同步移相干涉测量的抗振技术研究

论文摘要

同步移相干涉测量系统,由于在瞬间同时采集三幅以上的移相干涉图,振动对这些干涉图的影响是相同的,因此具有良好的抗振性能。本文研究了三种同步移相干涉测量方案,包括1)棱镜分光偏振移相的同步移相干涉测量系统,2)棱镜分光λ/8波片移相的同步移相干涉测量系统以及3)光栅分光偏振移相的同步移相干涉测量系统。建立了这三种同步移相方案的数理模型,运用琼斯矩阵理论得到了它们各自的移相算法。具体设计了光栅分光偏振移相方案的实验系统。该系统以泰曼-格林偏振移相干涉仪为基础,二维正交光栅做为分光器件,偏振片组为移相器件,选用电子快门时间可调的CCD摄像机对移相干涉图进行瞬态同步采集,达到移相抗振的目的。研究了同步移相抗振干涉测量系统的关键技术,包括干涉图之间的光强匹配以及空间一致性标定等。分析了衍射光栅的分光特性,构建了二维衍射光栅的模型,设计了以光栅的（±1,±1）级衍射通道作为同步移相系统分光单元的方案,解决了同步移相系统中光强匹配问题;分析经过分割后的四幅独立干涉图的横向空间对应点之间简谐振动初相位差,实现了移相干涉图之间的空间位置一致性标定;通过旋转一个全局偏振片的方法,根据干涉图消光时的位置之差,确定了实验系统的偏振片组移相精度。从干涉系统、分光系统、移相系统三个方面详细分析了实验系统的误差源。指出偏振片组的方位角误差和干涉图的空间一致性匹配误差为实验系统的主要误差源,对各种误差源提出了相应的解决方法。根据周围环境振动的频率特性,设计了一个PZT人工振源,通过测量系统在各种幅频积振动中的测量重复性,来定量测试实验系统的抗振性能。结果显示该系统在幅频积100λHz以下的振动中测量重复性优于0.02λ。为了验证实验系统的测量精度并考核其性能,将一个显微物镜在本实验系统中与在Zygo干涉仪上的测量结果进行了比对,结果吻合良好。同时还对一个低反射率面形和热流场进行了测量。文中还提出了一种基于空间移相的动态检测λ/4波片相位延迟分布方案,分别通过密勒矩阵和琼斯矩阵法得出其测量模型,并对一个标称波长632.8nm的λ/4波片进行了测量。实验结果显示其接近75%范围内延迟误差在5nm以内,具有较好的延迟均匀性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1.绪论
• 1.1 课题背景介绍
• 1.1.1 移相干涉测量术的原理
• 1.1.2 移相干涉仪的基本结构
• 1.1.3 环境振动对移相干涉测量的影响
• 1.2 移相干涉测量的自适应抗振技术的研究状况与进展
• 1.2.1 机械式位相调制法
• 1.2.2 光波频率调制法
• 1.2.3 电光晶体调制补偿法
• 1.3 同步移相干涉测量的抗振技术研究进展
• 1.3.1 分光镜分光法
• 1.3.2 全息分光位相掩模法
• 1.3.3 光栅分光法
• 1.3.4 同步移相干涉测量系统的总体功能框架
• 1.4 移相干涉测量的其他类型抗振技术概述
• 1.5 课题来源
• 1.6 本论文的主要工作和内容安排
• 2.同步移相干涉测量的机理研究
• 2.1 偏振移相干涉的原理
• 2.1.1 偏振的琼斯矩阵表示
• 2.1.2 偏振移相干涉测量术
• 2.2 棱镜分光、偏振片移相的同步移相干涉测量原理
• 2.2.1 基于棱镜分光偏振片移相的同步移相干涉系统结构
• 2.2.2 基于棱镜分光偏振片移相的同步移相干涉系统相位测量原理
• 2.3 基于棱镜分光、λ/8波片移相的同步移相干涉测量原理
• 2.3.1 基于棱镜分光、λ/8波片移相的同步移相干涉系统的结构
• 2.3.2 基于棱镜分光、λ/8波片移相的同步移相干涉系统相位测量原理
• 2.4 基于二维光栅分光、偏振移相的同步移相干涉测量原理
• 2.4.1 基于二维光栅分光、偏振移相的同步移相干涉系统的结构
• 2.4.2 基于二维光栅分光、偏振移相的同步移相相位测量原理
• 2.5 三种方案的比较
• 2.6 本章小结
• 3.同步移相实验系统设计及关键器件的性能研究
• 3.1 总体实验装置
• 3.2 干涉系统的组成
• 3.2.1 光源部分
• 3.2.2 偏振干涉系统
• 3.3 光栅分光部分及其性能测试
• 3.3.1 分光系统结构图
• 3.3.2 分光单元通道的选取
• 3.3.3 空间滤波光阑的设计
• 3.3.4 分光性能的测试
• 3.4 移相系统及其性能测试
• 3.4.1 移相系统的结构图
• 3.4.2 应用李萨如图分析干涉图之间移相量的理论研究
• 3.4.2.1 初相位差δ对李萨如图的影响
• 3.4.2.2 调制度对李萨如图的影响
• 3.4.2.3 背景光强对李萨如图的影响
• 3.4.3 同步移相干涉系统的移相性能测试
• 3.5 数据采集系统及软件介绍
• 3.5.1 数据采集系统
• 3.5.2 同步移相干涉系统软件介绍
• 3.5.2.1 干涉图有效区域的确定
• 3.5.2.2 干涉图的空间位置匹配
• 3.5.2.3 波面相位计算和相位解包
• 3.5.2.4 Zernike拟合和波面评价
• 3.6 本章小结
• 4.系统的实验结果及误差分析
• 4.1 低反射率反射镜面形的测量
• 4.2 光学系统的波差测量
• 4.3 对气流分布的测量
• 4.4 同步移相干涉测量实验系统的误差分析
• 4.4.1 干涉系统的误差分析
• 4.4.1.1 λ/4波片G4的相位延迟误差
• 4.4.1.2 λ/4波片G4的方位角误差
• 4.4.1.3 偏振分光棱镜PBS的质量误差
• 4.4.1.4 λ/4波片G2与G3的相位延迟误差
• 4.4.1.5 λ/4波片G2与G3的方位角误差
• 4.4.2 分光系统的误差分析
• 4.4.3 移相系统的误差分析
• 4.4.3.1 偏振片组的方位角误差
• 4.4.3.2 干涉图的空间位置匹配误差
• 4.5 振动对干涉图对比度影响的研究
• 4.6 振动环境中测量重复性的实验研究
• 4.7 本章小结
• 5.λ/4波片相位延迟分布的动态测量技术研究
• 5.1 同步移相法在晶体双折射的动态检测技术中的应用研究
• 5.1.1 E.A.Patterson的自动偏振光测弹性仪系统
• 5.1.2 A.Asundi的动态移相光测弹性系统
• 5.1.3 S.Yonetama的基于微延迟阵列的同步移相光测弹性系统
• 5.2 λ/4波片相位延迟分布的动态检测原理
• 5.2.1 四步移相法测量λ/4波片相位延迟量的原理
• 5.2.1.1 波片延迟量的PCQA四步移相干涉测量法
• 5.2.1.2 波片延迟量的PQCA四步移相干涉测量法
• 5.2.2 动态检测系统的结构
• 5.2.3 实验结果
• 5.3 本章小结
• 6.全文总结
• 6.1 本文所做工作
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 有待解决的问题
• 6.4 课题组的在研方案
• 致谢
• 参考文献
• 博士在读期间论文的发表情况