同步移相干涉的测量性能

　　1　引　言

　　同步移相干涉测量系统的基本原理是在同一时刻于不同空间位置采集相互之间具有一定移相步长的干涉图[1~7]。由于振动在相同时刻对干涉图的影响是相同的,如果采用高速、高分辨率的图像采集设备,则基于一般的移相算法中相减相除的规则,可以从根本上避免环境振动和空气扰动对测量结果的影响,而这些影响在其他分时采集干涉图的移相干涉测量中难以消除。近年来同步移相干涉光抗振技术的研究发展很快[8],其中典型代表有4D公司的同步移相动态干涉仪[9~11]系列以及ESDI公司的IntelliumTMH2000系列[12]菲索(Fizeau)型同步移相干涉仪等。

　　通常,同步移相干涉测量系统的光路结构必须具有三个或者三个以上的移相单元,在每一个单元中需引入不同的相移值,所以结构一般比较复杂。因此,同步移相干涉测量系统的设计相对于时域移相干涉测量系统的设计差别很大,主要表现在多个移相单元之间的分光问题,即同步移相干涉图之间的光强匹配问题;其次,移相单元的移相精度问题,而移相误差包括两个方面,即移相器的误差和各干涉图之间的空间一致性校准误差所等效成的移相误差,前者可以通过提高移相器件的光学质量及其调整机构的质量来保证,后者是一个CCD同时采集多幅干涉图,因此在运用波面复原算法之前一般需要将干涉图进行空间一致性校准,而校准误差对于整个干涉测量结果的影响可以等效于产生了附加的移相量[5]。本文介绍了一种低成本的、基于二维正交光栅分光的同步移相干涉测量系统,并通过实验研究了系统的分光性能、移相性能及抗振性能。

　　2　同步移相干涉测量系统的组成

　　采用的同步移相干涉测量系统如图1所示,可以分为四个部分:干涉系统、空间分光部件、移相部件以及数据采集和处理部件。

　　2.1　干涉系统

　　该系统中的干涉部分采用偏振移相泰曼-格林干涉仪的型式[13]。图1中从光源发出的线偏振光经过扩束后被偏振分光棱镜(PBS)分为两个部分,其中s光被偏振分光棱镜反射后先后两次通过一个快轴方向与水平成45°的四分之一波片1(QWP1)后,使偏振方向改变了90°,因此由偏振分光棱镜透射;同理p光经偏振分光棱镜透射后也先后两次通过一个快轴方向与水平成45°的四分之一波片2(QWP2),改变了线偏振光的偏振方向,进而被偏振分光棱镜反射。偏振方向相互垂直的参考光与测试光会合后,共同经过一个与其偏振方向均成45°的四分之一波片3(QWP3),合成光为含有被测波差信息的线偏振光。若将该线偏振光通过一个检偏器后,将产生待测干涉图。当转动检偏器改变其方位角时,待测干涉图的光强发生改变,可以等效为干涉条纹的移相,而且相位的变化量为方位角改变量的两倍[14]。因此依次改变检偏器方位角45°三次,就可以得到四幅移相步长为90°的干涉图,这就是偏振移相的干涉测量原理。