干涉仪自适应抗振的空间移相术

　　0　引言

　　移相干涉术(PSI)是一种高精度、非接触式光学测试技术.其主要思想是:按照给定的时序获得彼此间有固定相移的多帧干涉图,通过对这些干涉图的处理可以得到从被测件表面反射的或透过被测件的波前.通常在实时的移相和图象采集过程中,移相干涉仪很容易受到来自外界的干扰,例如周围环境的机械振动、空气的扰动等.目前许多的移相算法一般假定不存在因外界振动而引起的误差,所以移相干涉术的应用大多数局限在实验室条件下进行.但是,现今关于光学平台外的光学测试的需求在不断增长,特别是测量大型的光学元件、生产现场的光学检验以及便携式小型干涉仪的使用等.为了将移相干涉测量用于振动的环境,需要研究针对干涉仪特点的抗振技术.目前,研究得比较多的技术方案有:同步移相干涉术[1]、共光路移相式散射板干涉仪[2]、正弦位相调制激光二极管干涉仪[3,4]等.另外,G. C.

　　Cole和C. Zhao等人[5,6]分别用声光调制器和电光调制器作为主要部件,对光波频率或相位进行高频阶梯调制,实现了干涉条纹位相的探测和移相干涉测量,并将其用作主动补偿元件,对振动所造成的光程变化进行自适应补偿,这种技术已经用于NASA航天中心的大型天文低温镜面的测试.上面的方案大都需要对干涉仪作比较大的改动,系统造价高,一般只应用于专门的测试系统.

　　本文提出了一种基于时域移相概念被称为空间移相术的方法,运用这种方法在Twyman-Green型移相式干涉仪中建立了一套易于实现并且行之有效的自适应抗振系统.系统由四只光电探测器测量振动所引起的干涉图相位的波动,然后通过压电陶瓷堆(PZT)控制两个干涉臂之间的光程差进行反馈,最终可以得到稳定的干涉图样.

　　1　原理

　　移相干涉术的基本过程就是连续采集若干帧干涉图样,相邻两帧干涉图之间有固定的相位增量,这相当于对干涉图中任一给定点的周期性光强波形进行采样.根据采样的光强值,可以算出被测孔径上每个点的相位值,综合所有的相位值就可以进行波面分析.一个常用的条纹干涉图的分析方法是四步移相算法[1],移相常数为π/2.这个算法假定按先后次序采样的四幅干涉图的相移分别0,π/2,π和3π/2,于是可以由下面的公式计算采样点的相位值

　　这里四个光强值I1~I4就是干涉图中某一点按照给定的移相时序的采样值,Ψ是这一点的相位值.

　　四步移相算法的要点:对于被测孔径上任意一点,由一只光电探测器(CCD靶面上的一个单元)在一个光强波形周期内按先后次序均匀地连续采集四次光强值.如果在两个相邻的干涉条纹之间均匀地放置四个光电探测器(PD1…PD4),它们以特殊的空间排列方式采样一个空间周期的光强波形值,这样一次采样就可以得到四个光强值,由这四个光强值也可以算出一个相位值Φ,这个相位值表示了光电探测器所在位置的干涉图的相位,如图1所示.在这种情况下,需要调整干涉条纹的宽度使得四个光电探测器能够均匀地排列在两个相邻的干涉条纹之间,从而保证相邻两个光电探测器之间的光强波形相位间隔是π/2.这四个光电探测器必须有比较好的一致性指标,比如光电变换特性、线性性、幅频特性等.