移相干涉测量中的抗振技术

　　0　引　言

　　随着航空航天事业的发展,大口径的光学系统(如:卫星侦查相机、天文望远镜等)、大口径光学镜面(如:激光核聚变中使用的反射镜、窗口等)需求量不断增加,该类光学元件和系统有着相当高的精度要求,即面型要求达数十分之波长,对其检测提出了很高的要求。干涉测量技术是一种非接触式的高精密测量方法,具有极其广泛的应用范围。20世纪70年代以来,由激光技术、电子学、计算机、精密机械与传统干涉仪的结合产生了移相干涉仪,与传统的光学干涉测试技术相比,移相干涉仪采用了数字波面相位检测技术,对波面的分析精度高(可达波长的百分之一),可以实现自动测量。移相干涉仪的应用大大拓展了测试范围,提高了测试效率,促进了现代光学制造水平的提高。

　　环境扰动尤其振动对干涉测量的影响一直是困扰人们的难题。为了降低振动的影响,除了必须对干涉仪的使用环境提出严格要求,人们甚至耗巨额资金修建大型气垫、减振地基或精密光学减振平台。但是,目前有越来越多的场合需要检测、校准大中型光学件或光学系统,这时测试光程比较长,被测件和干涉仪不能放在同一个防振台上,无法进行实验室条件下的光学干涉测量。因此,如何消除干涉测量中环境振动的影响,实现加工现场或军用校准(如激光武器)等某些特殊情况下的光学测试是当前光学干涉测试领域的主要研究课题之一。

　　1　环境振动对干涉测量的影响

　　环境振动对干涉仪的影响,在于它在两相干波面之间引入了随机的位相变化,主要表现为干涉条纹出现抖动现象,从而造成条纹模糊。对于移相式干涉仪,振动的影响主要表现在测试结果波面中引入了周期性的波纹误差,其空间频率为干涉图中条纹频率的两倍[1]。1996年, deGroot与Deck用计算机模拟了振动存在时,移相干涉测量的均方根(rms)误差[2]。图1给出了模拟的结果。从图中可以看出以下事实[3]:1)振动引起的误差的峰值出现在振动频率等于采样频率的一半处;2)当振动频率为采样频率的整数倍时,振动引起的误差为零;3)当环境振动频率增大时,振动引起的误差下降很快。由此我们知道,为了减小环境振动的影响,相对于振动频率,采样频率必须取的越大越好。但高频采样要求探测器必须具有极短的积分时间,而此类探测器的市场价格非常昂贵,因此很难在一般精度的常规测量中应用推广。

　　2　自适应主动抗振技术的研究

　　主动抗振干涉方法的总体思路是使干涉测量系统具有以下功能:系统自身能够主动探测并补偿由环境振动等因素引起的干涉仪两相干光束间光程差的随机变化,最常见的方法有以下几种。