文 献 综 述
摘要：光干涉方法始终是检测高精密光学元件和系统最有效的手段之一，随着激光技术、光电探测技术、精密机械、计算机技术、图像处理技术等技术的进步，近代光干涉测量技术已得到了长足的发展。1974年Burning等人将通讯理论中的相位探测技术引入到光学干涉测量技术中，提出了一种高精度的移相干涉术[1]，它采用了数字波面相位检测技术，实现了高精度、实时快速、多参数、自动化测试，大大扩展了干涉仪的测量功能，促进了现代光学制造水平的提高。
关键词：光干涉测量技术 移相干涉术 现代光学制造
- 选题背景
移相干涉仪对环境特别敏感，环境振动和空气扰动会严重影响干涉图的采集。通常，空气扰动可通过给干涉仪加上外罩的办法来消除。较难解决的是环境的振动对干涉仪的影响。一般地，干涉仪中CCD相机的采集速度是30帧／秒，获取四幅干涉图需要约120ms，有些干涉仪需要13幅干涉图进行计算，则耗时约400ms[2]。由于移相时间和采集间隔时间的存在，在这段时间里振动会使得干涉条纹变模糊甚至完全消失；另一方面，振动会在两相干波面之间引入随机的移相误差，从而导致测量误差甚至测量失败。因此，大多数干涉测试工作应该在实验室隔振光学平台上进行。但是目前越来越多的场合需要检测、校准大中型光学元件或光学系统(如大口径天文望远镜的主镜、长焦距透镜等)，这时测试光程比较长，镜片比较大，很难建造巨大的防振台，无法进行实验室条件下的移相干涉测试。另外，很多光学制造厂家要求能用干涉仪对光学加工件进行在线检测，这对传统的移相干涉仪使用范围提出了新的挑战。动态干涉技术已成为光学测量领域前沿课题之一，它使得天文仪器等大型光学系统的在线测试成为可能，还可以拓展应用于流场、应力场等动态波面的测试。
现代动态干涉仪均依据空间分光、同步移相的设计原则构建，即要求通过图像探测器单次曝光，同时抓拍四幅位相等间隔偏移90°的干涉图。移相干涉技术广泛应用于光学元件及系统的高精度检测，但由于需要在不同时间采集多幅移相干涉图，易受环境振动的干扰。干涉仪中光学元件与系统的误差，会导致移相不准确、干涉图背景光强与对比度不一致、图像位置不匹配等误差，从而造成测量误差。
- 国内外研究现状综述
振动对移相干涉测量最直观的影响表现为在波面结果中引入了周期性的波纹误差，其空间频率为干涉条纹频率的两倍。1996年，PeterJ.de Groot模拟了振动存在时，移相干涉测量结果的均方根(RMS)误差[3]，得到测量RMS误差峰值出现在振动频率等于采样频率的一半处，由此为降低环境振动对移相干涉测量的影响，相对于振动频率，采样频率越大越好。但高采样要求探测器必须具有极短的积分时间[4]。
2001年，P.D.Ruiz等人测量了实验室光学平台所受来自地板的振动[5]。通过对振动速度谱的分析认为，环境振动的能量主要集中在100Hz以下的频谱成分中，峰值是在30Hz。因此，所谓抗振动态干涉测量技术主要是研究如何降低甚至消除其对100Hz以下频率的振动的敏感度。为了消除环境振动对干涉测量的影响，国内外一些从事干涉测量的科学家提出了不同的解决方法。主要从干涉图采集、干涉仪光学结构、振动探测与补偿、空间同步移相等角度对动态干涉技术的方面进行解决。
三、动态干涉技术方法调研
1.单幅干涉图法
单幅干涉图法是指通过倾斜参考镜，在参考光和测试光之间引入足够的倾斜，倾斜量必须超过待测样品表面的任何局部误差，以确保没有闭合条纹。对加有载频的干涉图进行处理，可以算出被测位相偏差，如果加上短曝光技术将可以消除振动的影响[6]。比较常见的算法有空间载波移相法[7]、FFT法[1][8-11]、和虚光栅莫尔条纹法[2][12-13]。1990年蔡司公司在制造3.5米NTT望远镜主镜时发展了DIRECT100干涉仪[3][14]，这种干涉仪基于Fizeau干涉光路设计，测量时需要在参考光和测试光之间引入足够的倾斜(满口径约200根条纹)，然后应用空间载频移相算法复原待测波面。该仪器一直在使用，且精度很高，不过由于光束倾斜引入了离轴误差，内部所有的光学元件都作了相应的修正，以确保降低系统误差。目前商品化的ZYGO Flash phase[4][15]系列干涉仪通过快速采集单幅载频干涉图作傅里叶变换，复原出待测波面，它的最短曝光时间可达20us，有效降低了测量过程中振动的影响。空间载频干涉测量法的优点是系统中无须任何移相器，只需要一幅干涉图就可以计算出被测位相分布，如果曝光时间足够短，就可以实现动态测试，缺点是必须引入足够量的倾斜以确保干涉图中没有封闭条纹产生，因此参考光和测试光不再共光路，从而引入很大的返径像差(retrace error)，需要加入光学元件进行校正。其中空间载频移相法对条纹间隔要求特别高，而且计算复杂。
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