移相干涉仪的抗振技术研究进展

　　0　引　言

　　在光学干涉计量中,移相干涉测量技术由于具有精度好,自动化程度高,实用性强,无相位符号二义性等优点而得到广泛地应用。它通过控制参考光束和测试光束之间的光程差,连续采集若干帧具有固定相位差的干涉图,采用一定的相移算法,对干涉图进行处理,就可以得到待测面的相位分布。但是,环境的振动和空气扰动对相移干涉检测的结果及精度会产生很大的影响,主要是:

　　(1)条纹处于不断的抖动状态之中,不能形成稳定的干涉条纹;

　　(2)时间相移的每次相移步长值不等,会造成算法误差。

　　振动严重时,得到的干涉图条纹波动的幅度很大,使测量无法进行。

　　由于振动的影响,很多测量只能是在光学实验室的光学隔振台上进行,严重影响了干涉仪的工业应用。所以,解决干涉仪抗振问题,将是干涉仪走出实验室,进行工业在线检测的关键所在[1—3]。

　　1　主要的移相干涉抗振技术

　　传统的干涉仪抗振方法是采用光学隔振台来隔振。后来,又逐步从干涉仪的光学结构,干涉图的采集,相移算法,振动探测与补偿等角度发展了抗振技术。根据其工作原理,可以将它们分为两大类:被动抗振技术和主动抗振技术[1]。

　　1.1　被动抗振技术

　　采取种种措施,减少振动和气流等环境因素对测量结果的影响,没有振动补偿功能,需要曝光时间短的电荷耦合器件和大功率激光器。通常系统工作在开环状态。

　　被动抗振技术主要包括同步移相干涉技术[4—6],像素化微偏振位相板干涉技术[5,7,8],统计抗振算法[6],快速移相法[9],共光路双折射散射板移相干涉术[10],瞬时相移点衍射干涉术[11]等。

　　1.1.1　同步移相干涉技术(SPSI)

　　传统的移相干涉仪是按照一定的时序获得一系列不同位相差的干涉图。在不同时刻采集的各帧干涉图,必然会受到环境振动的随机性干扰。同步移相干涉仪(SPSI)采用时间同步移相的思想,改变两相干光束之间的时间相移方式为空间相移方式,同一时刻采集四幅具有不同相位差的干涉图,四幅干涉图中两相干光束相移步长相等,同时配合高速CCD在很短的时间内曝光,进行图像采集。这样在同一时间采集的四幅干涉图受到的环境影响相同,从而达到扩大干涉仪应用范围,提高测量精度的目的。

　　美国Phase Shift Technology Inc.公司的ChrisL.Koliopoulos在1991年提出的同步移相干涉仪采用偏振分光技术将测试光路分成四路,利用波片进行移相,然后分别将移相步长为π/2的四幅干涉图同时成像在四个CCD上面,由这四幅干涉图通过传统的相移算法计算出位相分布,得到被测件表面的面形信息[4]。其位相的均方根重复性可高达λ/1000,单次测量精度高于λ/50P-V。此系统要求用一个同步信号源控制四个CCD以保证信号采集的同时性。由于将光路分成了四路,所以需要一个高功率激光器。这种方法虽然克服了随机振动对于时间移相各帧干涉图之间影响不一致问题,但是,由于有四个成像通道,所以又引入了空间不一致的误差源如各通道分光光强,光学元件以及CCD性能等的不一致问题。所以对各个元器件的精度要求很高,导致成本昂贵。四通道采图造成四个CCD的校准十分困难,校准精度必须达到亚像素级,否则将会对测量结果产生较大影响。