Φ300mm大口径平面等厚干涉仪波面数字化技术改造

　　0 引言

　　300 mm 大口径平面等厚干涉仪因其具有测量范围大、灵敏度高的优点，在光学和精密机械制造以及计量行业中发挥着重要的作用。20 世纪 70 年代以来出现的移相干涉测量技术，采用精密的移相器件，综合激光、电子和计算机技术，可实时、快速地测得多幅相位变化后的干涉图，从中处理出被测波面各点的相位分布，能有效消除干涉测量系统中固定的系统误差对测量结果的影响[1]，其优点已逐渐被业内人士所认识。为此，将两者结合，把 300 mm 大口径平面等厚干涉仪改造成了移相式数字平面干涉仪，实现了干涉图像实时采集处理、误差修正及打印输出，并可绘出三维立体图。

　　1 仪器的原理和光路布置

　　移相式平面干涉的原理是在干涉仪中两相干光之间的相位差引入等间隔阶梯式位移，当参考光程( 或相位) 变化时，干涉条纹的位置也作相应的移动。在此过程中，用光电探测器进行采样，然后把光强变化数字化后存入帧存储器，按照一定的数学模型根据光强的变化求得波面的相位分布，同时也可以自动判断出波面的凸凹性[2]。

　　改造工作完成后的移相式数字平面干涉仪的光路布置如图 1 所示。首先，在光源光路部分采用了 He-Ne 激光器，同时增加了毛玻璃作为空间滤波器以改善激光的散斑影响; 其次，在接收光路采用了活动的CCD 摄像机及其配套的镜头，在保留目视观察的基础上，可将干涉光强转换为图像信号并送入计算机;第三，在改造中，增加了 3 组压电陶瓷堆构成移相器，在测试时推动 300 mm 的参考平晶作等间隔位移，以产生多幅不同相位的干涉图。

　　2 液面自然基准的建立

　　建立大口径干涉仪的平面度基准一直是一个困难的问题，因为大尺寸平晶的面形与支撑方式有关。本干涉仪为立式干涉仪，参考平晶平放，可以采用液面作为自然基准使用，以硅油作为载体。在大口径平晶的实际支承情况下进行测量与修正，对于准确度的提高有利。关于液面自然基准的有关理论和方法在文献[2] 中已有较为充分的阐述。在实际使用过程中，仍需注意以下几点关键之处: 一是要选择粘度适合的硅油，既保证液面有适度的流动性，又不会对环境震动等因素过分敏感; 二是在使用前需要将硅油充分地搅拌均匀，并给予足够的静置时间，以消除密度不均匀和气泡等影响表面的因素; 三是液盘所在的空间需要密封消除静电，以保证液面不受气流与静电影响。采用系统误差校准技术时，我们可以对干涉仪的误差项进行如下分析:

　　1) 干涉仪光束准直性误差 I( h) ，其中 h 为干涉腔的腔长。通常等厚干涉仪系统误差主要来源是参考平晶的面形误差，而本干涉仪因为准直系统的特殊性，其引入的光束传播误差较大，因此与干涉腔长相关的项不可忽略。