摘 要:在对光学元件面形进行检测和光学系统成像质量的评价中,移相干涉测量技术有着广泛地应用。但是,光学干涉仪的测量精度对环境的要求非常苛刻,环境的振动和空气的扰动会对测量结果产生很大影响。提高移相干涉仪的抗振性很有必要,受到广泛重视。国际上移相干涉仪的抗振技术主要包括主动抗振和被动抗振两方面,两种技术具有各自特点。
0 引 言
在光学干涉计量中,移相干涉测量技术由于具有精度好,自动化程度高,实用性强,无相位符号二义性等优点而得到广泛地应用。它通过控制参考光束和测试光束之间的光程差,连续采集若干帧具有固定相位差的干涉图,采用一定的相移算法,对干涉图进行处理,就可以得到待测面的相位分布。但是,环境的振动和空气扰动对相移干涉检测的结果及精度会产生很大的影响,主要是:
(1)条纹处于不断的抖动状态之中,不能形成稳定的干涉条纹;
(2)时间相移的每次相移步长值不等,会造成算法误差。
振动严重时,得到的干涉图条纹波动的幅度很大,使测量无法进行。
由于振动的影响,很多测量只能是在光学实验室的光学隔振台上进行,严重影响了干涉仪的工业应用。所以,解决干涉仪抗振问题,将是干涉仪走出实验室,进行工业在线检测的关键所在[1—3]。
1 主要的移相干涉抗振技术
传统的干涉仪抗振方法是采用光学隔振台来隔振。后来,又逐步从干涉仪的光学结构,干涉图的采集,相移算法,振动探测与补偿等角度发展了抗振技术。根据其工作原理,可以将它们分为两大类:被动抗振技术和主动抗振技术[1]。
1.1 被动抗振技术
采取种种措施,减少振动和气流等环境因素对测量结果的影响,没有振动补偿功能,需要曝光时间短的电荷耦合器件和大功率激光器。通常系统工作在开环状态。
被动抗振技术主要包括同步移相干涉技术[4—6],像素化微偏振位相板干涉技术[5,7,8],统计抗振算法[6],快速移相法[9],共光路双折射散射板移相干涉术[10],瞬时相移点衍射干涉术[11]等。
1.1.1 同步移相干涉技术(SPSI)
传统的移相干涉仪是按照一定的时序获得一系列不同位相差的干涉图。在不同时刻采集的各帧干涉图,必然会受到环境振动的随机性干扰。同步移相干涉仪(SPSI)采用时间同步移相的思想,改变两相干光束之间的时间相移方式为空间相移方式,同一时刻采集四幅具有不同相位差的干涉图,四幅干涉图中两相干光束相移步长相等,同时配合高速CCD在很短的时间内曝光,进行图像采集。这样在同一时间采集的四幅干涉图受到的环境影响相同,从而达到扩大干涉仪应用范围,提高测量精度的目的。
美国Phase Shift Technology Inc.公司的ChrisL.Koliopoulos在1991年提出的同步移相干涉仪采用偏振分光技术将测试光路分成四路,利用波片进行移相,然后分别将移相步长为π/2的四幅干涉图同时成像在四个CCD上面,由这四幅干涉图通过传统的相移算法计算出位相分布,得到被测件表面的面形信息[4]。其位相的均方根重复性可高达λ/1000,单次测量精度高于λ/50P-V。此系统要求用一个同步信号源控制四个CCD以保证信号采集的同时性。由于将光路分成了四路,所以需要一个高功率激光器。这种方法虽然克服了随机振动对于时间移相各帧干涉图之间影响不一致问题,但是,由于有四个成像通道,所以又引入了空间不一致的误差源如各通道分光光强,光学元件以及CCD性能等的不一致问题。所以对各个元器件的精度要求很高,导致成本昂贵。四通道采图造成四个CCD的校准十分困难,校准精度必须达到亚像素级,否则将会对测量结果产生较大影响。
为了解决校准问题,美国4D公司推出改进型的商业化PhaseCam○R干涉仪产品,利用全息衍射光学元件将光束一分为四,并采用偏振元件附加不同相移量,照射到同一CCD靶面上[5,6]。
激光器出来的光经过滤波扩束之后,入射到一个偏振分光棱镜(PBS)中实现偏振分光,参考光和测试光具有互相垂直的偏振态,一个1/4波片( QWP)分别位于参考光臂和测试光臂中,这样第一次透过PBS的光返回时则被PBS反射,同样,第一次被PBS反射的光返回时则被PBS透射。这两束偏振态互相垂直的光束分别带有参考镜和测试镜的面形信息,二者经过一个全息衍射分光元件分别被分成四束独立的光束,这四束光再通过一个位相板延迟板。这个位相延迟板板对四束光中的参考光束和测试光束分别引入了0°,90°,180°,270°的位相差。一个线偏振片(偏振角度分别与参考光和测试光偏振态成45°)平行放置在位相延迟板后面,将偏振态互相垂直的参考光和测试光起偏到相同的偏振态从而实现干涉,然后在同一个CCD靶面上获得四幅独立的干涉图。CCD曝光时间要足够短这样环境瞬态振动就可以冻结在干涉图中。光路系统设计如图2。
1.1.2 像素化微偏振位相板干涉技术
基于全息分光的同步移相技术由于受到了全息分光元件的限制只能工作在单一波长上面,有时候需要工作在不同的波长,多波长,甚至白光光源条件的相移干涉仪。一个方法就是采用像素化微偏振位相板干涉技术[5]。
在单CCD同步移相干涉仪基础上进行改造,让通过PBS的偏振态互相垂直的参考光和检测光通过一个1/4波片,把二者分别转化成左右旋圆偏光。在1/4波片后面平行放置一个线偏振片,使两圆偏光起偏到相同的偏振方向,线偏振片偏振方向与1/4波片快轴之间不同的夹角将在参考光和检测光之间引入不同的位相差,并且这个引入的位相差是放置夹角的两倍。一个位相调制单元是由4个这样的偏振元件组成,并且每个线偏振片偏振方向与1/4波片快轴之间夹角分别是0°,45°,90°,135°,则这个位相调制单元将会在参考光和测试光之间分别引入0°,90°,180°,270°的位相差。
由很多这样的位相调制单元组成一个像素化微偏振位相板阵列,后面配合与它完全对应的CCD探测阵列。通过像素化微偏振位相板阵列的相干光在CCD上形成干涉图,运用一定的干涉图算法,就可以得到待测波面的信息[7,8]。
1.1.3 统计抗振算法
采用统计方法在相对较长的时间内平均非相干数据可以有效去除气流影响。工作原理是将振动作为“相移器”,一个高速CCD(200帧/s)采集大量干涉图(成百上千幅),然后通过一定的算法从中挑选出相移量互为所需的及对比度较好的四至五幅图,结合传统的相移算法设计即可得到待测波前。
统计法可以结合光学隔振塔加强隔振效果[6]。这种方法通常用于对大口径光学元件(直径6到8m)的检测。测试元件放置在一个光学隔振塔的塔基面上,一个标准干涉仪置于塔顶对测试元件进行检测生成干涉条纹。光学隔振塔可以对高频振动进行有效隔离,但是对于低频,大振幅的振动,隔振效果不明显,这时配合统计法可以加强抗振效果。美国亚利桑那光学中心已使用此法,取得较好的效果。光学结构如图4。
1.2 主动抗振技术
主动抗振技术是给干涉仪增加条纹移动信号探测、处理、反馈控制的抗振系统。通过对振动造成的干涉条纹移动量的实时探测,采用高速芯片对探测信号进行处理,然后发布反馈控制指令,驱动反馈控制单元实施补偿,保持相干光束之间原有的光程差不受振动影响,将干涉条纹锁定[1,12]。系统通常处于闭环工作状态。主要包括机电反馈抗振术,声光,电光调制反馈抗振术,半导体激光器波长调制移相抗振术等。
1.2.1 机电反馈式抗振干涉仪
机电反馈式抗振干涉仪是利用光电探测器探测外界振动引起的条纹移动或者干涉光强变化,即探测振动信号,然后应用FBSG(反馈信号发生器)对振动信号进行处理,转换成相应的电压控制信号,这个控制信号与被测波面相位和预设相位有关。反馈电压控制信号到PZT(压电陶瓷)驱动电源,驱动PZT补偿由于振动造成的参考光束和测试光束之间的光程差变化,使被测波面相位与预设相位相等,达到锁定干涉条纹的目的。改变预设相位值可以使干涉条纹锁定在不同的位置(即实现移相功能)。其中,PZT既是移相机构,又是高频调制器。由于PZT响应速度的限制,机电反馈式抗振干涉仪对于高频振动的响应不够,不能做到实时锁定条纹,主要适用于100Hz以下的低频振动补偿,在低频振动条件下,该系统锁相精度可以达到1°。
1.2.2 声光,电光调制移相抗振干涉仪
在国防、天文等领域需要大量的大口径、长焦距的光学元件,其检测不便于在隔振台上进行,这就需要具有大光程差补偿能力的抗振移相干涉仪。GlenC.Cole在1997年提出了基于声光效应的抗振移相干涉技术[13]。其主要思想是利用晶体的声光效应,光通过晶体时,激光的频率发生变化,从而改变干涉信号的位相。通过控制激光的频率,来补偿由于外界振动所产生的位相改变,达到稳定干涉图的目的。声光(AOM)调制移相干涉仪包括两套移相及探测系统:一是光电探测器高频测振和相位补偿系统,另一个是低频表面测量移相系统及与之配合的CCD。DSP发出控制信号在2π范围内分五步(每次π/2相移量)快速改变两相干光束之间的光程差,用光电探测器记录每次光强,然后由DSP调用五步算法计算出瞬时位相值,再反方向快速移相五步,计算出瞬时位相值,如果两次结果不同,则认为存在振动。这个过程大概耗时100μs。如果存在振动,DSP根据位相偏移量发出修正电压信号加到晶体驱动上,补偿由于振动造成的两相干光束之间的光程差。在整个测量过程中,光电探测器一直以4kHz的频率工作探测高频振动信号。低频表面移相测量系统移相速度慢,用CCD记录干涉光强。由于CCD的像素积分时间远远高于高频振动测量系统周期,因此,面形测量系统中看不到高频移相,高频移相部分仅仅引起条纹对比度降低。
在声光调制移相干涉仪中,高频移相和相位补偿都是通过声光调制实现的。当光程差为34m并且处于低频振动(0~60Hz)环境下,表面误差的rms值可以从0.036降低到0.004。
声光调制与振动反馈移相干涉仪在测量过程中需要实时校正一级衍射光的强度,并且调制深度随光程差的减小而降低,仅适用于长光程差的情况,而对于激光频率的高频调制又使得测量光路中的干涉条纹的对比度明显降低。
电光(EOM)调制移相干涉仪的工作原理与声光调制移相干涉仪基本相同,也具有两套移相系统,不同的是电光调制移相干涉仪是利用晶体的电光效应,控制电光晶体输出的o光e光的光程差来达到移相的目的[14]。高频测振移相系统和低频表面测量移相系统都是通过EOM实现的。与AOM相比,EOM有高得多的响应速度(200kHz~1GHz)并且可以适用于小光程差不等程干涉。这个系统能够抑制75%的幅频积为200wave.Hz频率不大于200Hz的振动。
以上声光,电光高频调制移相方法都存在对于光信号的高频调制而降低了用于波面测量的干涉条纹对比度的问题。北京理工大学赵伟瑞、曹根瑞提出了斩波式自适应移相干涉技术[15]。可以将干涉条纹锁定在任意选定的相位差的位置,与上述方法相比,对光程差大小无限制,具有高信噪比,不受高频调制降低条纹对比度的优点。
1.2.3 半导体激光器波长调制移相抗振干涉仪
半导体激光器具有体积小,重量轻,寿命长,结构紧凑,转换效率高等特点,更重要的是其频率可调。所以可以利用这一点来控制补偿两相干光束之间的光程差。LD光频调制的基本原理是用各种方式引起禁带宽度发生变化,实现输出光频率调谐。一般采用LD注入电流的调制特性,利用其输出光频特性的线性区域,通过控制注入电流使振动造成的位相变化减小为零。位相的大小由注入电流的直流成分进行控制。调制控制LD注入电流的反馈信号由反馈信号发生器(FBSG)产生[1,16]。
半导体激光器光反馈法的局限是半导体激光器的输出功率随着注入电流的变化而变化,注入电流的变化还将导致激光器的温度变化及模式跳变,为解决这些问题,势必增加系统复杂程度,而且这种光波频率调制还会降低干涉条纹的对比度,同时半导体激光器的线宽较宽,故仅适用于短光程差干涉测量。
2 结 论
环境振动和空气扰动会对光学干涉测量的结果会产生严重的影响,所以很多测量只能是在光学实验室的光学防振台上进行。国防,航天等领域需要大量的大口径,高质量的光学元件,对这些元件在生产过程中进行校正安装,在线检测,都对干涉仪的抗振性提出了很高要求。解决干涉仪抗振问题,将是干涉仪走出实验室,进行工业在线检测的关键所在。目前国内外相关研究才起步不久,目前有两条研究路线:主动抗振技术和被动抗振技术。前者是采用振动探测,信号处理,反馈控制的思路来稳定条纹,消除振动影响,方法直观,但是系统较为复杂。后者是从光学结构的共路设计,同步采图,抗振算法[17]等角度消除振动影响,思路较为新颖。
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作者简介:何祖斌(1982-),男,四川省人,成都精密光学工程研究中心硕士研究生,从事光学检测研究。
E-mail:hezubin@mail.ustc.edu.cn
