抗振型移相干涉仪中PZT移相器的改进

　　1　引　言

　　移相干涉术广泛用于光学表面面形和光学系统成像质量的检测,它主要测量从被测件返回的测试光波和从参考面返回的参考光波之间的波前相位关系。在干涉仪中,由PZT移相器按照一定的时序改变参考光波波前的相位,得到多帧相移恒定的干涉图,通过适当的相位解包算法对干涉图进行分析就可以得到被测波面畸变的等高线图,从而实现高精度的光干涉测量。然而,当测量过程中存在振动干扰时,干涉系统很难保证每帧干涉图采集的准确性,这给测量带来了比较大的误差,干扰严重时甚至无法拍摄到清晰的干涉条纹。特别是在测量较大的光学系统时,如口径很大的天文望远镜的测试[1],由于不可能将干涉仪和被测件放在同一个光学平台上,必须考虑消除环境振动的影响,通常的方法是进行振动的主动补偿。除了可以采用同步移相术[2]、共光路散射板干涉术[3]、声光与电光光学相位调制与振动补偿[1-4]等抗振技术外,目前代价小、易于实现的方案是机电反馈式主动抗振技术[5-6]。在这种技术中,由PZT移相器进行机械式高频光学相位调制,用光电传感器测出振动所引起的光波波前相位的变化,再由PZT移相器对光波波前进行实时校正,从而得到稳定的干涉图样;在振动补偿的同时,系统还能进行移相测量。在这种抗振型干涉系统中,PZT器件除了要实现低速的移相测量,还要进行机械式高频光学相位调制和振动补偿,而传统的干涉仪PZT移相器的结构一般不考虑在高速动作场合的应用。结合移相干涉仪的抗振技术,提出对传统PZT移相器进行改造以适应机电反馈式抗振型移相干涉仪的需要,并对改造后的PZT器件进行了性能测试。

　　2　机电反馈式抗振型移相干涉仪的结构

　　图1是机电反馈式抗振型干涉仪的结构原理图。在干涉仪中PZT构件既用作光学移相器,又是光学相位调制器和振动补偿器。图中直流电平(DC-Level)设置PZT移相器的工作点,调制振荡器(OSC)提供PZT的位相调制信号,对参考光波的波前相位进行机械调制。当系统受到外界振动的影响时,干涉条纹抖动,光电传感器(PD)将这种变化传递给FBSG模块。FBSG是反馈信号发生器,由光电转换电路、A/D、数字信号处理器(DSP)、D/A等功能模块组成。它用于处理光电传感器接收到的光强信号,得到测试光波波前相位变动的情况,并通过一定的算法产生一个与振动大小和方向有关的反馈补偿信号。这个反馈补偿信号输出到PZT控制器内,控制PZT移相器作机械微位移,从而可以将波前稳定在预先设定的相位值上,这样在视场中就可以得到稳定的干涉图样。将相位设定在不同的数值上就可以得到一系列移相干涉图。