空间相移干涉测量方法及其关键技术研究

论文摘要

空间相移干涉术可以在同一时刻采集多幅相移干涉图,由此提取待测相位参数,从而实现动态目标的干涉测量。该方法在光学加工、天文、国防等领域具有广泛的应用前景,尤其在存在振动、湍流、温漂等时变因素的非稳定测量场合,其优势更加突显。实现空间相移干涉测量的关键在于将一对相干光束进行空间分光,并且同步引入等步长相位调制。现有的空间移相方法多数基于偏振相移方案,在偏振相移器的方位角误差校正、干涉图的位置配准以及综合相移误差抑制方面有待进一步研究。另外,如何在共光路结构的点衍射干涉仪中引入偏振调制是目前的难点。本文针对以上问题,围绕空间分光与同步相移两项关键技术,对空间相移干涉测量方法展开研究。为实现高精度动态测量,设计了空间分光、四象限波片阵列相移干涉方案。该方案采用二维位相光栅,将一对正交偏振光束对称分解为四对属性相同的光束对,并通过四象限波片阵列同步引入等间隔相移,由CCD单帧采集四幅相移干涉图。针对系统中相移器的方位角误差,提出了基于随机快轴方位波片阵列的空间相移干涉术,通过傅里叶分析法标定出四象限波片阵列中各子波片的方位角,将其带入光强矩阵表达式,通过求解矩阵方程精确提取相位,复原精度优于λ/100（Root-Mean-Suqare,RMS）,该方法从根本上校正了相移器的方位角误差;采用位相相关算法对四幅干涉图的空间位置进行像素级配准,抑制了干涉图空间位置偏离导致的失配误差,保证了位相复原精度;研制了动态泰曼干涉仪,使用参数可控的振动装置,定量验证了干涉仪的抗振性能,抗振指标达到 200Hz·λ。为了解决共光路结构点衍射干涉仪中的偏振调制难题,实现动态干涉测量,提出了基于单方向金属线栅偏振调制方案的同步相移偏振点衍射干涉测量方法。该方案采用单向偏振调制点衍射板实现对光束偏振态的调制,通过同步位相调制探测器产生四幅相移干涉图。建立了单方向金属线栅偏振调制点衍射板的数学模型,推导了入射光偏振方向、针孔直径、点衍射板透过率三者之间的匹配关系,探索了单方向线栅调制偏振点衍射板制作工艺,获得纳秒脉冲激光针孔烧蚀方案的最佳加工参数;依据莫尔条纹原理与马吕斯定律,设计了微偏振阵列与CCD探测器精确调校方案,实现了二者的像素级配准,从而保证相干光束的空间分光与同步相移,相移精度控制在0.O1rad以内。为了保证空间相移干涉仪的综合相移精度,提出了圆载频交叠重构干涉术。在相移干涉图中引入离焦获取圆载频干涉图,结合二阶极坐标变换、时空条纹技术和频域滤波,提取待测波前,抑制了波面中的“纹波”误差,波面复原精度优于λ/100（RMS）。偏振相移方案在测量光学样品的透射波前参数时,样品材料残余应力会引入附加的相移,进而产生相移误差。为了解决这一问题,提出了非偏振相移方案的变倾角空间相移干涉方法。该方法将干涉仪的光源系统设计为正方形掩模结构的点光源阵列,由各子光源入射倾角的差异在干涉图中同步引入相移。辅以特殊设计的透镜模块,可以采集四幅在空间上分离、并且成像清晰的干涉图。建立了点光源阵列非线性相移变化的数学模型,推导了变倾角空间相移原理公式;设计研制了棋盘位相光栅,通过光栅的衍射效应生成相移可控点光源阵列,整体光能利用率达到65%;控制点光源阵列整体的垂轴位移,实现π/2等步长相移;构建了四象限透镜模块的分光与成像模型,设计制作了模压透镜模块,将其嵌入干涉仪双远心成像系统中,实现相移干涉图在空间上的分离成像。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景和研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 棱镜分光偏振相移方案
•     1.2.2 衍射元件分光偏振相移方案
•     1.2.3 微偏振元件分光偏振相移方案
•     1.2.4 多幅相移干涉图的空间位置配准
•     1.2.5 相移误差校正
•     1.2.6 存在的问题
•   1.3 论文主要工作
• 2 偏振相移干涉理论基础
•   2.1 偏振相移基本原理
•     2.1.1 偏振的斯托克斯矢量及穆勒矩阵表示法
•     2.1.2 偏振相移干涉原理
•   2.2 偏振器件误差分析
•     2.2.1 偏振分光棱镜的分光质量分析
•     2.2.2 干涉仪光路中λ/4波片的方位角误差及延迟量误差分析
•     2.2.3 相移系统中λ/4波片的方位角误差与延迟量误差分析
•     2.2.4 相移系统中偏振片的透光轴方位角误差
•   2.3 光学元件材料应力引入的误差
•   2.4 振动对干涉条纹调制度的影响
•   2.5 本章小结
• 3 空间分光、四象限波片阵列同步相移干涉测量方法研究
•   3.1 空间分光波片阵列同步相移干涉测量原理
•   3.2 RARF-SPSI抑制波片阵列方位角误差
•     3.2.1 波片阵列方位角误差对干涉图及解算波面的影响
•     3.2.2 RARF-SPSI波面复原原理
•     3.2.3 波片快轴方位角标定
•     3.2.4 RARF-SPSI算法数值仿真
•     3.2.5 实验验证
•   3.3 干涉图空间位置配准
•     3.3.1 位相相关位置匹配算法
•     3.3.2 算法仿真与实验验证
•   3.4 实验与抗振性能测试
•     3.4.1 同轴抛物面反射镜的面形检测
•     3.4.2 空间分光波片阵列相移干涉仪的抗振性能测试
•   3.5 系统误差分析
•     3.5.1 波片延迟量误差分析
•     3.5.2 分光系统误差
•     3.5.3 检偏器方位角误差
•   3.6 本章小结
• 4 空间相移偏振点衍射干涉测量方法研究
•   4.1 空间相移偏振点衍射干涉测量原理
•     4.1.1 点衍射干涉原理
•     4.1.2 空间相移偏振点衍射干涉原理
•   4.2 P-PDI的设计与研制
•     4.2.1 OWP-PDI设计与研制
•     4.2.2 UWP-PDI设计与研制
•   4.3 微偏振阵列空间分光同步相移
•     4.3.1 基于莫尔条纹消除法的角度配准
•     4.3.2 角度残余误差与相对位移误差的抑制
•   4.4 CCSI算法校正相移误差
•     4.4.1 CCSI原理
•     4.4.2 CCSI算法仿真
•     4.4.3 实验与讨论
•   4.5 Φ400mm口径离轴抛物面反射镜检测与装调
•     4.5.1 离轴抛物镜调整姿态与波面像差关系仿真
•     4.5.2 离轴抛物镜自准直检测
•   4.6 本章小结
• 5 变倾角空间相移干涉测量方法研究
•   5.1 变倾角空间相移干涉测量技术原理
•     5.1.1 变倾角相移干涉原理
•     5.1.2 空间分光与同步相移原理
•   5.2 点光源阵列同步相移方法
•     5.2.1 光纤分光点光源阵列方案
•     5.2.2 光栅分光点光源阵列方案
•     5.2.3 点光源阵列引入同步相移
•   5.3 相移干涉图空间分光及成像
•     5.3.1 单一成像系统分析
•     5.3.2 透镜模块空间分光共轭成像方法
•   5.4 实验结果与误差分析
•     5.4.1 不同测试腔长下的光学元件面形测量
•     5.4.2 动态温度场测量
•     5.4.3 系统误差分析
•   5.5 本章小结
• 6 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

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑东晖

导师: 陈磊

关键词: 动态干涉测试,空间分光,同步相移,偏振干涉,变倾角同步相移

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京理工大学

分类号: O436.1

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000056

总页数: 141

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