空间分光斐索动态干涉仪及其关键技术研究

发布时间：2020-07-13 21:41

【摘要】：动态干涉测量技术是光学干涉测量领域的一项重要技术,用于解决通用时域干涉术在非稳环境下难以进行高精度测量的难题。同步移相干涉术作为动态干涉测量技术中一种重要的实现手段,在高精度位相测量方面得到了广泛的应用。为了消除时间移相中时变误差的干扰,同步移相干涉术在同一时刻采集多幅移相干涉图恢复待测位相。多数同步移相干涉方案将移相过程转移到空间进行并由此发展出多种空间同步移相方案。本论文围绕空间分光同步移相干涉测试方法开展研究,主要工作包括:第一,提出了基于点光源异位空间分光的同步移相斐索动态干涉仪方案。研究了点光源异位移相原理,通过点光源在垂轴方向上的偏移在斐索干涉仪的参考波面和测试波面间引入相移。采用分光产生的四个点光源在垂轴方向上的不同错位产生等间隔相移,结合成像透镜阵列同步获取四幅移相干涉图并解算待测位相,实现了瞬态干涉测量。第二,研究了空间分光斐索动态干涉仪及其关键技术。为了获取高质量的点光源阵列,设计并制作了光栅分光光源系统和光纤分光光源系统。研制了一种基于成像透镜阵列的同步成像系统,获得了成像清晰且空间分离的同步移相干涉图。第三,基于所研制的空间分光斐索动态干涉仪对平行平晶光学均匀性的测量开展了研究,提出了一种均匀性的绝对测量方法。为了验证所提方法的准确性,使用该方法与波长调谐干涉仪对同一平行平晶的光学均匀性分布进行测量。结果表明,两种方法测量结果的峰谷值偏差为5×10-7,均方根值偏差为-7×10-9,光学均匀性分布一致。第四,对干涉仪的测量误差进行了讨论分析。研究了动态斐索干涉仪位相测量误差源及抑制方法、系统出射波面误差对测量结果的影响。对同步移相干涉图位置匹配误差和光强不一致误差进行了研究分析。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.3
【图文】：

干涉图,移相干涉,干涉图,多相

１９９１年，Ｋｏｌｉｏｐｏｕｌｏｓ等人使用４台ＣＣＤ相机搭建了同步移相干涉测量装置，该系统可逡逑以同时记录四幅相移干涉图［１７］。２００４年，ＥＳＤＩ公司的Ｓｚｗａｙｋｏｗｓｋｉ等人提出了一种利逡逑用沃拉斯顿棱镜分光的斐索型同步移相干涉仪，如图１．１所示［１８，１９］。该方案利用沃拉斯逡逑顿棱镜双折射将入射光分解为偏振方向正交且传播方向有一定夹角的线偏光。通过调节逡逑参考镜和测试镜的倾斜角度，使得参考光和测试光都能够穿过成像物镜后方的空间滤波逡逑器。然后通过特制的非偏振分光棱镜包正交的偏振光分为三对子光束并在每对子光束中逡逑加入偏振光学元件引入不同的相移量，最终得到三幅同步移相分干涉图。该测量装置通逡逑过控制偏振片的旋转角度在参考光和测试光之间引入不同的相移，理论上可以获得任意逡逑移相量的干涉图样。逡逑ＣＣＤ２逡逑偏振光学元件逦．ｐ－，逡逑逦邋逦逦逦逡逑Ｖ邋￣逦＾邋ｎ邋｜＇逡逑＼逦１邋Ｉ逦／７￣＼＼逦，逦、邋丨＂邋ｉ邋ｉ逡逑ｃｃｄｓ邋ｒｉｔｎｒｉ逦一一丨；逦ｈ逡逑，！邋；逦Ｉ邋Ｓ逡逑ＸＣｕｂｅ逦□逦光“系统空间滤灥准直逡逑ＣＣＤ１逦参考镜测试镜逡逑图１．１邋ＥＳＤＩ公司的斐索型同步移相干涉仪光路图逡逑多相机的同步移相干涉测量系统需要多个图像采集装置进行干涉图的记录采集，这逡逑就需要所使用ＣＣＤ相机的光电性能和相应时间等特性具有一致性

干涉图,光栅分光,移相,光路

在迈克尔逊干涉仪的基础上，将光栅放置于望远系统焦点处。选取光栅分出的０级和±１逡逑级光并分别插入１／４波片，波片快轴方向分别和Ｐ光和Ｓ光平行，三束光经检偏器后，逡逑在ＣＣＤ靶面上得到三幅相位差为ｔｔ／２的干涉图，其光路设计如图１．２所示。逡逑带有偏振分光棱镜的逡逑迈克尔逊干涉仪逦＾ｐ＾ｌ／４波片逡逑Ｉ■激光■器参考镜逡逑逦１／２邋波片逦￣Ｉ逦Ｕ逦逡逑成像镜逡逑ｍ）逦基逦分光和移相逡逑１／４邋波片逡逑检偏器逦逡逑ＣＣＤ逡逑图１．２光栅分光偏振移相光路７Ｋ意图逡逑２０１６年，哈尔滨工业大学的向小燕等人提出了如图１．３所示的正交位相光栅分光式逡逑四通道空间移相干涉仪［２１］。在该干涉测量方案中，激光器、检偏器、扩束镜以及二分之逡逑一波片共同组成了干涉仪的光源系统。光源系统入射到偏振分光棱镜上的是偏振方向与逡逑光轴成４５°夹角的线偏光。其中的ｓ光经偏振分光棱镜反射打到参考面上，两次通过四逡逑分之一波片后便成ｐ光透射。其中的ｐ光透射过偏振分光棱镜打到测量面上，两次通过逡逑四分之一波片后变成ｓ光反射。通过偏振分光棱镜后，相干光束通过一四分之一波片会逡逑和入射到正交位相光栅上。经光栅分光产生四组光强相等的子光束，四束子光束分别通逡逑过偏转角依次相差４５°的四象限移相器后参考光和测试光间引入不同的相移量。最后利逡逑用四象限探测器捕捉四路干涉信号，处理后得到被测面面形。逡逑３逡逑

频谱,移相干涉,共光路干涉仪,液晶空间光调制器

图１．３正交位相光栅分光式四通道空间移相干涉光路系统图逡逑２０１３年，哈尔滨工程大学的郝本功等人提出了一种基于液晶空间光调制器的三窗口逡逑同步移相共光路干涉仪，如图１．４所示［２２］。激光器出射激光经准直透镜准直后照射一矩逡逑形的光阑上。光阑分为三个窗口，待测的透明物体被放置在中间窗口的前面。所以透过逡逑中间窗口的为测试光，透过两边窗口的为参考光。透镜Ｌ１以及Ｌ２构成的４ｆ系统频谱逡逑面上的滤波器为加载在液晶空间光调制器上的光栅。其对入射光进行衍射分光并在输出逡逑面上形成多级衍射光。通过改变窗口的大小、光栅周期等参数就可以在输出面上获得３逡逑幅移相干涉图。逡逑Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ邋ａｎｄ逡逑ｅｘｐａｎｄ—－ｓ－却＿邋Ｌ１邋ＬＣ－ＳＬＭ邋Ｌ２邋ＣＣＤ逡逑Ｌａｓｅｒ：逦＼逦ｙｌ￣＊邋＾逡逑———逡逑Ｐｈａｓｅ邋ｓａｍｐｌｅ邋卜，？■卜，？卜，逡逑图１．４基于液晶空间光调制器的同步移相光路逡逑几何分光系统是指在光学结构中，不再使用传统的光栅分光而采用几何光路进行分逡逑光的光学系统。２０１６年，天津大学的蔡怀宇等人提出了一种基于迈克尔逊结构分光的空逡逑间移相干涉系统，如图１．５所７Ｋ［ｌ３］。偏振分光棱镜出射的参考光和测试光具有互相正交逡逑的偏振态，为了获取空间上分离的两幅移相干涉图，懫用了一种改进的迈克尔逊结构进逡逑４逡逑

【参考文献】