一种同步移相干涉测量系统的误差研究

　　1　引　言

　　目前在移相干涉测量领域中,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,测试光程比较长,被测件和干涉仪不能放在同一个防震台上, 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,实现在某些特殊情况下的光学测试,是光学干涉测试领域的重要研究课题之一 [1~5]。

　　在移相干涉测量的抗振技术中,同步移相干涉测量技术由于同时在不同的空间位置上采集三幅以上的具有固定移相间隔(一般为90°)的移相干涉图, 有效地避免了移相干涉测量过程中环境振动的影响,因此渐渐成为该课题研究的主要方向[6],如4D公司的系列掩模动态干涉仪[7]和SDI公司的In- telliumTMH2000 Fizeau型同步移相干涉仪[8]等。但由于同步移相干涉仪的结构同数字波面移相干涉仪不同,因此带来了额外的误差源,如同步移相干涉图之间的空间位置 匹配误差、干涉图的光强匹配误差等[9]。同时由于元件性能不理想以及调整不善所带来的误差,仍然是制约同步移相干涉测量精度进一步提高的因素。因此,研 究和确定同步移相干涉误差的来源及其作用机理,寻找抑制或消除各种误差的方法和途径,具有非常重要的理论和应用价值。

　　本文根据偏振光琼斯理论,讨论了基于二维光栅分光的同步移相干涉仪的各种元件性能误差和调整误差,研究了上述误差对干涉仪测量精度的影响,并提出了相应的解决措施。

　　2　基于二维光栅分光的同步移相干涉仪的结构和原理

　　如图1所示,基于二维光栅分光的同步移相干涉测量系统[10]由He-Ne激光器、1/2波片(G1)、扩束系统、偏振分光棱镜PBS、三个1 /4波片(G2~G4)、标准参考面、二维正交全息光栅、透镜组、空间滤波光阑、偏振片组P1~P4以及CCD摄像机组成。系统要求三个λ/4波片的快轴 方向全部为与水平X轴方向成45°夹角。

　　根据偏振移相的干涉测量原理,可以得到探测器上四组干涉图的空间对应点(x,y)的光强分别为I1(x,y),I2(x,y),I3(x,y)和I4(x,y),由四步移相算法得到的被测波面在点(x,y)的被测相位为(省略常数项π/2):

　　3　同步移相干涉仪的误差分析

　　在由式(1)表示的测量结果中,假设所有的元件质量和调整位置是理想的,包括三个1/4波片G2~G4的相位延迟均为90°、G2~G4的快轴 方向与水平方向均成45°、偏振分光棱镜PBS对s光全反射、对p光全透射、偏振片组中四个偏振片P1~P4的透振方向依次相差45°、在对干涉图进行空 间一致性分割时完全不存在位置匹配误差等。事实上述所有因素都有可能存在误差。因此有必要对图1中的实验系统进行误差分析和研究,这样可以了解哪些器件的 精确调整是提高精度的必要保证,对那些影响结果比较大的器件选择比较精密的元件,对关键的调整步骤采用更精密的调整方法。