抗振光干涉测试中的相位测量原理与技术研究

摘要

在过去30年中，干涉测试技术最大的进步在于集成了计算机技术而发展出移相干涉术，该技术利用移相器对干涉相位进行调制，并顺次采集一系列具有特定移相量的干涉图以恢复被测相位。这种数据采集与分析方法上的革新使得干涉测量的精度与自动化程度显著提升，因而在光学测量领域获得广泛应用。然而，要保证测试精度，必须准确移相，而测试环境中的振动会导致移相量随机变化，故移相干涉仪通常需在实验室内隔振的光学平台上工作。对环境振动的敏感限制了移相干涉术的精度、应用范围和使用场地，因此如何在振动环境下保证干涉测试的精度，近十余年来已成为光学测量领域的研究热点，也是干涉测量未来发展必须解决的问题。
　　 本文首先以傅里叶分析为基本工具，从频谱的角度研究振动对测量的影响，并阐明了常用移相算法在振动误差抑制方面的局限性。为在不同类型的干涉测试中提高振动环境下的测试精度，本文从三个方面开展了研究，包括单帧干涉图处理技术、时域的移相干涉振动补偿技术和空域的同步移相动态干涉测试技术。
　　 在单帧干涉图处理技术方面，提出四相位拼接法用于解调单幅圆载频干涉图的相位，该技术运用相位拼接策略解决了圆载频干涉图相位恢复时符号突变位置误差过大的问题，并给出了自动探测拼接中心的方法。通过数值仿真和实验证实了该算法的精度和可靠性，当载频取值合适时，相位解调精度可优于λ/40（均方根值）;在移相干涉仪上使用该技术进行了抗振测试实验，振动环境下其相位恢复误差仅为移相法的一半。该技术特别适用于解调包含大球差或其它旋转对称像差的待测相位。
　　 在时域抗振干涉测试方面，提出可以抑制多种移相量误差的相位恢复新方法——载频交叠重构法。该方法对移相干涉图数据按列或行交叠排列，融合为一幅同时包含空域相位信息和时域移相信息的空域-时域条纹图，并在原始干涉图中引入线性载频，使空域-时域条纹图频谱中的相位谱与误差谱相互分离，进而可以通过滤波排除振动等移相误差的影响、准确重构待测相位。该技术可在时域移相干涉仪上实现振动误差抑制，使原本难以在振动环境下进行测量的商业移相干涉仪获得准确的测量结果。对ZygoGPI移相干涉仪在振动环境下的实测数据进行处理，相位恢复精度优于λ/50;将该技术集成到国内研制的最大口径（Φ600mm）移相干涉仪的软件系统中，使振动影响下的相位恢复精度由λ/22提升为λ/65。该方法还可以进一步应用于空域移相干涉技术乃至条纹投影等非干涉测量领域的移相误差抑制。
　　 在空域抗振干涉测试方面，建立了一套基于光栅分光、波片组移相的分光型同步移相干涉仪。针对该类型干涉仪中普遍存在的干涉图位置匹配误差，提出圆载频位置匹配误差标定法进行校正。该方法在同步移相干涉图中引入圆载频，通过移相干涉图之间相位差的斜率求解位置匹配误差的值，从而获得亚像素级的位置匹配精度。同时，对同步移相干涉图使用线性载频和圆载频的傅里叶分析技术，校正了系统中的分光比例误差和移相量误差。通过这些系统误差校正技术，可以有效降低系统中关键器件的加工和装调精度要求，并提高测试精度。
　　 上述三种类型的抗振干涉测试技术构成一个互为补充的整体，为不同需求、不同应用场合的抗振干涉测试提供了解决方案:单帧干涉图处理技术可在结构相对简单的光机型干涉仪进行抗振测试，时域抗振技术可以使当前通用的商业移相干涉仪获得抗振测试能力，而空域抗振技术则通过相对复杂的装置从原理上实现抗振移相干涉测试。

目录

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摘要

图表目录

第1章 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 单帧法

1．2．2 时域技术

1．2．3 空域技术

1．2．4 研究现状小结

1．3 课题来源和研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 本文主要内容

第2章 振动条件下的移相干涉测试理论

2．1 移相干涉术的傅里叶分析

2．1．1 移相干涉术中的相位恢复

2．1．2 相位恢复的傅里叶分析

2．1．3 N步移相算法的傅里叶分析

2．2 移相干涉术中的振动

2．2．1 振动引入的相位误差

2．2．2 N步移相算法对振动误差的传递

2．3 本章小结

第3章 单幅载频干涉图解调技术

3．1 FT法解调线性载频干涉图

3．1．1 相位恢复

3．1．2 载频条件

3．2 FT法解调圆载频干涉图

3．2．1 算法

3．2．2 讨论

3．2．3 仿真和实验验证

3．3 载频干涉图的抗振测试实验

3．4 本章小结

第4章 时域抗振干涉测试技术

4．1 交叠重构法

4．1．1 STF图的获取

4．1．2 从STF图中恢复相位

4．1．3 特性分析

4．2 载频交叠重构法

4．2．1 舍有移相误差的STF图

4．2．2 载频引入与相位恢复

4．2．3 载频的取值

4．2．4 仿真与实验验证

4．3 Φ600mm移相干涉仪数据分析

4．4 与其它时域抗振算法的比较

4．5 本章小结

第5章 空域抗振干涉测试技术

5．1 同步移相干涉测试系统

5．1．1 偏振移相干涉

5．1．2 衍射光栅分光

5．1．3 干涉仪成像系统

5．1．4 软件部分

5．2 位置匹配误差的校正

5．2．1 SPSI系统中的位置匹配误差

5．2．2 位置匹配误差校正算法

5．2．3 算法精度分析

5．2．4 仿真与实验结果

5．3 分光比例与移相量校正

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文内容总结

6．2 本文主要创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

附录