菲索干涉仪中精确移相的实现

光学干涉测量技术是以光波干涉原理为基础，以光的波长为单位的-种计量测试方法，是检测光学系统、光学元件较为有效、准确的方法之-。 其中，菲索型干涉仪具有共光路，系统误差较小的优点，常用于元件的面形测量。1974年，移相技术的引入极大程度地提高了干涉仪的检测精度 ，因此，移相式菲索干涉仪成为当前最常用的光学元件面形精度测量设备 J。目前，市场上已有美国Zygo公司和 ESDI公司生产的干涉仪出售，但具体技术报道较少。在国内，南京理工大学和成都精密光学工程研究中心等单位也对干涉检测技术进行了研究，并研制了原理样机，但其测量精度有待提高 j。在高精度干涉仪方面，国内还处于起步阶段 因此，为打破国外公司在此领域的垄断地位，对高精度干涉测量技术开展研究是很有意义的。

在移相干涉仪中，移相误差的存在会极大地影响测量结果的准确性 ，而移相误差的大小又撒于移相系统工作性能的优劣，因此，对能够实现高重复性和高精度测量的移相系统开展研究是很有必要的。本文建立了用于移相干涉仪的同步采集移相系统，并讨论了精确移相的具体实现方法，包括移相器移动速率的计算，移相器行进过程的详细设计和移相器的标定等。实验结果表明，该移相系统及移相方法具有较高的测量重复性和准确度，可满足纳米级面形测量的要求，为高精度移相干涉仪的研制奠定了基矗2 移相 系统的组成与工作原理2.1 移相系统的组成同步采集移相系统的框图如图 1所示。该系统主要由PZT移相器、移相控制器、计算机、图像采集卡和 CCD相机组成。移相控制器选用德国PI公司的 E-712控制箱，它包括计算机通信模块、位移监测拈∝制拈和驱动拈，各拈相互配合完成 PZT移相器的驱动和控制。PZT移相器内部集成有电容位移传感器，可以实时测量移相器的行进量并反馈至移相控制器的位移监测拈。NI公司的PCI-1433图像采集卡被选用，于实时采集 CCD接收的干涉图像并传送给计算机，该图像采集卡具有外触发口，可以接收触发信号并根据配置执行单帧采集或多帧连续采集的任务。CCD相机选用 Baumer公司的 SXC 10相机，可以方便地设置曝光时间和帧速率大校计算机用于配置移相控制器和图像采集卡，并完成对CCD相机的参数调节和图像显示、面形计算等功能。

PZT移相器驱动信号lI 立移反馈触发脉冲制指令与信息反馈CCD机图 1 同步采集移相系统框图Fig.1 Block diagram of synchronous acquisition phase-shifting system2.2 移相系统的工作原理移相系统的工作原理为：在面形测量之前，首先对 CCD的帧频、曝光时间和移相器的起始位置及图像采集卡的触发条件进行初始化，图像采集卡此时处于预览模式，即只实时地显示接收到的图像但并不保存图像-始测量时，图像采集卡切换到等待触发模式，移相控制器发送电压给移246 中国光学 第6卷相器使之按照指定速度开始前进，并不断检测电容位移传感器的反馈值。当移相器到达某既定位置时，由移相控制器发出-电压脉冲给图像采集卡，图像采集卡收到脉冲后，按照给定的帧速率连续采集并存储满足移相算法要求的若干幅干涉图。然后，由计算机根据采集到的干涉图像进行面形求解3 精确移相的实现3.1 移相速度计算在连续式移相中，CCD相机是对图像进行连续积分并存储的。设 CCD的帧速率为f，则 CCD每采集-幅图像所需的时间为 1仉 相位差卢与光程差(OPD)的对应关系为：卢2· ·OPD， (1)A式中，OPD是单程的光程差，等同于移相器的行进量 d。设移相算法要求相邻两干涉图间的移相值 为2r/N，代人上式可知此移相值对应 PZT移相器的行进距离为：d · (2)所以计算可得测量所需要的移相器行进速率为： d。f f. (3)在632.8 nm波长下，以 Zygo干涉仪中使用的 13帧算法为例，该算法要求各咒移相值为-r/4，若 CCD帧速率为60 frame/s，则对应的PZT的速度为：。 60：2·373/.Lm · (4)将此速度作为移相器的初始速度，在后续的移相器标定中对此速率做适当调整，即是移相器在测量过程中的行进速度。

3.2 移相器行进过程的设计3.2.1 初始化移相器以减小离焦误差如图2所示，当被测元件是球面时，参考面在日位置时与被测面是共焦位置，当PZT移相器推动参考面沿光轴平移到 C位置时，就会出现-定的离焦量，从而引入测量误差。

B C- 共焦情况光线- >离焦情况光线参考面位置 被测面位置图2 球面干涉腔离焦不意图Fig.2 Schematic drawing of defocus in spherical cavity在移相过程中需尽量减小此离焦量的值，以减小测量误差。本应用中，在 PZT初始化时将其定位在位置B处，调整被测元件位置使干涉图达到零条纹状态，在开始i贝0量时，移相器退回到 A处，开始匀速运动，到达 C位置时停止运动，保证CCD的采图的时刻分布在 B位置的两侧，则可以减小由于存在离焦而造成的误差。实际中，通过对测量结果做Zernike拟合得到 Power值，并使之为零，来指导 PZT移相器的起始位置的确定。

3.2.2 避开加速段和减速段在移相过程中，希望移相器是匀速移动的，但实际上它的移动可分为加速.匀速.减速 3个阶段。因此，在 CCD帧速率恒定的情况下，要保证PZT的移动处于匀速阶段，需要在行进过程中为PZT的加速段和减速段留出余量。如图 3所示，设面形测量需要采集 N帧干涉图，在 N帧干涉图采集过程中，PZT移相器需要移动的位移为L，则令 B ，B 对称分布在共焦位置 B的两侧，与 B的间隔是 L/2，自A位置开始，在B 前为移相器留出充分的加速段，在 B：后为移相器留出充分的减速段，到 c位置结束。本应用中，将加速段和加速段设为1 m，满足了应用的需求。

< C <图3 移相器移动过程示意图Fig.3 Skematic of moving process of phase shifter