单CCD空间移相干涉图的旋转误差研究

 2024-01-09 08:01

论文总字数：7217字

摘 要

同步移相干涉测量技术是一种重要的移相干涉测量的抗震手段，可以通过一个CCD瞬态采集多幅移相干涉图来实现抗震目的。采用一个CCD同时拍摄多幅干涉图，在进行移相算法之前需要对干涉图的空间相对位置进行标定，即找出干涉图的相对位置，然后再进行干涉图的采集。而CCD的移动或者旋转等因素，会导致干涉图的相对位置与标定的相对位置之间发生了相对移动，形成空间位置匹配误差。本文将针对空间移相干涉图的相对移动所导致的空间位置匹配问题进行分析，研究干涉图的旋转误差。

关键词：空间移相，干涉，空间一致性，旋转误差

Abstract: Synchronous phase-shifting interferometry technique is one important anti-seismic means of phase-shifting interferometry,which can attain the goal of seismic through one CCD collect interferograms instantaneously.The system uses one CCD to take interferograms at the same time.It needs to calibrate relative position of interferograms in space before using phase-shifting algorithm.That is to say, relative position of interferograms should be ascertained first,then interferograms can be gathered.However,the CCD’s movement or rotation may lead to the relative movement between relative position of interferograms and relative position of calibration,which may form the space position matching-error.This paper will research the space position matching-error and rotation-error of interferograms.

Key words: spatial phase-shifting, interference ,spatial consistency,rotation-error

目 录

1 前言 3

2 单CCD同步移相干涉系统介绍 3

2.1 系统结构框图 3

2.2系统光路图及工作原理介绍 4

2.3 理论分析 6

3 空间移相干涉图的旋转分析 8

3.1空间一致性分割 8

3.2干涉图的旋转分析 9

3.3空间移相干涉图的处理流程 10

结 论 12

参考文献 13

致 谢 14

1 前言

如今，光干涉测量技术应用十分广泛[1]，是因为它具有可以进行波长量级的非接触式测量的显著优点。该技术对干涉场进行相位调制，并且依照采集的多幅相移干涉图进而对待测相位进行恢复，显着提升了干涉测试的精度。

但是，移相干涉测量技术中存在一项重要的误差源——环境振动。目前，人们通常采用PZT来对干涉图进行移相处理，进而采集三幅及以上的干涉图，干涉图之间存在特定的相位差。然而在实验过程中，难免会因为环境振动的因素而降低测量精度。因而，移相干涉测量中一般需要采取各种措施来降低环境对测量的影响，如减震地基、光学隔振平台等，这些措施对小型光学器件测量有很好的抗振作用，然而由于科技的发展与进步，大型光学器件在科学领域的应用也逐渐普及，如天文、航天、能源等领域，基于测试这种大型光学器件的场合特点，只是修建减震地基，使用光学平台，已满足不了此类光学器件的测试需要。所以，怎样在有环境振动的干扰下提升干涉测量的精度成为研究热点之一。

移相干涉测量的抗振技术主要为如下几种：一、空间（同步）移相干涉测量技术；二、研究各种对振动不敏感的移相干涉测量算法；三、在硬件上采取自适应方式将干涉图固定，然后再依次采集。其中，空间移相干涉测量技术为同一时刻在空间不同位置上同步采集多幅具有特定移相步长的干涉图，既保持了移相干涉测量的精度，又实现了抗振，因此，空间移相干涉测量技术的研究逐渐成为移相干涉测量的抗振技术研究的主要方向。

在已有的空间移相干涉测量技术中，大部分的研究者通过一个CCD来同时采集所有的干涉图，通过牺牲干涉图的空间分辨率，来实现移相干涉图的同步采集，避免了多个CCD的同步控制以及响应的一致性问题。而通过一个CCD来同时拍摄多幅干涉图，在进行移相算法之前需要对干涉图的空间相对位置进行标定，即找出干涉图的相对位置，然后再进行干涉图的采集，而CCD的移动或者旋转等因素，会导致干涉图的相对位置与标定的相对位置之间发生了相对移动，形成空间位置匹配误差。本文将针对空间移相干涉图的相对移动所导致的空间位置匹配问题进行分析。

2 单CCD同步移相干涉系统介绍

2.1 系统结构框图

空间相移的实现方法有很多种类型，其中广为使用的是基于光栅分光以及偏振干涉的空间相移系统。该相移系统，实现了在单CCD上接受3幅或4幅包含不同相位差的干涉图。系统结构框图如图1所示。

扩束准直

偏振元件

激光

空 ︵

间 采用

分 光栅

光 ︶

空

间

移

相

缩束元

件

控

测器

计算机

数据

传输

偏振干涉系统

图1 系统结构框图

2.2系统光路图及工作原理介绍

空间相移干涉测量系统[2]如图2所示。由干涉系统，分光系统，相移系统以及数据采集系统四个部分组成。

图2空间相移系统

（G1：1/2波片；G2、G3、G4：1/4波片；PBS：偏振分束器）

根据系统方案，该光路前端采用泰曼式偏振移相干涉仪，分光系统则采用二维正交全息光栅、空间滤波光阑以及透镜组合，移相系统采用特制的4片偏振片组成的偏振阵列，最后，CCD摄像机和微型计算机则构成成像系统。具体光路踪迹如下介绍[3]：

  1. He-Ne激光器发出激光，激光经过G1和扩束系统后，成为平行的线偏振光，记为入射光。
  2. 入射光进入PBS后，入射光被PBS分成振动方向相互正交的两束偏振光。平行于入射面的光分量被透射，垂直于入射面的光分量被反射。
  3. G2、G3两个1/4波片的快轴方向分别与通过它们的线偏光的振动方向成45°。入射光通过PBS后，这两束光分别射向参考镜和被测球面镜。反射光分量经G2后又被参考镜反射后再一次经过G2，两次往返G2，使得它的光矢量振动方向旋转了90°。同理，透射光两次往返G3，它的振动方向也旋转了90°。
  4. 最后，这两束光再次会合于PBS，并一起通过G4，形成了左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，终而合成为一束线偏振光。
  5. 该线偏光经过偏振片后，形成干涉图。

又因为1/4波片的性质[4]如下表所示：

表1 1/4波片的性质

1/4波片

光程差

位相差

性

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