瞬时相移干涉测量方法的仿真

　　相移干涉测量技术是一种测量波像差的高精度的方法之一,但是环境扰动尤其是振动对相移干涉测量的影响是个不容忽视的难题.关于相移干涉测量中的抗振技术问题一直是国内外研究的热门课题.瞬时相移干涉测量技术因为不需要检测环境振动并进行补偿,而是采用各种技术手段在瞬间采集三幅以上移相步长恒定(一般为90°)的干涉图,使得整个系统结构简单,所以渐渐成为研究的主要方向.Seung-Woo Kim等[1-2]设计了一种空间移相器,保证了4部CCD摄像机的同步采集,但是其4幅干涉图光强一致性仍难以精确控制,给后面的波面复原算法带来一定的难度;J. E. Millerd等[3-6]的基于全息分光、相位掩模动态干涉仪优化了同步相移干涉测量系统的光学结构,对光源的带宽要求低,可以实现白光干涉,且抗振性能好,现已形成4D公司生产的系列干涉仪,但是由于掩膜板的专利技术难度高,使得该系统的成本较高;左芬等[7]提出了采用偏振阵列实现同步移相,有利于降低价格;类似的系统还有ESDI公司生产的IntelliumTMH2000系列菲佐型同步相移干涉仪,仍然具有昂贵的价格.因此,文中提出了一种新的瞬时相移干涉测量方案,对系统测量过程进行了仿真实验,并分析了实验系统中可能引入的误差.

　　1　测量原理

　　采用的瞬时相移干涉系统如图1所示.He-Ne激光器发出的激光经过起偏器和扩束准直系统后进入偏振分束镜(PBS),偏振分束镜将光束分为振动方向相互垂直的两束偏振光,一束被反射另外一束被透射.前者经1/4波片(QWP)后再被参考镜反射后再次经过1/4波片;同理后者也经1/4波片后,通过一个标准镜头再被测试球面镜反射后再次经过1/4波片,两个1/4波片的快轴方向分别与经过它们的线偏振光振动方向成45°,这样两束光分别两次通过一个1/4波片后振动方向都偏转了90°,因而分别经过偏振分束镜后透射和反射后再次会合在一起并垂直投射到一个二维正弦光栅上,经过光栅后可以得到零级和(±1,±1)级的衍射光,在光栅后面的透镜的焦平面上设置一个特制的光阑,仅让(±1,±1)的衍射光通过.让这四束1级衍射光分别对应通过一偏振移相阵列,使参考光与测试光之间产生0°,90°,180°和270°的相移,并形成干涉图案,其干涉图光强分别为I1(x,y),I2(x,y),I3(x,y),I4(x,y),根据四步相移算法可以得到被测波面的相位为

　　按照一定相位解包方法,求得被测面的波面偏差.

　　2　关键器件特性仿真研究

　　本瞬时相移系统的关键部分在于空间衍射分光、空间滤波和偏振移相阵列部分.

　　2.1　二维正弦光栅

　　二维正弦光栅可以看作两块正弦光栅在垂直方向上的重叠,一块尺寸为L×L的二维正弦光栅的透过率函数为