抗振型移相干涉测量术的进展

　　1　引　言

　　现代移相干涉术融合了光学、机械、电子、计算机等学科的诸多相关领域,是以光波波长为单位的非接触式、高精度、高空间分辨力的光学测试技术,它通过控制参考光波的相位,连续采集若干帧相移相等的干涉图,由移相算法得到被测波面的波像差,主要用于光学元件面形和光学系统成像质量的评价。当前随着光干涉测试应用范围的拓展,尤其是将干涉仪用于现场测试(如长焦距的大型光学元件的检测),由于不可能将被测件和干涉仪放置于同一个隔振良好的光学平台上,那么外界的干扰如地面的振动、气流的扰动等必然导致干涉图样的抖动、扭曲、模糊,使得在移相过程中CCD采集图样时引入随机相位误差,难以保证λ/30甚至λ/100以上的预期测量精度。在轻便式干涉仪中以及其它不能在实验室进行测试的场合也会出现同样的情况。针对这些问题,现介绍几种解决振动对干涉测量影响的技术方案。

　　2　典型的抗振技术

　　可以从移相算法、干涉图采集、光学结构、振动探测与补偿等研究角度对移相式干涉仪的抗振技术进行大致的分类。

　　2.1　自适应移相算法

　　在移相干涉测量中,振动引起的移相及相位测量误差(包括线性误差和高次谐波误差)可以通过算法进行一定程度的修正。文献[1～8]描述了从算法的角度补偿误差的方法,这些方法能够提高移相算法对振动噪声的抑制特性。这些算法有的能对参考光束的移相线性误差进行自校正[1]或对移相误差进行线性近似[2],有的可以对因振动、光强不稳定以及移相不均产生的非线性误差进行补偿[3～5]。Schwider J提出的特征误差函数拟合消去法[6]可以减少至少一个数量级的误差,某些情况下甚至能达到外差式干涉仪的精度范围(<λ/1000)。此外,Han G S等人提出的迭代最小二乘拟合法[7]可以修正移相过程中的非线性和随机性误差,这种算法先假定每次移相的参考相位是未知的,然后通过数值最小二乘法对多幅移相干涉图进行迭代拟合,最后可以精确地分析出实际的移相值。1995年,Kong I B等人也提出了类似的算法[8]。不过,上述这些算法只能对低频微小幅度振动引起的移相误差进行修正,其应用范围有限。

　　2.2　同步移相干涉术

　　常见的移相干涉仪都是分时采集各帧移相干涉图,在不同时刻采集的各帧干涉图不可避免地要受到环境振动的影响。若能在同一时刻采集具有恒定移相步长的各帧干涉图,则可从根本上避免环境振动对移相过程的影响。基于此想法,Phase Shift Technology公司的Koliopoulos于1991年提出采用同步移相干涉术[9]。这是一种从移相干涉图采集的角度提出的抗振技术。