空间移相干涉仪的移相误差分析和测试

　　数字波面移相干涉术具有优良的测试精度,因此被广泛用于各种现代干涉测量中.移相器作为移相干涉仪中的主要部件,其性能的好坏即有关移相误差的问题是影响数字波面移相干涉仪测试精度的重要因素之一.因而在移相干涉测量中需要对移相器进行误差分析和校正.所谓的移相误差,即为在执行移相算法前的4幅干涉图之间的移相量偏离了预先设定的90°,具有一定的偏差.移相误差的大小直接影响着被测波面和参考波面相位差的大小,因此这是数字移相干涉测量中首先需要抑制的误差源之一.在通常的数字波面移相干涉仪中,一般以压电陶瓷堆作为微位移驱动器,来对参考光和测试光之间的相位差进行相位调制,并对多幅移相步长为90°的移相干涉图进行分时采集.关于压电陶瓷堆动作的非线性和校正问题已经有了很多详细地探讨[1-3].因这类干涉仪的测量受到环境振动或者扰动的影响比较明显,因此通常情况下需要进行隔振或者抗振处理,这使得移相干涉仪的应用范围受到一定的限制,很难用来对大口径波面进行现场检测.因此,移相干涉测量的抗振技术的研究一直比较热门[4-7].而其中空间移相干涉术由于同时对空间不同位置上的多幅移相干涉图进行瞬态采集,有效避免了分时采集数据过程中环境振动的影响,因此受到了越来越多的研究人员的关注[8-11].

　　本文对一种基于二维光栅分光的空间移相干涉测量系统的移相性能进行了分析研究,找出产生移相误差的原因,并对由原理方案组成的实验系统进行了实际的移相性能检测.

　　1　干涉仪结构和原理

　　基于二维光栅分光的同步移相干涉测量系统结构如图1所示[12].由干涉系统、分光系统、移相系统以及数据采集系统4个部分组成.其中干涉系统为泰曼式偏振移相干涉仪,分光系统为一个二维正交全息光栅、空间滤波光阑和透镜组,移相系统则为一个有4片小偏振片P1~P4组成的偏振阵列,数据采集系统主要由一个积分时间可调的CCD摄像机以及微型计算机组成.

　　在该原理系统中,干涉系统的出射光为偏振方向相互垂直的参考光和测试光,经过λ/4波片G4后,分别变成左旋和右旋的圆偏光.经过分光系统后,得到了光强一致的4组参考光和测试光的分光单元,每组单元参考光和单元测试光分别对应经过垂直于主光轴放置的移相系统中的一个小偏振片,4个小偏振片的透振方向依次改变了45°.根据偏振移相干涉测量原理,在偏振片组的后面设置的CCD靶面上将形成的4组干涉图,同时它们之间将依次具有90°的移相.在对干涉图进行空间一致性校准后,运用四步移相算法,可以得到被测波面和参考波面之间的包裹相位,经过解包后即可复原出被测波面的实际面形.