正交移相干涉装置的设计研制与实验

摘要

作为精密测量的重要方法，光学干涉测量广泛应用于物体表面粗糙度、透明物体调制波前相位以及光学零件加工检验等技术领域。移相干涉技术是将移相器引入到干涉光路，建立干涉测量中的相位移动控制。干涉光路易受环境振动的影响，抗振是干涉装置研制中需要考虑的因素。光路结构的轻量化和干涉数据处理也是研制过程中的要点。因此轻量抗振以及数据算法简单的移相干涉装置的研制具有重要意义。本文提出了正交移相共轭干涉技术，使用偏振光学中的琼斯矩阵推导了简单快速的相位恢复算法。研制了干涉装置样机，并对实验室的透明连续相位板和液晶衍射光栅进行实验数据测量与分析。论文的主要研究内容如下：
　　（1）对于正交移相干涉装置，移相器精度与测量数据密切相关。移相器由高压驱动电源控制，因此要对移相器驱动电压和相移特性关系精确标定。使用了一维闭环压电陶瓷作为移相器，能够对振动和非线性误差反馈补偿，采用了两种测试标定方法。一种是使用四参数正弦拟合标定移相器电压相移特性的方法，一种是基于干涉图样明暗条纹相关性测量移相器电压相移特性的方法。两种方法对装置样机中的压电陶瓷移相器标定，使得移相干涉的相移可控。
　　（2）正交移相干涉装置对激光光源的准直性要求较高。采用了光纤准直两级激光扩束镜压缩高斯光束发散角的方法，设计了光纤准直两级激光扩束镜的光学机械结构，并应用于研制的干涉装置中。干涉装置样机主要是光机结构组件，结构的频响特性决定了结构本身的抗振性能，结构设计中要考虑轻量化和小型化。对干涉装置中的偏振光学器件集成结构和共轭成像系统结构做模态分析，分析了关键结构的频响特征，优化了结构设计。
　　（3）使用研制的正交移相干涉装置样机开展实验。实验分为两部分：先测量?25.4mm连续相位板的透射波前相位，测量数据和商用干涉仪 WYKO的数据对比。结果表明：相位板波前峰谷 PV(peak to valley）值最大误差为0.052λ（λ=1064nm），均方根RMS（root means square）值最大误差为0.006λ。正交移相干涉装置测量结果和WYKO的数据吻合度较好。接着测量了电场下透射式液晶衍射光栅的调制相位分布，结果表明：调制相位分布PV值为0.942λ，二维波前调制相位分布与实验采集的远场衍射光斑光场分布一致。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 移相干涉技术研究国内外现状分析

1.3 本文的主要研究内容

第二章 正交移相干涉原理及相位恢复算法

2.1 引言

2.2 正交移相干涉原理

2.3 正交移相干涉装置系统方案

2.4 正交移相干涉相位恢复算法

2.5 本章小结

第三章 一维闭环压电陶瓷移相器电压相移标定方法

3.1 引言

3.2 四参数正弦拟合标定移相器方法

3.3 干涉条纹相关性标定移相器方法

3.4 本章小结

第四章 正交移相干涉装置关键部件光学设计及结构设计

4.1 引言

4.2高斯光束准直原理

4.3激光扩束光学系统像差分析

4.4 1064nm光纤准直激光扩束镜光学机械设计

4.5 偏振光学元件集成及共轭光学系统结构设计

4.6 正交移相干涉装置整体封装与样机

4.7 本章小结

第五章 实验与分析

5.1 引言

5.2 离散余弦变换最小二乘法解包裹

5.3 连续相位板波前相位检测实验

5.4液晶衍射光栅调制相位分布检测实验

5.5 实验结果与分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果