利用空域采样相移干涉计量法测量微小位移

　　引 言

　　光学干涉计量技术的出现使得测量波长量级的微小位移和形变等成为可能。利用通常的干涉计量方法测量小到几百纳米的位移和形变技术已经非常成熟并得到了广泛的应用。但随着测量精度要求的进一步提高，传统的干涉计量方法已经显得力不从心。相移干涉计量方法的出现扩展了光学干涉计量技术的应用范围，它在大大提高测量精度的同时，由于采用计算机自动位相数据恢复技术，其自动化程度更高，可靠性更好。自从相移干涉技术问世以来，已经在光学加工和检测、微小位移测量等多个方面得到了应用。通常的相移干涉计量技术，对每一测量点一般需要三个或三个以上的参考光相移后的光场强度数据进行位相计算，因此在相移过程中必须保证被测量点的位相不变。这对于测量缓慢变化或静态的目标是可行的，但有时我们需要精密测量快速变化的目标，传统的相移干涉计量方法将会遇到很大的困难;另外，通常的相移干涉计量技术中，参考光相移一般是采用 PZT 等沿光线方向移动反射镜改变光程的方法，由于相移器件的非线性，也会造成很大的测量误差。

　　为了将相位测量技术应用到动态过程，出现了所谓的直接空间相位重现技术[1-5](Direct spatialreconstruction)，多通道偏振相移技术[6，7]和基于光栅分光的相移干涉计量技术[8，9]等，它们中的许多方法已经成功地应用到许多精密测量领域。但以上的动态测量技术有的需要借助于大量复杂的信号分析和数据处理(如 FFT 技术)，有的则需要依靠特殊的光电器件，并且结构复杂造价昂贵，这在很大程度上限制了它们在许多方面的应用。

　　本文提出了一种利用阶梯镜或倾斜镜同时获得多个相移数据的技术，可以方便地实现对各种快速变化目标位移或形变等的精密测量。该技术装置结构简单、紧凑，数据处理简便，可以方便地集成或嵌入到其它光电系统中去，用于实时检测和测量。实验表明，利用这一技术，可以实现对多种目标的快速测量和检测，其快速位相测量精度在普通环境下优于 5 ，演示实验装置的数据率可以达到 2000 次/s 左右。

　　1 主要原理和装置

　　干涉图中某一点的光强可以表示为[1]

　　传统的相移干涉计量引入相移的方法是通过多次移动参考反射镜，改变参考光的光程来实现。正如引言中所述，这一方法不适用于测量快速变化的目标，而且环境噪声对其测量精度的影响很大。

　　在许多应用领域， 我们所关心的只是目标作为整体或其上某特定点的位移或形变，这时可以采用阶梯镜或倾斜镜一次获得多个相移数据，从而实现对这类目标的快速精密测量，其原理如图1 所示(以倾斜镜方法为例)。在图中，通常用于引入相移的可移动反射镜被一倾斜镜(或阶梯镜)所代替，物光束由一会聚透镜将光线聚焦在所测量的物体表面。由待测物体返回到探测器的光将近似于平行光，其相位在探测器表面是均匀的。倾斜镜的倾角可以根据所要求的精度以及探测器的像元数和像元尺寸调整(在使用阶梯反射镜时，其相邻阶梯高度差应为所用激光波长的 1/8)。