一种新的自适应移相干涉技术

利用干涉技术可对光学元件的面形误差进行高精度非接触测量.波面位相实时检测技术的精度高达λ/100以上,其中移相干涉法具有高精度、高空间分辨力和实时性强的优点.但也正是由于这种方法的高灵敏度,使其对使用环境和干涉仪系统中的各个环节的要求非常高,其中环境振动的影响尤为突出,振动的随机性直接影响移相步长的准确度和测量精度,严重时将使干涉条纹消失,无法进行观察和数据采集.因此,研究一种对空气扰动及环境振动造成的常数项光程变化不敏感的,适合于一般环境下的,尤其是适合于大光程差条件下工作的自适应干涉系统十分必要.这种系统应能够实时探测出振动造成的光程差的变化量并加以补偿,即系统采用闭环工作方式,使干涉条纹稳定、清晰,同时按要求进行移相干涉测量.

1996年Ichiron Yamaguchi提出的空间滤波器法对干涉条纹间隔有一定要求从而限制了它的应用[1]. 1995年A A freschi提出的基于光学高频位相调制和锁相技术的抗干扰干涉法可将干涉条纹锁定在与任意位相差相对应的位置[2],但其使用的机械式的PZT位相调制技术,使调制频率不易很高,所选择的较小的调制深度,使光电点探测器的信噪比较低. 1997年Glen Charles Cole利用声光调制器(AOM)对大光程差干涉仪实现了对振动所造成的常数项光程变化的自适应补偿[3],但需对一级衍射光强进行实时校正,且调制深度随光程差的减小而降低,仅适用于长光程差的情况,而对光波频率的高频调制使测量光路中的干涉条纹的对比度明显下降.

作者采用对光强进行高频振幅调制并与锁相技术相结合的方法实现了对振动所造成的两相干光束间的常数项光程变化的实时探测和补偿,可使干涉条纹锁定在与任意位相差相对应的位置,从而实现了自适应移相干涉测量.此方法不受光程差大小的限制,而且有高的信噪比.

1　原　理

两相干光束干涉时干涉场中某点的光强可表示为

其中　IT,IR分别为检测光和参考光的光强;Φ(t)为两相干光束间的位相差,由于振动的影响随时间而变.

如对相干光源的光强进行高频方波调制,见图1所示,则交变光强可表示为

式中　ω为调制角频率.

将式(2)展成傅里叶级数

式(1)相应地变为

位于干涉场中的光电点探测器探测此交变光强信号并滤去直流成分后的输出信号为

其中　A为光电转换系数.

将V输入乘法器与参考信号cos(ωt)相乘得

VC经一低通滤波器后得

通过设置电路的偏置点可将式(7)的后一项去掉,使低通滤波器的输出信号为