移相式数字波面干涉仪中的几个技术问题

　　1　引　　言

　　在光学加工业中,对波面检测仪器有着大量的需求,用于满足各种用途、各种形状和各种尺寸的光学元件的波面检测要求,其中波面干涉仪是应用最为广泛、测量精度较高的检测仪器。由于光学元件波面检测精度、检测速率、信息存储等方面的要求,当前更加需要的是数字化的检测仪器。国外在这方面的工作起步早、发展快,已推出了大量应用于各种检测范围和用途的数字波面干涉仪,在国内已有较多用户。近年来国内外光学加工业不断发展,对加工元件精度的提高和市场的日益国际化,对高精度的数字波面干涉仪提出了大量的需求,推动了这方面的研制工作的进程,如浙江大学、南京理工大学、长春光机所、上海光机所、上海大学等都在这方面做了大量的工作,向市场推出了具有自主知识产权的仪器,但总的来说离市场的大量需求还有很大差距,特别是需求量很大的在线检测仪器,因此还需在此方面做更多的工作,加快研制和技术转化步伐。

　　本文将介绍以上海光机所生产的PG-15型数字波面干涉仪为硬件基础,采用移相技术研制的数字波面干涉仪,简述其关键技术、解决方法。

　　2　数字波面干涉仪组成及工作原理

　　2.1　数字波面干涉仪组成

　　干涉仪的结构示意如图1所示。测量装置中采用压电陶瓷推动参考镜移动,以CCD摄像系统代替原用于照相的相机。从被测表面和参考镜反射的光束干涉,由CCD接收干涉场强信号。

　　2.2　工作原理

　　通过压电陶瓷伸缩改变参考镜位置,以改变干涉场强信号的附加位相。第k次移相所得到的干涉场强信号为

　　式中:φ(i,j)—被测相位,反映了被测波面。

　　A—背景光强,

　　B—调制度,

　　βk—第k次移相的附加相位。

　　通过改变βk,得到多组方程,采用最小二乘算法,可以计算出φ(i,j)。具体计算步骤如图2示。

　　3　关键技术及解决方法

　　3.1　相位分布计算方法

　　为了求解公式(1)中的相位分布,人们提出了很多算法,以消除探测器非线性误差、量化误差、移相器线性和非线性误差、振动和扰动引入的误差、频率混迭等误差[1]。这些算法能达到预定目的,关键是移相是否准确。为确保移相的准确性,一种方法是依靠硬件保证,另一种方法是通过软件标定出真实移相值。具体采用哪种方法决定于硬件条件。

　　本文的测量装置采用了软件标定的方法,采用迭代过程交替求解位相分布和相移量的最小二乘解[2-3]。所采用的算法不但可以求出实际的移相值,而且在求解中消除了参考镜移动过程中由于移相器或导轨等引入的倾斜误差,因此可以大大降低对移相器和导轨精度的要求。