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博士学位论文 动态干涉测试技术与应用研究 摘要 移相干涉术广泛应用于光学元件及系统的高精度检测，但由于需要在不同时间采集 多幅移相干涉图，易受环境振动的干扰。主要研究了一种空间同步移相f i z e a u 型动态干 涉仪，可在瞬间同时采集四幅移相干涉图，从而消除了振动对干涉测量的影响。 运用偏振光干涉原理建立了动态干涉术数理模型，搭建了f i z e a u 型动态干涉仪实验 系统。提出采用电流调制半导体激光器作为短相干光源的方法，利用光源的相干性，配 合一套偏振延迟装置，匹配出一对偏振方向互相正交的参考光和测试光，通过二维正交 光栅实现空间分光，采用透振方向依次相差4 5 。的偏振片组构成移相器，并由一个c c d 瞬间同时采集四幅依次9 0 。相移的干涉图。按照移相干涉术原理，复原出待测波面。 研究了动态干涉仪空间移相器标定方法。利用巴比涅所列尔补偿器标定了同步移 相系统的实际移相量，实验结果表明系统移相误差小于l 。；研究了实验系统的动态测 试性能。通过p z t 在一定频率交变电压下的振动作为人工振源，测量了c c d 在不同曝光 时间下，干涉条纹可见度与被测镜面振动幅频积之间的关系曲线，实验结果显示该系统 在幅频积1 0 0 h z 九以下重复性优于1 6 0 九：实际测量了动态干涉场波面变化的三维分布； 详细分析了动态干涉系统误差，指出偏振片组的方位角误差和干涉图的空间一致性匹配 误差为实验系统的主要误差源。 为了消除平面干涉仪参考面误差的影响，提出了一种基于两平晶的平面绝对检验方 法，推导了两平晶法测量的原理，并实测了两块平晶三个面的绝对面形，结果与z y g o 传统三面互检法测量结果相比对，符合良好。将该方法和动态干涉系统相结合，测量了 平行平板前后表面绝对面形及其折射率均匀性误差。并将该方法拓展应用于6 0 0 m m 大 口径平面干涉仪参考面的标定。 关键词：光学测量，动态干涉，短相干光源，平面绝对检验，两平晶法 博士学位论文动态干涉测试技术与应用研究 a b s t r a c t p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y ( p s i ) i sw i d l yu s e dt ot e s to p t i c a le l e m e n ta n do p t i c a l s y s t e m ；h o w e v e r , p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t e ri se x t r e m e l yv i b r a t i o ns e n s i t i v ea sas e r i e so f i n t e r f e r o g r a m sa l ec a p t u r e da td i f f e r e n tt i m e s as p a t i a lp h a s es h i f t i n gd y n a m i cf i z e a u - t y p e i n t e r f e r o m e t r i cs y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c hc o u l dc a p t u r ef o u rp h a s es h i f t i n g i n t e r f e r o g r a m ss i m u l t a n e o u s l ya n di n s t a n t a n e o u s l y , t h e r e f o r ei n f l u e n c ec a u s e db yv i b r a t i o ni s e l i m i n a t e d t h ea r i t h m e t i cm o d e lo fd y n a m i ci n t e r f e r o m e t r yi sd e d u c e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo f p o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi s b u i l t t h em e t h o do fu s i n ga m o u d u l a t e ds e m i c o n d u c t o rl a s e ra st h el i g h ts o u r c ei sp r o p o s e d c o h e r e n c eo ft h el i g h ts o u r c e i nc o n j u n c t i o nw i t hap o l a r i z a t i o nd e l a y o i n ea r eu s e dt os e p a r a t et h eo r t h o g o n a l l yp o l a r i z e d t e s ta n dr e f e r e n c eb e a mc o m p o n e n t sf o ri n t e r f e r e n c e s p a t i a lp h a s e - s h i f t i n gs y s t e mi sr e a l i z e d b ya2 dg r a t i n ga n dap o l a r i z e rg r o u p ，a n df o u ri n t e r f e r o g r a m s 嘶t hn 2p h a s es h i f tb e t w e e n a d j a c e n to n e sa r ec a p t u r e db yas i n g l ec c d t h ew a v e f r o n ti sr e t r i e v e db yu s i n gt h e4 - b u c k e t a l g o r i t h m t h ec a l i b r a t i o nm e t h o do fs p a t i a lp h a s es h i f t i n gd e v i c ei sr e s e a r c h e d as o l e i l b a b i n e t c o m p e n s a t o ri su s e dt oc a l i b r a t i o nt h ea c t u r a ls h i f t e dp h a s e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep h a s es h i f t i n ge r r o r si sl e s st h a n1 0 ；t h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i cp h a s e t e s t i n gi s r e s e a r c h e d ap z tv i b r a t i o ns o u r c ei sd e s i g n e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n v i s i b i l i t ya n df r e q u e n c yu n d e rd i f f e r e n te x p o s u r et i m ea r em e a s u r e d n l et e s t i n gr e p e a t a b i l i t y o ft h i ss y s t e mi sl e s st h a n l 6 0 九w h i l et h ea m p l i t u d e - f r e q u e n c yp r o d u c to ft h ev i b r a t i o ni s u n d e r10 0 l h z ；d y n a m i cp h a s ev a r i a t i o n sa r et e s t e d ；e r r o ra n a l y s i ss h o w st h a tt h ea z i m u t h a l e r r o ro ft h ep o l a r i z e r sa r r a ya n dt h es p a t i a lc o i n c i d e n c ee r r o ro fi n t e r f e r o g r a m sa r et h em a i n e r r o rs o u r c e s t or e m o v et h ee r r o ro fi n t e r f e r o m e t e rr e f e r e n c ef l a t ，an o v e lm e t h o di s p r e s e n t e dt o a c h i e v et h ea b s o l u t ef l a t n e s sm e a s u r e m e n tb a s e do nt w op l a t e si nt h ef i z e a ui n t e r f e r o m e t e r t h ee q u a t i o n sa r ed e r i v e da n de x p e r i m e n t sa l ec a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti s c o m p a r e dw i t ht h a to fz y g o st h r e e f l a ta p p l i c a t i o n ，a n db o t hc o i n c i d eq u i t ew e l l t h et w o s u r f a c e s f i g u r eo fap a r a l l e lp l a t ea n di t si m h o m o g e n e i t ya r em e a s u r e db yt h ed y n a m i c i n t e r f e r o m e t e rb s e do nt h i sm e t h o d 1 1 1 et w o f l a tm e t h o di st h e ne x t e n d e dt oc a l i b r a t ea 6 0 0 m ma p e r t u r ef i z e a ui n t e r f e r o m e t e r i i i a b s t r a c t 博士学位论文 k e yw o r d s ：o p t i c a lt e s t i n g ，d y n a m i ci n t e r f e r o m e t r y ，l o w - c o h e r e n c es o u r c e ，a b s o l u t e f l a t n e s sm e a s u r e m e n t ，t w o f l a tm e t h o d i v 图表目录博士学位论文 图表目录 图1 1 装有压电晶体的移相干涉仪原理光路图1 图1 2 用七步法得到的振动频率与测量误差的关系1 图1 3 移相式散射板干涉仪原理光路图4 图1 4 随机移相干涉测量法示意图4 图1 5 基于a o m 外差测振自适应主动抗振干涉系统6 图1 6 电光调制移相抗振干涉仪示意图6 图1 7 同步移相干涉仪的光学结构7 图1 8 光栅分光偏振移相光路示意图7 图1 9 泰曼型动态干涉仪光路图8 图1 1o 微偏振移相阵列位相掩模8 图1 1 1 微位相延迟器掩模的c c d 9 图1 1 2e s d i 的f i z e a u 型同步移相干涉仪光路结构示意图1 0 图1 1 3 短相干光源光程匹配法光路简图1 0 图1 1 4 频移匹配法光学系统结构示意图1 1 图2 1 正交偏振光的干涉示意图1 5 图2 2 短相干光源f i z e a u 型动态干涉仪的实验原理图1 6 图2 3 光程匹配示意图1 7 图2 4 分光系统结构图1 9 图2 5 一维光栅结构示意图1 9 图2 6 偏振片组结构图。2 0 图2 7 对比度调制因子和光强比率之间的关系曲线2 4 图2 8 参考面反射率一定，对比度与测试面反射率关系曲线。2 4 图2 9f i z e a u 干涉腔中，多次反射示意图2 5 图2 1 0 干涉腔中不同反射次数光线追迹示意图2 7 图2 1 1 反射引起的相位跃变2 8 图2 1 2 多光束干涉引起条纹对比度下降示意图3 0 图2 1 3 干涉腔倾角变化对条纹对比度影响示意图3 0 图2 1 4 参考光和测试光是正交线偏光时的动态f i z e a u 干涉仪光路简图3l 图2 1 5 参考光和测试光是正交圆偏光时的动态f i z e a u 干涉仪光路简图3 2 图2 1 6 正交线偏振光和圆偏振光两种情况下应力双折射引入的最大面形测量误差3 3 图2 1 7 应力双折射大小与快轴方向分布示意图3 4 i i 博士学位论文动态干涉测试技术与应用研究 图2 1 8 应力双折射对干涉图对比度的影响3 4 图3 1 扩展光源的双缝干涉实验。3 6 图3 2 傅里叶变换光谱仪中的干涉图和相应的光谱密度函数3 9 图3 3 测量l e d 光谱的实验光路图4 0 图3 4 测量l e d 光谱的实验装置图4 0 图3 5c c d 采集得到的干涉图4 0 图3 6l e d 为光源的光程匹配f i z e a u 干涉仪光路示意图4 1 图3 7l e d 为光源的光程匹配f i z e a u 干涉仪实验装置图4 2 图3 8l e d 为光源得到的干涉图4 3 图3 9 待测平行平板前表面面形分布4 3 图3 1 0 多纵模半导体激光器典型光谱分布曲线4 4 图3 1 1 多纵模半导体激光器光谱相干度曲线4 5 图3 1 2 半导体激光器相干性测量实验装置4 5 图3 1 3 电阻为0q 时，对比度与动镜位置之间的关系曲线。4 6 图3 1 4 电阻为0q 时，动镜在8 0 m m 8 3 9 m m 之间的干涉图一4 6 图3 1 5 电阻为1 3 0q 时，对比度与动镜位置之间的关系曲线4 7 图3 1 6 电阻为1 3 0 q 时，动镜在8 0 3 m m 8 4 2 m m 之间的干涉图4 7 图3 1 7 电阻为1 7 0q 时，对比度与动镜位置之间的关系曲线4 8 图3 1 8 电阻为1 7 0 q 时，动镜在8 0 m m 一8 7 8 m m 之间的干涉图。4 8 图3 1 9 激光器中心波长与注入电流之间的关系曲线4 9 图3 2 0 激光器冷却过程中可见度的变化曲线4 9 图3 2 1 半导体激光器冷却过程中的干涉图5 0 图4 1 短相干光源光程匹配动态f i z e a u 干涉仪实验装置图5 1 图4 2 实验采集得到的同步移相干涉图5 2 图4 - 3 实验结果5 2 图4 46 为8 0 0 、8 5 0 、9 0 0 时形成的李萨如图。5 3 图4 56 为9 0 0 、9 5 0 、1 0 0 0 时形成的李萨如图5 3 图4 6 不同调制度之比b 2 b l 对应的李萨如图5 3 图4 7 当两幅干涉条纹的背景光强口发生变化时的李萨如图5 4 图4 8 空间同步移相器性能测量光路简图5 4 图4 9 空间同步移相器性能测量实验装置图5 5 图4 1 0 补偿器测微器移动中的移相干涉图5 6 图4 1 1 空间一致点标定图5 6 i x 图表目录 博士学位论文 图4 1 2 干涉图空间一致点在一个周期内的光强变化曲线5 6 图4 1 3 光强曲线相互之间的李萨如图形5 7 图4 1 4 动态干涉系统抗振性f l 绷, g 量实验装置图5 7 图4 15p z t 电压位移曲线5 8 图4 1 6 不同c c d 曝光时间下，干涉条纹对比度与振动频率之间的关系5 8 图4 1 7 温度场存在时，不同时刻的三维波面图6 0 图4 1 8 波面测量误差与q w p 3 位相延迟误差之间的关系曲线6 4 图4 1 9 波面测量误差与q w p 3 方位角误差之间的关系曲线6 5 图5 1 传统三面互检测量示意图。7 1 图5 2f r i t z 三面互检法示意图7 2 图5 3 奇偶函数法六次相对测量示意图。7 4 图5 4 两平晶法四次测量示意图7 7 图5 5 实验中所用的两块平晶7 9 图5 6 绝对法测量玻璃均匀性示意图8 0 图5 7 绝对法折射率均匀性四次测量波面图。8 1 图5 8 平晶i i 折射率非均匀性引入的波差三维分布。8 1 图5 9 两平晶法四次测量波面图8 2 图5 1 0 两平晶a 、b 、c 三个面三维绝对面形分布。8 3 图5 11z y g o 干涉仪自带三面互检法四次测量步骤示意图8 4 图5 1 2 三个面垂直方向面形误差分布8 4 图5 1 3 大口径平面的绝对检验实验对比8 6 图5 1 4 平行平板折射率均匀性以及面形绝对测量示意图8 7 图5 1 5 六次测量的干涉图和复原的波面图8 9 图5 1 6 平行平板前后表面绝对面形误差以及均匀性误差分布图9 0 表2 1 干涉组合与光程差18 表4 1 巴比涅所列尔补偿器主要参数5 5 表4 2 巴比涅所列尔补偿器标定结果。5 6 表4 3 振幅为0 5 九时测量面形的r m s 与振动频率之间的对应关系5 9 表4 4 六个瞬时波面的p v 和r m s 值6 0 表4 5 动态干涉测量系统误差分析小结6 9 表5 1 四次测量的3 6 项z e m i k e 多项式系数：8 2 表5 2 三个面垂直方向面形测量结果比对8 5 x 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：驻 沙产尼剧尸日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 沙产删户 博士学位论文 动态干涉测试技术与应用研究 1 绪论 1 1 课题背景 光干涉方法始终是检测高精密光学元件和系统最有效的手段之一，随着激光技术、 光电探测技术、精密机械、计算机技术、图像处理技术等技术的进步，近代光干涉测量 技术已得到了长足的发展。1 9 7 4 年b u r n i n g 等人【l 】将通讯理论中的相位探测技术引入到 光学干涉测量技术中，提出了一种高精度的移相干涉术p s i ( p h a s es h i f t i n g i n t e r f e r o m e t r y ) ，它采用了数字波面相位检测技术，实现了高精度、实时快速、多参数、 自动化测试，大大扩展了干涉仪的测量功能，促进了现代光学制造水平的提高。图1 1 为t w y m a n 型移相干涉仪光路的基本原理刚2 】，光源经过扩束准直后，一部分从参考镜 压电晶体 光 试镜 图i i 装有压电晶体的移相干涉仪原理光路图 反射作为参考波面，另一部分从测试镜反射作为测试波面，两波面相干叠加形成明暗相 间的干涉条纹，参考镜上装有压电晶体移相器( p z t ) ，可驱动参考镜产生几分之一波长量 级的光程变化。干涉场的光强分布可以表示为： i ( x ，y ) = l 曙 1 + 7 c o s 矽( x ，少) 一4 ( 1 1 ) 式中，k 为背景光强，) ，为干涉图的对比度，9 化为测试波面和参考波面的位相差分 布，j f 为p z t 引入的可变相位。 以四步移相法为例，通过p z t 推动参考镜产生移相，分别取西为0 0 、9 0 0 、1 8 0 0 、 2 7 0 0 ，则得到四幅干涉图，光强分布为： = k 1 + y c o s 妒( x ，少) 】 = 厶略垂+ 7 c 。s 【伊( x ，夕) 一9 0 。】 = 乞喈矗+ 厂c o s f o ( x ，夕) 1 8 0 。】 = l 略缸+ 厂c o s 【矿( x ，夕) 一2 7 0 。】) ( 1 2 ) 力力力”似“厶厶厶厶 ，i，、tl l 绪论 博士学位论文 求解即可得到： 烈五力= 缸1 1 2 ( 训x , y ) 叫- 1 4 ( 丽x , y ) l ( 1 3 ) 通过式( 1 3 ) 即可由干涉图的光强分布求出待测位相分布，当然，波面相位是通过反 正切函数所求得的，为了消除这种位相跳变，还必须对包裹相位进行解包处理。 移相干涉仪对环境特别敏感，环境振动和空气扰动会严重影响干涉图的采集。通常， 空气扰动可通过给干涉仪加上外罩的办法来消除。较难解决的是环境的振动对干涉仪的 影响。一般地，干涉仪中c c d 相机的采集速度是3 0 帧秒，获取四幅干涉图需要约1 2 0 m s ， 有些干涉仪需要1 3 幅干涉图进行计算，则耗时约4 0 0 m s 。由于移相时间和采集间隔时 间的存在，在这段时间里振动会使得干涉条纹变模糊甚至完全消失；另一方面，振动会 在两相干波面之间引入随机的移相误差，从而导致测量误差甚至测量失败。因此，大多 数干涉测试工作应该在实验室隔振光学平台上进行。但是目前越来越多的场合需要检 测、校准大中型光学元件或光学系统( 如大口径天文望远镜的主镜、长焦距透镜等) ，这 时测试光程比较长，镜片比较大，很难建造巨大的防振台，无法进行实验室条件下的移 相干涉测试。另外，很多光学制造厂家要求能用干涉仪对光学加工件进行在线检测，这 对传统的移相干涉仪使用范围提出了新的挑战。 动态干涉技术已成为光学测量领域前沿课题之一，它使得天文仪器等大型光学系统 的在线测试成为可能，还可以拓展应用于流场、应力场等动态波面的测试。 1 2 动态干涉技术的发展现状 振动对移相干涉测量最直观的影响表现为在波面结果中引入了周期性的波纹误差， 其空间频率为干涉条纹频率的两倍。1 9 9 6 年，p e t e rj d eg r o o t 模拟了振动存在时，移相 干涉测量结果的均方根( r m s ) 误差【3 ，4 1 ，图1 2 给出了七步移相算法的模拟结果。从图 中可以得到如下结论：1 ) 振动引起的测量r m s 误差的峰值出现在振动频率等于采样频 蠢 剁 悠 晕 极 霸 删 露 振动频率采样频率 图1 2 用七步法得到的振动频率与测量误差的关系 率的一半处；2 ) 当振动频率为采样频率的整数倍时，振动引起的r m s 误差为零。由此， 2 博士学位论文动态干涉测试技术与应用研究 为了降低环境振动对移相干涉测量的影响，相对于振动频率，采样频率越大越好。 但高频采样要求探测器必须具有极短的积分时间，而此类探测器的市场价格十分昂贵。 2 0 0 1 年，p d r u i z 等人测量了实验室光学平台所受来自地板的振动1 5 】。通过对振 动速度谱的分析认为，环境振动的能量主要集中在1 0 0 h z 以下的频谱成分中，峰值是在 3 0 h z 。因此，所谓抗振干涉测量技术主要是研究如何降低甚至消除其对1 0 0 h z 以下频 率的振动的敏感度。 为了消除环境振动对干涉测量的影响，国内外一些从事干涉测量的科学家提出了不 同的解决方法。这里主要从干涉图采集、干涉仪光学结构、振动探测与补偿、空间同步 移相等角度对动态干涉技术的发展现状作简要介绍。 1 2 1 基于高速采集的单幅干涉图法 单幅干涉图法是指通过倾斜参考镜，在参考光和测试光之间引入足够的倾斜，倾斜 量必须超过待测样品表面的任何局部误差，以确保没有闭合条纹。对加有载频的干涉图 进行处理，可以算出被测位相偏差，如果加上短曝光技术将可以消除振动的影响。比较 常见的算法有空间载波移相法【6 、f f t 法【8 l 和虚光栅莫尔条纹法【1 2 - 1 4 1 。1 9 9 0 年蔡司公 司在制造3 5 米n t t 望远镜主镜时发展了d i r e c t1 0 0 干涉仪i l5 ，这种干涉仪基于f i z e a u 干涉光路设计，测量时需要在参考光和测试光之间引入足够的倾斜( 满口径约2 0 0 根条 纹) ，然后应用空间载频移相算法复原待测波面。该仪器一直在使用，且精度很高，不 过由于光束倾斜引入了离轴误差，内部所有的光学元件都作了相应的修正，以确保降低 系统误差，加上使用了高等级的玻璃材料的缘故，这种干涉仪造价极高，而且没有真正 商品化。目前商品化的z y g of l a s hp h a s e t m 系列干涉仪【1 6 】通过快速采集单幅载频干涉图 作傅里叶变换，复原出待测波面，它的最短曝光时间可达2 0 1 a s ，有效降低了测量过程中 振动的影响。空间载频干涉测量法的优点是系统中无须任何移相器，只需要一幅干涉图 就可以计算出被测位相分布，如果曝光时间足够短，就可以实现动态测试，缺点是必须 引入足够量的倾斜以确保干涉图中没有封闭条纹产生，因此参考光和测试光不再共光 路，从而引入很大的返径像差( r e t r a c ee r r o r ) ，需要加入光学元件进行校正。其中空间 载频移相法对条纹间隔要求特别高，而且计算复杂。 1 2 2 共光路型式的干涉仪 共光路干涉仪如散射板干涉仪、点衍射干涉仪，在光路结构上就具有对振动不敏感 的优越特性。然而正因它们参考光和测试光的完全共光路特性，很难引入移相。1 9 9 9 年，亚利桑那光学中心m b n o r t h - m o r r i s 等人【1 7 j 9 】发明了双折射散射板，如图1 3 所 示，用化学腐蚀的办法( 如全息制版) 在一块双折射晶体( 方解石) 表面刻上具有非周期性 的反转对称的图案，将此表面与一块玻璃薄片贴合在一起，中间充以折射率匹配油( 折 射率与晶体寻常光的折射率相同) 构成双折射散射板，这样光通过散射板时o 光与晶体 3 博十学位论文 折射宰相同而直接透射，而e 光散射，从而可以通过电光晶体实现移相。2 0 0 4 年，j a m e s e m i l l e e r d 等人发明了偏振点衍射板【2 “，利用平板印刷术将针孔和针孔以外区域做成方 位角正交的金属线栅偏振片，这样任何偏振悫的光，经过点衍射板后就变成了偏振方向 正交的一对线偏振光，从而实现了可同步移相的点衍射干涉仪。2 0 0 6 年，r o b e r t mn e a l 等人i “1 利用传统的点衍射板刻蚀在双折射薄膜上，双折射薄膜相当于半波片，当圆偏振 捌13 移相式散射扳干涉位原理光路幽 光透过时，将变成旋向相反的圆偏振光。这样就可以利用电光晶体在参考光和测试光之 间引入移相。共光路干涉系统具有对环境不敏感的优越特性，且测量时无需参考面。但 是其中散射板和点衍射板加工比较困难，而且它们在测量对象h 都有一定的限制，比如 散射板干涉仪一般用于测量凹球面，而点衍射干涉仪一般只能用来测量透射波前。 1 2 3 随机移相干涉术 美国亚利桑那大学s t e w a r d 天文台为解决超大镜面的检测问题，发展了一种利用振 动产生相移的干涉测量技术9 2 1 。如图14 所示，在振动环境下，用普通干涉仪以2 0 0 帧a ，一 自| ”一- r = 一i j 醭 1 测试键 内存中存龆 l _ 6 ：! ! ! ! ：_ - 地板 的干涉8 圈14 随机移相于涉测量法示意图 博士学位论文动态干涉测试技术与应用研究 的速度记录大量的干涉图，并从中选择部分干涉图( 7 2 帧) 进行分析。利用计算机软件 对每一幅干涉图的灰度和相对位相进行分析，找出具有9 0 0 相位差的多幅干涉图，然后 对这一组干涉图应用标准的移相算法进行计算，从而获得待测表面面形。通常一次测量 需要1 5 分钟到1 个小时之间。德国r a d ud o l o c a 2 3 以及北理工l e it a n g 2 4 j 等人也对此作 了相应的研究。该方法巧妙地利用了环境振动作为移相器，但要求镜面的振动方向必须 与光轴方向一致。 1 2 4 自适应抗振干涉术 自适应抗振干涉术总体思路是探测并补偿环境振动引入的干涉仪两相干光束间光 程差的随机变化。根据对环境振动的检测和补偿器件的不同，可以将自适应抗振技术分 为机械式位相调制法、光波频率调制法、电光晶体调制补偿法。 机械式位相调制法通过探测振动引起的条纹移动或光强变化，然后将振动信号转换 成电信号驱动p z t 进行补偿，其中p z t 既是移相器，又是振动补偿器。1 9 9 5 年a a f r e s c h i l 2 5 提出了基于光学高频相位调制和锁相技术的抗干扰干涉法。当有振动存在时， 被测相位偏离预设相位值，p z t 控制器输出反馈控制信号，调整两相干光束之间的光程 差，使得被测波前相位与预设相位相等，从而锁定了干涉条纹。2 0 0 3 年，南京理工大学 的吴子明、何勇等【2 6 】提出光强一相位法，由单点光电探测器接收到的光强信号，测量干 涉条纹相位并由p z t 实时补偿因振动引起的干涉条纹的相位变化，在视场中得到稳定的 干涉图。该方案对干涉条纹形状没有要求，成本低、易工程化，系统对光源的相干性和 光强稳定性要求较高，在实验中需采用功率稳定的激光管。 光波频率调制法通过声光晶体对光源频率高频调制，实现对环境振动造成的相干波 面之间光程变化的补偿和移相干涉测量。1 9 9 7 年，gc c o l e 等人【2 刀利用声光调制( a o m ) 对光波频率进行高频阶梯调制，在大光程差干涉仪中实现了对振动所造成的光程变化的 自适应补偿。当光程差为3 4 米且处于低频振动环境中时，该系统测量的r m s 值可稳定 在0 0 0 4 2 。2 0 0 0 年，北京理工大学赵伟瑞等人提出的斩波式自适应干涉仪也采用了声光 调制器的抗振系统1 2 8 , 2 9 】，该系统将振动探测光路和移相测量光路分离，从而改善了信噪 比、提高了干涉图样的对比度。2 0 0 5 年，南京理工大学吴栋 3 0 , 3 1 】等基于声光调制特性和 光外差干涉测量技术，提出了激光外差测振法。如图1 5 所示，该系统将声光调制器作 为光学移频器，在移相干涉仪中嵌入外差测振系统，由两只高速光电雪崩管( a p d ) 进行 外差探测，振动反馈补偿信号输出到p z t 上，将相位锁定的预设值上。从而稳定了干涉 条纹。光波频率调制法还有一种就是激光二极管注入电流调制法【3 2 4 1 1 ，激光二极管的发 射光波频率随注入电流的变化而变化，通过对注入电流的调制可以实现对光波频率的调 制。因此在对环境振动进行检测后，可以通过调节二极管的注入电流来改变发射的光波 频率，从而人为改变光程差对振动进行补偿。 5 l 绪论 博士学位论文 成像透镜 c 图1 5 基于a o m 外差测振自适应主动抗振干涉系统 电光调制法( e o m ) 基于电光晶体的电光效应，将振动量进行探测反馈并转化为晶体 的调制电压变化，从而控制晶体出射o 光和e 光之间的相位差发生变化，达到抗振补偿 的目的。典型系统为c z h a o 等人提出的将偏振光干涉仪与电光相位调制、移相结合起 来的抗振系统【4 2 , 4 3 】，如图1 6 所示，其中高频测振系统和低频移相系统都是通过e o m 实现的。与a o m 相比，e o m 响应速度快且可适用于小光程差干涉测量。该系统能够 抑制7 5 幅频积低于2 0 0 h z k 频率不大于2 0 0 h z 的振动，已经用于n a s a 航天中心的 图1 6 电光调制移相抗振干涉仪示意图 大型天文望远镜低温主镜面的测试。这类方法的缺点在于纵向电光调制器虽然结构简 单、工作稳定、不存在自然双折射，但是半波电压非常高，特别是在高频调制时功率损 耗比较大。k d p 类晶体横向电光调制器虽然半波电压低一点，但是却受自然双折射现象 的影响，同时特性还会随着温度的变化而变化。 1 2 5 同步移相干涉术 通常移相干涉仪都是分时采集干涉图，在不同时刻采集的干涉图不可避免的要受到 6 博士学位论文动态干涉测试技术与应用研究 环境振动的影响。若能在同一时刻得到多幅具有恒定步长的干涉图，则可以避免振动对 干涉测量的影响。1 9 9 1 年，美国p h a s es h i f tt e c h n o l o g y 公司的k o l i o p o u l o s 1 提出采用 四个c c d 相机同时获得四幅移相干涉图的干涉仪设计方案，如图1 7 所示，为了保证 图1 7l 司步移相干涉仪的光学结构 q w p ：1 4 波片，h w p ：半波片， p b s ：偏振分光器，b s ：分光镜 四个c c d 空间位置、光电性能等方面一致性的要求，整个系统各元件的加工、装配以及 元器件的筛选就显得特别重要，导致了系统的价格十分昂贵，系统的控制也较为复杂。 近年来，s e n g w o ok i m 4 5 1 、n i l s i v a k u m a r 4 6 1 等人提出了数种采用棱镜分光的方案，简 化了空间移相系统。 2 0 0 0 年，德国h e t t w e r 等人【4 7 】，改进了迈克尔逊干涉仪，将光栅置于望远系统焦点 处，分出0 级和1 级光，然后在1 级衍射光中插入1 4 波片，波片快轴方向分别和p 光和s 光平行，三束光经检偏器后，在同一个c c d 上得到三幅位相差为州2 的移相干涉 图，其光路结构如图1 8 所示。 带有偏振分光棱镜的型 迈克尔逊干涉仪寸_ t1 4 波片 号赫伸豺镜 成像镜 争 光栅 1 4 波片 图1 8 光栅分光偏振移相光路示意图 7 博十学位论文 2 0 0 1 年，jem i l l e r d 发明了一种综合全息分光、位相掩模板、偏振器、c c d 采样 的专利技术 4 8 1 。4 d 公司根据这些关键技术开发的p h a s e c a m 系列泰曼型动态干涉仪， 如图19 所示。系统采用光全息器件( h o e ) 把j f 交偏振的参考光和钡j 试光会台后的光 束分成四柬独立的光束，这四束光分别通过一组有四个双折射位相延迟器构成的位相掩 模板后，每束光中测试光和参考光分别产生0 。、9 0 0 、1 8 0 。和2 7 0 。的附加位相差。再将 ，萼豳 圈19 泰曼型动志干涉仪光路图 一个透射方向与参考光和测试光的偏振方向成4 5 0 的检偏器放置在c c d 摄像机的前面， 这样在c c d 靶面上即可同时接收到四幅移相干涉图。 jem i l l e r d l 4 9 - 5 1 1 等人于2 0 0 4 年改进了位相掩模板，以微偏振移相阵列代替原来的 全息分光位相掩模技术，阵列上的凹个微偏振片阵列构成的移相单元尺寸与c c d 上的每 一像素草元尺寸相匹配，如图11 0 所示。这些移相单元四个为一组，每组的四个偏振单 元透振方向依次相差4 5 。，即对于孩点的干涉条纹分别引进0 。、9 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。的相移。 于是在波面复原的时候，只要将相邻的四个单元按照四步移相算法计算即可，而且该掩 模板可以应用于任意偏振移相干涉仪中实现空间移相动态干涉测量，可以用于扩展光源 或者白光。该系统掩模板的制作成本很高，系统整体价格非常昂贵。 探d 器 社单n 图11 0 微偏振移相阵列位相掩模 同本学者sy o n e y a m a l 5 2 瞎人在测量光学材料内部应力时采用了另一种形式的 博士学位论文动态干涉测试技术与应用研究 微光学器件微位相延迟器阵列。该方案也是将c c d 的4 个像素作为一个测量数据 点，其中每个像素在空间对应一个微位相延迟器，相应的四个微位相延迟器的主轴方向 各不相同，依次分别引入9 0 。位相差，如图1 1 1 所示。微位相延迟器的每一个单元是周 期为3 0 0 n m 、深度为1 0 3 9 m 的微光栅，由电子束刻制而成。 微 微延迟器阵歹u 图1 1 1 微位相延迟器掩模的c c d 国内，2 0 0 1 年中国科技大学钱克矛等1 5 3 , 5 4 】利用一种特殊的龙基光栅和偏振相移技 术，同时获得四幅相移干涉图，应用于马赫一曾德尔干涉系统和散斑干涉系统，分别测 量了液体的折射率变化和固体的离面位移。2 0 0 5 年，北京理工大学y iw a n g 等人1 5 5 j 研 制的同步移相干涉仪，采用偏振分光和波片移相的方法，实现了对晶体生长过程中折射 率的动态测量。上海大学于赢洁等【5 6 1 对同步移相干涉仪的移相误差进行了理论分析。近 年来，南京理工大学左芬等人深入研究了同步移相干涉测量技术，在泰曼型偏振干涉仪 基础上实现了光栅分光同步移相干涉测量1 5 m 训。 基于光的偏振技术的同步移相干涉仪共同点是：使参考光和测试光成为一对正交偏 振光，然后通过分光，并在两束光中引入相移。t w y m a n 干涉仪等分光路干涉仪很容易将 两路光分开，做成偏振干涉仪，而t w y m a n 干涉仪有一个缺点是，除了参考面要加工成 高精度，分光镜等光学件也都要加工成很高的精度，所以很难制成大口径干涉仪。f i z e a u 干涉仪结构简单，只需要参考面加工到高精度，更容易实现大口径干涉仪，然而因其共 光路结构，很难将测试光和参考光分开以实现偏振移相。2 0 0 4 年e s d i 公司的 s z w a y k o w s k ip i o t r 等提出一种f i z e a u 型同步移相专利技术【6 1 , 6 2 】。光源经过渥拉斯顿棱镜 后，产生两束有一定的夹角且偏振方向互相正交的线偏振光，通过倾斜参考镜和测试镜， 使得p 光从参考面反射、s 光从测试面反射后，都通过成像透镜后面的小孔光阑，这样