移相器类进动现象对干涉测量的影响

　　1　引　言

　　在移相干涉仪中,一般用压电晶体(PZT)作为微位移驱动器,压电晶体与相应的机械固定和导向装置组成移相器。移相器和它的驱动电源、控制信号源、标准参考镜一起构成了干涉仪的移相系统。干涉仪在测量时,移相系统在计算机的控制下,逐步驱动标准参考镜作等间隔平移,实现移相调制。移相器影响测量精度的因素主要有两个:一是移相器的非线性。根据基本的移相干涉技术算法,要求移相器随步进数成线性位移,但由于移相器自身的特性,它随电压增加而伸长的特性曲线总是有一定的非线性,针对此问题,一般的做法是利用干涉仪及移相系统自身来标定、校正移相器的非线性,这方面已有成熟的方法[1~3]。其二,在实验中通常会发现移相器在动作过程中除了能使干涉条纹平移,也会导致条纹干涉图的旋转,这显然与移相干涉算法的要求不一致,以前的国内外文献均未对这种现象和它的影响进行讨论。本文阐述了这一现象产生的原因———类进动(Sub-processional motion),讨论了类进动给移相干涉典型算法带来的误差,提出了移相过程中干涉图旋转的允许范围。

　　2　移相器的类进动现象

　　压电晶体移相器通常是由多片压电陶瓷材料,经叠层工艺制作的压电叠堆微位移器件,移相干涉仪的标准参考镜由机械装置与其端面紧密联结。然而在移相器制作过程中,很难保证每片压电陶瓷在材料特性、几何特性上的一致,比如压电应变常数、厚度、平行度、同轴性、粘接层、电极焊层等的不一致。当移相器在加上步进电压时,每片晶片的伸长量和伸长方向在微观形貌上都会有所不同,从整体上就表现为:移相器在伸长的同时其参考镜端面法线方向围绕着伸长方向旋转,但移相器的端面并不会绕着伸长方向旋转,作者把移相器的这种运动称为类进动,以区别于运动学上陀螺的旋转进动。图1显示了移相器在移相时使波面产生类进动的过程。图1上半部分为五步法移相过程,步进相移为π/2,图中没有画出π/2的波面相移(端面的轴向运动),只画出了端面法线方向的旋转。图1下半部分为条纹干涉图的示意,图中示出了条纹的平移和旋转。

　　3　类进动对移相算法的影响

　　根据移相算法的要求,移相器应该作平移运动,但由于类进动的存在,使得实际的移相干涉图与理想情况有所不同,为了方便分析干涉图旋转所带来的误差,图2对旋转过程作了放大处理,并且不引入波像差,干涉条纹呈直线型。图中实线表示某一时刻的干涉条纹(载频条纹),虚线表示相移π/2后的干涉条纹。在光瞳中任取一点A,移相后,其相位应该和C点的相位相等,但由于干涉图的旋转,其实际测量得到的相位和B点相等,所以,干涉图旋转所造成的相位测量误差为B,C两点之间的相位差ξ(不考虑B,C两点的波像差)