干涉仪环境振动的外差检测与自适应控制

　　0　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图样的抖动、模糊,使得CCD在采集干涉图样过程中引入随机相位误差,难以保证移相干涉测量的准确.随着干涉测量应用场合的拓展,尤其是对那些非光学防震平台上或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[1,2].在这类技术中,首先应该测出振动的相位和幅度,移相功能和振动的补偿可以由PZT光学移相器完成.在微小振动的测量技术中,激光外差干涉测振通常是最灵敏的方法,为了便于对外差信号进行处理,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[3,4],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40 MHz以上,这时一般需要对外差信号再进行电子外差预处理并采用较为复杂的数字式相位测量技术[5,6].本文将激光外差干涉测振光路嵌入平面移相干涉仪中,采用新型单片RF/IF集成芯片AD8302直接对两路高频模拟外差电信号(40 MHz)进行比相,无须进行电子外差预处理和数字相位测量,在进行平面干涉测量的同时也得到了干涉仪所受环境振动信息.在测得环境振动信息后,运用DSP技术和自适应信号处理的方法,实现了基于PZT移相器的自适应振动控制.

　　1　实验装置

　　具有环境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He-Ne激光器、扩束器、分光镜(BS1、BS7)、标准参考镜(附在PZT移相器前面)、被测件、成象物镜、光阑、CCD等器件组成.通常,被测件与干涉仪主机放置于不同的平台上,这样环境振动将导致参考波前与测试波前之间光程差发生变化.为了实现测出这种光程差的变化,在激光输出的初始路径上放入声光调制器并调整好方位,使入射光通过声光调制器后产生Bragg衍射,调节声功率,使得出射的一阶衍射光占总的光功率的5%左右,大约占总的光功率75%的零阶光通过中央有小孔的反射镜,经扩束准直后作为干涉仪的工作光源.一阶衍射光经反射、分光(BS4)后分别作为两只光电雪崩管(APD1、APD2)的外差本振光.接着在干涉仪的参考臂和测试臂中分别插入两只分光镜(BS2、BS3),这样从标准参考镜返回的参考光有一部分被分光镜(BS2、BS5)反射后作为APD1的外差信号光;同样,从被测件返回的测试光有一部分经分光镜(BS3、BS6)反射后作为APD2的外差信号光.ADP1、APD2输出的两路外差电信号馈入相位比较芯片AD8302,两路外差信号之间相位的变化正是由环境振动引起的,由此就得到了关于环境振动的信息.声光调制器用作光学移频器,移频频率为40 MHz,这样外差电信号的频率亦为40 MHz.将振动信息馈给DSP设备,DSP采用自适应LMS算法对振动信号进行处理后输出反馈信号,反馈信号经PZT驱动器作用到PZT移相器上,推动参考镜以补偿环境振动所引起的光程差变化,从而可得到稳定的干涉条纹图.