移相干涉仪环境微扰的外差检测及信号处理

　　引 言

　　移相干涉术是一种时域测量方法，对外界环境的干扰十分敏感，微弱的环境振动会导致干涉条纹的抖动、扭曲、模糊，使得 CCD 在采集干涉图样过程中引入随机相位误差，难以保证λ/20 甚至λ/100 以上的预期测量精度。随着干涉测量应用场合的拓展，尤其是对那些用于车间现场精密测试的干涉仪，除了必要的隔振措施外，应该采取特殊的主动抗振技术[1-3]。在这类技术中，获得振动的相位和幅度是关键，移相功能和振动补偿可以由压电陶瓷型光学移相器完成。通常，在微小振动的测量技术中，激光外差干涉测振是最灵敏的方法，为了便于对外差干涉信号进行处理，可以采用双频激光器或用两只声光调制器来获得频差较小的相干光源[4, 5]，为了简化设计也可以采用一只声光调制(移频)器来获得两种不同频率的相干光。声光移频大多在 40MHz 以上，这时一般需要对外差干涉信号再进行电子外差处理并采用较为复杂的数字相位测量技术[6, 7]。本文以声光调制器作为光学移频器，将激光外差干涉测振技术合成在平面移相干涉仪中，首次采用新型单片幅度与相位测量集成芯片 AD8302 直接对高频激光外差信号(40MHz)进行相位测量，无须进行电子外差预处理和数字式相位测量，在进行平面干涉测量的同时也得到了干涉仪所受环境微扰的振动量。

　　1 实验装置

　　具有微振动测量功能的移相式平面干涉仪实验装置如图1 所示。它的主体是泰曼-格林(Twyman-Green)型平面干涉仪，由图中1-He-Ne 激光器、2，3-反射镜、8-扩束镜11，12-分束镜、9-标准参考镜、23-被测件、16-成象物镜、20-光阑、21-CCD 等器件组成。图中与标准参考镜相连的移相器没有画出。装置中放入声光调制器 4 并调整好方位，入射光通过声光调制器后产生 Bragg 衍射，调节声功率，使得出射的1 级衍射光占总光功率的5%左右，大约占总光功率 75%的零级光通过中央有小孔的反射镜 6 进入干涉仪，经扩束系统 8 后作为干涉仪的准直光源。1 级衍射光经反射镜 6、7 并通过分束镜15 分别作为雪崩管光电探测器 13、22 的外差本振光。在干涉仪的参考臂和测试臂中分别插入分束镜 10、19，这样从标准参考镜9返回的参考光有一部分被分束镜10反射并经过分束镜14上并到达光电探测器13作为外差测量光;同样，从被测件 23 返回的测试光有一部分经分束镜 19 和分束镜18 进入光电探测器 22 作为外差测量光。光电探测器13、22 得到的两路外差干涉信号进入相位比较器17，

　　由此可以得到参考镜与被测件之间相对的光程变化，这一变化正是由环境振动所引起的。声光调制器移频频率为40MHz，于是外差干涉电信号的频率亦为40MHz。