[发明专利]基于空间光程差调制的光程差测量方法及其装置

摘要

基于空间光程差调制的光程差测量方法及其装置：⑴.宽带LED透过小圆孔为光源；⑵.经准直透镜成为准直光束；⑶.第一平板分束器耦合激光和白光；⑷.耦合后经第二平板分束器分为完全相同的两束光；⑸.两束光分别经过相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上，以提供高精度光程差控制；⑹.两束光经第三平板分束器合束，同时提供两束光之间的微小倾角；⑺.成像透镜将两束光形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上；⑻.使用算法提取干涉条纹位置；⑼.计算两光束之间的光程差，得到测量结果。本发明对大气湍流不敏感。最大误差0.159微米，小于平均波长。精度满足条纹相干的要求。

主权项

1.一种基于空间光程差调制的光程差测量方法，其特征在于，步骤如下：⑴. 采用宽带LED透过小圆孔作为光源；⑵. 光源发出的光经过准直透镜成为准直光束；⑶. 该准直光束经过第一平板分束器，耦合激光和白光；⑷. 耦合后的激光和白光经过第二平板分束器，被分为完全相同的两束光；⑸. 所述完全相同的两束光分别经过相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上，以提供高精度的光程差控制；⑹. 所述完全相同的两束光经过第三平板分束器合束，同时该第三平板分束器也提供合束之后两束光之间的微小倾角；⑺. 成像透镜将两束光形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上；⑻. 使用算法提取干涉条纹位置；. 使用干涉条纹位置计算两光束之间的光程差，得到测量结果；其中，干涉条纹的表达式推导如下：假设参与合束的两光束为光束1和光束2，二者任一频率的单色光成分在探测器表面的振幅分别为和，其中θ为光束2相对于光束1倾斜的角度，ν=c/λ为任一单色光的频率，λ为相应单色光的波长，c为光速；则两光束合束之后的振幅与光强分别为：  ⑴  ⑵  ⑶  ⑷其中为两束光的相干度，为的辐角；假设两束光强度相同，即，则上述光强的表达式简化为：   ⑸在所用光谱范围内，用平均波长处的值来代替，并假设不存在纵向色散；对上述单色光干涉条纹强度分布在所需波段上积分，得到宽带光干涉条纹强度分布I=dν的表达式：  ⑹其中，，OPD为两光束之间由于大气湍流与机械振动导致的光程差，g（τ）为平移后中心化的光谱的傅里叶变换；从白光干涉条纹强度分布式（6），由于倾角θ在相位表达式中的出现，x方向上不同位置处对应着不同的光程差值，等同于在x空间方向引入了静态的光程差调制；空间光程差调制可以不经动态扫描而得到干涉条纹；从式（6）中看到，如果两光束存在一个不为零的光程差OPD，白光条纹的位置相对于光程差OPD为0时将会有相应平移Δ，二者的对应关系为：OPD=‑Δ∙tanθ；从式（6）中还看到，由于白光干涉条纹的相干包络g为平移后中心化光谱的傅里叶变换，干涉条纹包络的宽度将会反比于光场的光谱宽度；宽带光将会形成一个窄的相干包络；干涉条纹的周期∆p决定于两光束之间的夹角θ：；最后，两束光干涉形成的干涉图需要成像透镜成像到探测器上，以适应探测器的尺寸；空间光程差调制方法得到的干涉图为一个带有平行条纹的圆斑；在垂直于条纹的方向上，不同位置的条纹可见度不同，决定于光场的光谱形状；在探测器上，一个条纹周期对应于两光束之间一个平均波长大小的光程差，并且需要至少四个像素来取样；与此类似，探测器上/个条纹周期对应着整个光程差测量的动态范围，总共需要至少4/个像素来取样整个干涉条纹；这里所指的光程差测量动态范围是指能够以可接受误差测量的两光束之间光程差的范围；探测器上干涉条纹的总长度将是，其中为探测器邻近像素之间的间距；对于空间光程差调制方法来说，得到以下的关系式：  ⑺其中1/N为成像透镜的横向放大率，为垂直于干涉条纹方向上的光束宽度；从公式（5）看出，基于空间光程差调制条纹位置测量方法的灵敏度为tanθ∙N，其意义是条纹在探测器上平移单位距离所对应的两光束之间光程差变化；式（7）显示，灵敏度与夹角正切以及成像透镜横向放大率的倒数成正比，将之前对于系统所做的限制考虑在内，一个条纹周期对应4个探测器像素，得到：   ⑻得到：光程差测量的动态范围与所用光场的平均波长成正比，而与探测器像素之间的间距成反比。