移相干涉测量的抗振技术

移相干涉术是一种高灵敏度的非接触式光学测量方法。该方法在光学表面测量、形变测量等许多方面被广泛应用。然而环境振动对该方法的测量结果可能产生不可忽视的影响，包括造成条纹抖动、干涉图模糊等现象。为了解决这个问题，提高移相干涉测量结果的稳定性，干涉测量中的抗振技术应运而生。按照抗振方式不同可将移相干涉测量中的抗振方法分为主动与被动两大类，其中被动抗振包含的方法种类较多，又可分为时域移相、单帧处理与空域移相三类，主动抗振技术旨在削弱环境振动的传播，因此主要使用气浮平台、隔罩等外部设备进行抗振。如图 1 所示。

图1 相移干涉测量抗振技术分类

一、被动抗震方法

1、 时域移相下的抗振技术

时域移相技术将移相器加入参考光路或测试光路，移相器能够在时间序列下改变两束光的相位差，从而达到使干涉条纹移动的目的。这种移相方式最常见，一般用于对静态物体进行测量。

1. 1 自适应抗振

自适应抗振的原理为：以环境振动引发的相位变化作为反馈信号，将干涉系统制作成闭环系统，由探测器（例如高速响应的光电二极管等光电探测器）同步检测振动所造成的相位变化并实时反馈给控制器，达到在移相过程中监测振动，并由驱动器补偿振动带来的影响。大体分为以下三类。

1）压电陶瓷（PZT）驱动型

2）声光/电光调制型

3）光源可调谐的干涉系统

1. 2 算法校正或补偿

自适应抗振策略通过构建闭环系统的方式达到自动探测并补偿振动的目的。这种系统的构建往往较为复杂。为此研究者们提出了另一种思路，针对已受振动影响的干涉条纹图进行算法处理以得到正确的相位分布。这类算法被称为抗振移相算法（AVPSA），大致可分为迭代与非迭代两种

1）迭代算法

这类算法将移相量与相位均作为未知数进行迭代处理，将干涉图强度作为已知量，求解非线性方程组得出结果。这种方法对移相量没有定步长的要求，干涉仪上随机移相产生的干涉图亦可用于求解。Wang 等 在 Kong 的工作上再进行优化，提出了先进迭代算法（AIA），其算法步骤如图 2所示。

图 2 AIA 算法流程图

2）非迭代算法

这类算法旨在对每一幅移相干涉图中的每个像素进行分析，获取波面相位并进行补偿。Schwider 等发现振动会在相位包裹图中引入有特征的误差，该误差的特征在于其空间频率为条纹的两倍，称为“波纹”，如图 3所示。为了将误差分量移除，提出多项式拟合算法，该算法在处理移相干涉图时能提取出误差分量 。后续 MenesesFabian 等 也提出了基于多项式拟合的非迭代算法，使用 k 阶多项式进行拟合，再结合最小二乘法计算出移相步长。

图 3　振动引入前后的恢复相位误差

1. 2 单帧处理技术

单帧处理旨在从单幅干涉图中提取相位，因此只需要单次曝光。由于没有移相过程，可避免环境振动的干扰且能够节省测量时间。然而单纯处理单幅干涉图时，面对零频区域与驻点会出现计算误差，因此精度会有所下降。

1.3 空域（同步）移相技术

在时域移相中，振动会通过时间序列上的移相过程将误差引入干涉图中，因此若能够在同一时刻采集多幅具有固定相位差的干涉图，便可避免环境振动对移相过程所造成的影响。同步移相技术能在同一时刻采集多幅干涉图，这种移相方案不仅能用于静态测量，还被广泛应用于动态测量中，该技术发展至今已有许多的方案，大体分为以下两类。

1.3. 1 元器件分光方案

这种方法使用分光元件将干涉信号分成多束，通过波片、偏振片与分光镜的组合对每束光分别进行移相，常用的元器件有分光棱镜、沃拉斯顿棱镜及衍射元件等。Smythe 等 提出一种使用偏振分光棱镜（PBS）和非偏振分光棱镜（BS）的同步移相方案，是该类方案的雏形。Koliopoulos 等使用与之相近的结构设计了同步移相干涉仪。Sivakumar 等提出了基于三个BS 分光的同步移相结构，图4为其结构图,。

图 4基于 BS 分光的同步移相

3.3. 2 像素化偏振掩膜板方案

该方法要求制作一个掩膜板并置于 CCD 靶面的正前方，如图 5 所示，该掩模板上排列着许多的单元且其空间尺寸与 CCD 的像素一致，相邻的 4 个单元为一个组，组中的每个单元都能使透过的光产生固定的移相量。将每个组看作为一个像素整体，CCD 靶面的每个像素点都能记录下固定移相后的干涉图。之后用拆解重组的算法处理采集的图像，便可以从一幅干涉图中分出 4 幅具有固定移相的干涉图。这种方法的优点在于可以减少使用的 CCD 数量，使得系统与干涉图的采集变得简便。而缺点是从一幅图中提取出了 4 幅干涉图，因此每幅干涉图的分辨率仅为 CCD 分辨率的 1/4。由于像素化偏振掩膜板的制作工艺较为复杂且直接关联到干涉图的质量，因此该方案适用于 CCD 靶面面积需求较小的场合 。除掩膜板外，将液晶置于 CCD 前，利用液晶改变光的偏振态也能达成同步移相干涉。空域移相技术以其优越的抗振特性可适用于车间环境下的测量，虽然振动不会对空域移相中的移相量造成随机误差，但起偏器的方位角偏差仍会产生空域上的移相误差，而空域移相技术采用的定步长移相算法要求精确的移相量，因此空域上的移相误差仍能导致相位的提取结果产生误差。

图 5 单个 CCD 接收 4 幅同步移相干涉图

图 6 像素化偏振掩模板

二、主动抗震方法

2. 1 外部设备抗振（主动抗振）

被动抗振技术旨在尽可能消除振动误差的影响。而主动抗振是指使用外部设备减少干涉仪受到的振动。该类设备中较为常见的有光学实验室中的气浮隔振平台、外部隔罩等。

图 7 为气浮光学平台实物图。

该文章内容素材源自论文:[(张力伟，陈浩博，孙文卿*，王军，吴泉英)Review of Anti-Vibration Technology in Phase-Shifting Interferometry]