移相器微位移旋转误差的分析及测试

　　0　引言

　　移相干涉术[1]以其优良的测试准确度被广泛用于各种现代干涉仪器中.移相器是干涉仪的主要部件,其结构常用三个压电陶瓷堆均匀分布在一个圆周上以保证驱动要求.由于制作和材料原因以及每个压电陶瓷堆所受力不一致,使得每个压电堆之间的动作不能同步,这样不仅会造成不能等步步进的问题,而且由于实际运用中驱动参考反射镜质量较大,使移相器每一步移相的干涉图条纹发生旋转及条纹数目发生变化,这显然与移相干涉算法的要求不一致,同时也会影响到测量准确度.

　　朱煜等[2]根据干涉条纹移动量的判读来测量压电陶瓷堆微位移量,对采用一个压电陶瓷堆作为微位移驱动器的移相器的非线性校正原理已作过详细探讨;他们还根据傅立叶变换原理,提出过一种对由三个压电陶瓷堆(PZT)组成的干涉仪移相器的非线形和平行性进行校正与标定的方法[3].

　　本文引入一种处理静态干涉图的新方法———虚光栅移相叠栅条纹法,对由三个压电陶瓷堆移相时伸长不一致而引起的条纹旋转误差进行详细分析,用此法处理一幅加有载频的干涉图时,可以实现干涉条纹移相的效果,整个移相过程用计算机进行控制,不需要使用任何移相器件,避免了引入额外的移相误差.另外,虚光栅移相叠栅条纹法是对单幅载频干涉图进行处理的方法,可以进行动态位相的检测.而传统的移相干涉法需要采集多幅干涉图进行处理,不适用于测试动态波面.

　　1　移相器微位移旋转误差理论分析

　　PZT移相器通常是由多片压电陶瓷材料,经叠层工艺制作的压电叠堆微位移器件,移相干涉仪的标准参考镜由机械装置与其端面紧密联结.然而在移相器制作过程中,很难保证每片压电陶瓷在材料特性、几何特性上一致,当移相器加上步进电压时,每片晶片的伸长量和伸长方向在微观形貌上都会有所不同,从整体上就表现为:移相器在伸长的同时其端面法线方向围绕着伸长方向旋转,但移相器的端面并不会绕着伸长方向旋转.图1显示移相器在移相时使波面产生旋转的过程[4].图1上半部分为五步法移相过程,步进相移为π/2,图中没有画出π/2的波面相移(端面的轴向运动),只画出了端面法线方向的旋转.图1下半部分为条纹干涉示意图,图中示出了条纹的平移和旋转.

　　1.1　对移相算法引入误差的理论分析

　　根据移相算法的要求,移相器应该作平移运动,但由于移相器微位移旋转误差的存在,使得实际的移相干涉图与理想情况有所不同,为了方便分析干涉图旋转所带来的误差,图2对旋转过程作了放大处理,并且不引入波像差,干涉条纹呈直线型.图中实线表示某一时刻的干涉条纹(载频条纹),虚线表示相移π/2后的干涉条纹.在光瞳中任取一点A,移相后其相位应和C点的相位相等,但由于干涉图的旋转,其实际测量得到的相位和B点相等,所以干涉图旋转所造成的相位测量误差为B、C两点之间的相位差ξ(不考虑B、C两点的波像差)