光干涉测试中的抗振技术研究

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移相干涉术(PSI)作为快速、非接触的精密测量手段,已经广泛地应用于光学零件、光学系统、精密表面检测和其它一些与光程差参数相关的物理量的测量(如温度场、密度场等)。它的基本测量原理是,通过摄像系统(CCD)接受到的干涉图中空间坐标已知的各个像素点的光强信号,在压电晶体驱动参考光程有序变化时,采集到多幅干涉图的光强信号,由移相干涉法,由光强值得到被测光程差值(位相值)。通过严格控制环境条件(温度、气流、振动等),其理论光程差(位相)的最小分辨率可以达到nm的数量级。然而,由于干涉计量测试灵敏度高、精度高,对外界振动非常敏感,使它的应用范围受到限制。为了进一步拓展干涉仪的用途,发展移相干涉技术,本文结合导师的研究项目,在光干涉抗振技术方面做一些前瞻性、探索性的研究。 本文分析了干涉测量技术中存在的主要误差来源,通过对通常环境下振源特性的分析,得到了对干涉测试影响较大的振源的频率范围主要在30Hz以下,确定了抗振补偿的目标和技术指标是使干涉仪的振动频率<50Hz,振幅~1μm。创新性地提出了一种新的自适应抗振技术——条纹细分测振技术,可以探测到很小(本文中为1/400个条纹间距)的条纹移动量。建立了位相调制条纹细分技术的数学物理模型,提出了用硬件实现条纹移动探测技术途径。建立了一套闭环的自适应抗振干涉测试硬件系统,成功实现了实时地探测干涉条纹移动量和移动方向。提出了填充脉冲数预设定的方法,可以将干涉条纹锁定在任意设定的位相位置,实现了用PZT同时实现振动补偿和移相测量;深入分析讨论了PZT的延迟问题,创造性地提出了用多次逼近补偿的办法,给出了反馈补偿的算法,解决了补偿过程中存在的系统不稳定和过补偿的问题。详细分析了影响抗振效果的主要因素,定量地给出了其对结果的影响的大小。在实验系统中,设计并实现了带耦合系统的单模光纤导光系统,使光源和干涉仪主体的可以分离。实验验证和测试结果表明,本自适应系统可以较好地补偿50Hz以下的大振幅(条纹移动一个条纹间隔左右)振动。即使在振动较大的环境里,也可以实现干涉测量。
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