCD上同時獲取四幅相移干涉圖，忽略常數相移因子-2Dk，每幅干涉圖的相移量δ(r)滿足：

δ(r)＝Dk(r/f₄)²

其中，D為參考臂與測試臂長的差值，k＝2π/λ為波矢，為發散球面波到主干涉儀光軸之間的錯位距離，f₄為主干涉儀中準直物鏡的焦距。

進一步地，步驟3所述移相算法為隨機移相算法或者四步移相算法。

本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：(1)可實現泰曼同步移相干涉測量；(2)僅用一個普通點光源即可實現移相，成本較低；(3)無需其它偏振元件，結構緊湊；(4)測試過程簡單，調整方便，對環境的要求較低，使測試更容易實現。

附圖說明

圖1是本發明泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀的結構示意圖。

圖2是本發明泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀用于測量球面鏡的結構示意圖。

圖3是點光源存在橫向偏移導致準直光產生傾斜的光路示意圖。

圖4是傾斜光入射在干涉光場間引入相移的示意圖。

圖5是四個點光源與準直物鏡焦點的相對位置示意圖。

圖中：1、點光源；2、分光組件；3、第一準直物鏡；4、棋盤光柵；5、第一會聚物鏡；6、孔徑光闌；7、第二準直物鏡；8、分光棱鏡；9、參考面；10、測試面；11、分光成像組件；12、第二會聚物鏡；13、透鏡陣列；14、成像物鏡；15、CCD。

具體實施方式

結合圖1，本發明泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀，其特征在于，包括：點光源1及其分光組件2、主干涉儀和分光成像組件11，由點光源1發出的球面波經分光組件2分成四束后進入主干涉儀，最后通過分光成像組件11在一個CCD上同時獲取四幅相移干涉圖，其中：

(1)所述點光源1及其分光組件2用于產生四個復振幅相同但空間位置不同的發散球面波；

所述分光組件2包括順次共光軸設置的第一準直物鏡3、棋盤光柵4、第一會聚物鏡5和孔徑光闌6，所述孔徑光闌6濾出棋盤光柵4的(±1，±1)級四束衍射光，并且濾除其它級次衍射光，所得的四束衍射光復振幅相同，并且分別位于正方形的四個頂點，該正方形位于第一會聚物鏡5的焦面，但該正方形的中心不在主干涉儀的光軸上，該正方形的邊長d即相鄰發散球面波的橫向錯位距離，d由棋盤光柵4與第一會聚物鏡5確定：

d＝2f₁λ/Λ

其中，f₁為第一會聚物鏡5的焦距，λ為入射光波長，Λ為棋盤光柵4的光柵周期。

(2)所述主干涉儀為泰曼型干涉儀，使從參考面反射回的參考光和測試面反射回的測試光形成干涉場；

所述主干涉儀包括共光軸設置的第二準直物鏡7、分光棱鏡8、參考面9和測試面10，由點光源1發出的球面波經分光組件2分成四束后進入主干涉儀，進入主干涉儀的四束光分別由第二準直物鏡7擴束，經分光棱鏡8后，分別通過參考面9和測試面10，其中每束光分別被參考面9和測試面10反射形成參考光和測試光，參考光和測試光沿原路返回并分別經分光棱鏡8透射和反射，進入分光成像組件11。

(3)所述分光成像組件11用于將四個光源分別經參考面與測試面反射產生的干涉場在CCD靶面上分開，并且使得CCD靶面與測試面共軛。

所述分光成像組件包括順次共光軸設置的第二會聚物鏡12、透鏡陣列13、成像物鏡14、CCD15，所述透鏡陣列13位于第二會聚物鏡12的焦面；經參考面與測試面反射回來的四組參考光與測試光，分別經過透鏡陣列13中各個透鏡的物方主點，成像物鏡14將經過透鏡陣列13的四組參考光與測試光準直成平行光，該平行光在CCD15的靶面上形成四個分開的光斑。

所述透鏡陣列13為2×2負透鏡陣列，每個負透鏡的焦距f₂滿足f₂＝-dF_#，其中d為相鄰發散球面波的橫向錯位距離，F_#為主干涉儀中第二準直物鏡7的F數。

所述成像物鏡14的前焦面與透鏡陣列13的像方主面重合，成像物鏡14的焦距f₃滿足f₃≤LF_#/2，其中L為CCD15靶面的寬度。

所述CCD15的靶面與主干涉儀中測試面10共軛，CCD15的靶面與成像物鏡14像方主面之間的距離l為

本發明基于泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀的測量方法，包括以下步驟：

步驟1，點光源通過分光組件產生四個復振幅相同但空間位置不同的發散球面波，該四個發散球面波分別位于正方形的四個頂點，該正方形的中心不在主干涉儀的光軸上，將被測件置于主干涉儀中作為測試面，調整測試面使測試光與參考光的光程大致相等，使得CCD上同時獲取四幅相移干涉圖；所述CCD上同時獲取四幅相移干涉圖，忽略常數相移因子-2Dk，每幅干涉圖的相移量δ(r)滿足：

δ(r)＝Dk(r/f₄)²

其中，D為參考臂與測試臂長的差值，k＝2π/λ為波矢，為發散球面波到主干涉儀光軸之間的錯位距離，f₄為主干涉儀中準直物鏡的焦距。

步驟2，令x、y分別為所述正方形中心與主干涉儀光軸之間距離在水平、豎直方向上的投影長度，且滿足或者調節測試臂與參考臂長的差值D為或者得到相移量依次遞增π/2的四幅干涉圖，其中f₄為準直物鏡的焦距，k＝2π/λ為波矢，λ為入射光波長；

步驟3，從一幀CCD圖像上提取出四幅干涉圖，通過移相算法對四幅干涉圖進行處理，恢復出測試面的面形或波像差；所述移相算法為隨機移相算法或者四步移相算法。

實施例1

本發明泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀光路結構如圖1所示，包括了，

1)點光源1及其分光組件2用于產生四個復振幅相同但空間位置不同的發散球面波。分光組件包括第一準直物鏡3、棋盤光柵4、第一會聚物鏡5、孔徑光闌6。點光源1經過第一準直物鏡3與棋盤光柵4后產生多個衍射級次，經會聚物鏡5會聚后，孔徑光闌6濾出棋盤光柵4的(±1，±1)級四支光，并且濾除其它級次衍射光。這四個點光源分別位于正方形的四個頂點，且其所構成的正方形的中心不在主干涉儀的光軸上。正方形的邊長d由棋盤光柵與會聚物鏡確定。滿足d＝2f₁λ/Λ，其中f₁為第一會聚物鏡的焦距，λ為入射光波長，Λ為棋盤光柵的光柵周期。

2)主干涉儀，所述主干涉儀為泰曼型干涉儀，使分別從參考面和測試面反射回的兩束光波形成干涉場，所述主干涉儀包括第二準直物鏡7、分光棱鏡8、參考面9和測試面10，進入主干涉儀的四束光分別由第二準直物鏡7擴束，經分光棱鏡8后，分別通過參考面9和測試面10，其中每束光分別被參考面9和測試面10反射沿各自原光路返回并分別經分光棱鏡8透射和反射，進入分光成像組件11。

3)分光成像組件11，用于將四個光源分別經參考面9與測試面10反射產生的干涉場在CCD15靶面上分開，并且使得CCD15靶面與測試面10共軛。分光成像組件11包括第二會聚物鏡12、透鏡陣列13、成像物鏡14、CCD15。經參考面9與測試面10反射回來的四組參考光與測試光，分別經過透鏡陣列13中各個透鏡的物方主點。透鏡陣列13為2×2負透鏡陣列，其每一個透鏡的作用相當于場鏡。焦距f₂滿足f₂≈-dF_#。其中F_#為第二準直物鏡7的F數。成像物鏡14用于將經過透鏡陣列13的四組參考光與測試光準直成平行光，并且使得在CCD15靶面上的四組光斑是分開的。成像物鏡14的前焦面與透鏡陣列13的像方主面重合。成像物鏡14的焦距滿足f₃≤LF_#/2，其中L為CCD15靶面的寬度。CCD15的靶面與測試面10共軛，與成像物鏡14像方主面之間的距離近似為

所述泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀原理如下：

如圖3所示，當位于第二準直物鏡7前焦面的四個點光源與其焦點存在一個橫向錯位距離r時，經過第二準直物鏡7后的光束與光軸存在一個角度θ＝r/f₄，其中f₄為第二準直物鏡7的焦距。從而在被參考面9與測試面10反射所產生的干涉場中引入一個常數相移量。如圖4所示，根據幾何光學性質其相移量為δ(r)＝k(AD-AB-BC)＝-2Dcosθ，由于θ很小，在小角度近似可以得到δ(r)＝Dk(r/f₄)²，這里忽略了一個常數相移因子-2Dk，其中D為參考臂與測試臂長的差值，k＝2π/λ為波矢。

對于所述的泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀而言，點光源1通過分光組件2產生四個復振幅相同的點光源，如圖5所示，以四個點光源的中心為坐標原點，第二準直物鏡7的前焦點的坐標為(x,y)，不失一般性，我們假設0＜x≤y，此時每個點光源對應干涉圖的相移量與其最小相移量之間差值從小到大依次為：0、采用隨機移相算法重構相位。特別的，當(x,y)滿足時，每幅干涉圖的相移量與其最小相移量之間差值從小到大依次為0、π/2、π、3π/2，采用四步移相算法重構相位。

使用上述泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀測量的步驟為：

1)打開點光源1并待其穩定；

2)按泰曼干涉儀光路放置被測件，打開計算機及干涉圖數據處理軟件，調出實時采集到的干涉條紋；

3)調節測試面10與參考面9相對分光棱鏡的的距離差約為使得四幅干涉圖之間從小到大依次產生約π/2相移量；

4)調整測試面10的位置和傾斜狀態，使視場內條紋最少；

5)選取四幅干涉圖的中心，在一幀CCD圖像上提取出四幅干涉圖；

6)通過隨機移相算法或者四步移相算法，對四幅干涉圖進行計算，恢復出測試面面形或波像差。

實施例2

本發明泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀用于測量球面鏡光路結構如圖2所示，包括了，

1)點光源1及其分光組件2用于產生四個復振幅相同但空間位置不同的發散球面波。分光組件包括第一準直物鏡3、棋盤光柵4、第一會聚物鏡5、孔徑光闌6。點光源1經過第一準直物鏡3與棋盤光柵4后產生多個衍射級次，經第一會聚物鏡5會聚后，孔徑光闌6濾出棋盤光柵4的(±1，±1)級四支光，并且濾除其它級次衍射光。這四個點光源分別位于正方形的四個頂點，且其所構成的正方形的中心不在主干涉儀的光軸上。正方形的邊長d由棋盤光柵與會聚物鏡確定。滿足d＝2f₁λ/Λ，其中f₁為第一會聚物鏡的焦距，λ為入射光波長，Λ為棋盤光柵的光柵周期。

2)主干涉儀，所述主干涉儀為泰曼型干涉儀，使分別從參考面和測試面反射回的兩束光波形成干涉場，所述主干涉儀包括第二準直物鏡7、分光棱鏡8、參考面9和測試組件16，測試組件16包括顯微物鏡17和待測球面鏡18。進入主干涉儀的四束光分別由第二準直物鏡7擴束，經分光棱鏡8后，通過參考面9并沿原光路返回的光作為參考光，通過顯微物鏡17會聚于待測球面鏡18的球心，經球面鏡18后沿原光路返回作為測試光，參考光和測試光分別經分光棱鏡8透射和反射，進入分光成像組件11。

3)分光成像組件11，用于將四個光源分別經參考面9與測試面10反射產生的干涉場在CCD15靶面上分開，并且使得CCD15靶面與測試面10共軛。分光成像組件11包括第二會聚物鏡12、透鏡陣列13、成像物鏡14、CCD15。經參考面9與待測球面17反射回來的四組參考光與測試光，分別經過透鏡陣列13中各個透鏡的物方主點。透鏡陣列13為2×2負透鏡陣列，其每一個透鏡的作用相當于場鏡。焦距f₂滿足f₂≈-dF_#。其中F_#為第二準直物鏡7的F數。成像物鏡14用于將經過透鏡陣列13的四組參考光與測試光準直成平行光，并且使得在CCD15靶面上的四組光斑是分開的。成像物鏡14的前焦面與透鏡陣列13的像方主面重合。成像物鏡14的焦距滿足f₃≤LF_#/2，其中L為CCD15靶面的寬度。CCD15的靶面與待測球面17近似共軛，與成像物鏡14像方主面之間的距離近似為

所述泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀用于測量球面鏡的原理如下：

如圖3所示，當位于第二準直物鏡7前焦面的四個點光源與其焦點存在一個橫向錯位距離r時，經過第二準直物鏡7后的光束與光軸存在一個角度θ＝r/f₄，其中f₄為第二準直物鏡7的焦距。從而在被參考面9與測試組件16反射所產生的干涉場中引入一個常數相移量。如圖4所示，根據幾何光學性質其相移量為δ(r)＝k(AD-AB-BC)＝-2Dcosθ，由于θ很小，在小角度近似可以得到δ(r)＝Dk(r/f₄)²，這里忽略了一個常數相移因子-2Dk，其中D為參考臂與測試臂長的差值，k＝2π/λ為波矢。

對于所述的泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀而言，點光源1通過分光組件2產生四個復振幅相同的點光源，如圖5所示，以四個點光源的中心為坐標原點，第二準直物鏡7的前焦點的坐標為(x,y)，不失一般性，我們假設0＜x≤y，此時每個點光源對應干涉圖的相移量與其最小相移量之間差值從小到大依次為：0、采用隨機移相算法重構相位。特別的，當(x,y)滿足時，每幅干涉圖的相移量與其最小相移量之間差值從小到大依次為0、π/2、π、3π/2，采用四步移相算法重構相位。

使用上述泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀測量的步驟為：

1)打開點光源1并待其穩定；

2)按泰曼干涉儀光路放置被測件，打開計算機及干涉圖數據處理軟件，調出實時采集到的干涉條紋；

3)調節待測球面18與參考面9相對分光棱鏡的的距離差約為使得四幅干涉圖之間從小到大依次產生約π/2相移量；

4)調整待測球面18的位置和傾斜狀態，使視場內條紋最少；

5)選取四幅干涉圖的中心，在一幀CCD圖像上提取出四幅干涉圖；

6)通過隨機移相算法或者四步移相算法，對四幅干涉圖進行計算，恢復出測試面面形或波像差。

綜上所述，本發明泰曼型點源陣列異位同步移相干涉儀，利用四個點光源與光軸的橫向偏移在參考光與測試光的干涉場中引入相移，通過一幀圖像恢復相位，實現了動態測量。由于沒有偏振元件以及PZT等移相元件的引入，其成本低，結構緊湊，易于實現小型化。此外，測試過程簡單，調整方便，對環境的要求較低，使測試更容易實現。