共轭相移相位测量法的工作原理详解

共轭相移干涉测量法的系统原理如图7.5所示。准直光束通过分束镜后分成两路，一路为参考光，另一路为测量光。测量光经衰减片衰减到与参考光光强相当，以提高干涉条纹的对比度。再经偏振片后将光束偏振方向调整到与液晶分子指向一致，经反射镜、液晶光学相控阵后分成各级衍射光束，由分束镜3以及4 f系统收集最终在CCD相机上汇聚。4 f系统保证液晶出射端与CCD感光面端物像共轭，由于CCD靶面尺寸一般小于液晶光学相控阵的尺寸，所以采用缩束型4 f系统。另一路经分束镜2和压电陶瓷反射镜（PZT）反射后在分束镜3上与测量光汇合，并同样经4 f系统后在CCD感光面上与测量光进行干涉。其中液晶光学相控阵位于4 f系统的前焦面，CCD相机位于后焦面。用分束镜2代替传统Mach－Zehnder干涉光路中的反射镜，可以消除压电陶瓷反射镜移动导致的参考光横向位移。这是直接测试相位的方法，把液晶光学相控阵后表面的光场映射到CCD靶面上，用平面波与缩束后的液晶光学相控阵光场进行干涉来提取相位。整个测量过程由相移、条纹采集和相位提取等部分组成。测试时，驱动压电陶瓷PZT反射镜移位，产生时间序列上的多幅干涉图。

图7.5　共轭相移干涉测量法系统原理

图7.5中，测试光经液晶光学相控阵衍射后会产生±1级、±2级、0级等各个级次的衍射光束，将液晶光学相控阵置于4 f系统中透镜1的前焦面，CCD置于4 f系统中透镜2的后焦面。采用光路共轭结构，可以使液晶光学相控阵出射的衍射光束最终都能在CCD靶面上会聚，采用这种结构可尽可能地会聚各个衍射初级次的光束到CCD靶面上。对于一个理想的液晶光学相控阵，它与普通透射式闪耀光栅没有本质区别。普通透射式闪耀光栅每一个锯齿面是连续的，而液晶光学相控阵则是用多个不同相移量的液晶微移相器来逼近连续锯齿面。由于相位台阶效应、电压相移误差、电场边缘效应等因素会造成液晶光学相控阵相位与等效理想闪耀光栅相位的偏差，从而引起衍射效率的下降，因此在其他衍射级次上光强不可忽略。采用上述相位共轭方法可将液晶出射端的波前相位在CCD感光面上再次还原出来，从而利用各种相位测量手段对液晶光学相控阵的出射波前相位进行测量。

对于采集到的多幅相移干涉图，利用多步相位重构算法对待测波前相位进行波前重构。参考平面波与待测畸变波面叠加的干涉场光强分布为

式中，I1（x，y）和I2（x，y）是两个相干光的光强；φ（x，y）是待测波前相位与参考波面的相位差；δ（t）是相移量；I1（x，y）、I2（x，y）和φ（x，y）为未知量，因此至少需要三帧不同相移值产生的干涉图才能确定出φ（x，y）。由于参考波面为平面波，φ（x，y）也就是待测波面的相位分布。

为提高测量精度，采用五步相移法得到五步条纹图，采集其相应的5次光强分布。在五步相移法中，相移分别为0，π／2，π，3π／2，2π，由此可获得5帧光强图像Ii（x，y）（i＝1，2，3，4，5），则计算得到其波前相位分布为(www.xing528.com)

计算公式中有减法与除法运算，可以消除掉系统误差。这是目前应用最广泛的相移计算公式，它对相移器的移相误差和探测器的非线性响应误差敏感度较低。

液晶光学相控阵的表面光场经4 f系统缩束后的波面可近似写为

相移为δ时，干涉光强分布为

由此可知，测量出来的相位分布为缩束后的分布，因此还需放大才能还原出真实待测波前。重构出的波前直接就是锯齿形液晶光学相控阵的相位分布。得到的相位分布为，经过简单的象限判断，可将相位分布扩展到，于是可以得到其液晶相位在的分布。如果以不加电的液晶相位为0相位，可将液晶调制相位扩展到区间。由于液晶光学相控阵对波前相移不超过2π，因此可以不用再对相位进行解缠。与剪切干涉相位重构算法相比，移相干涉法的计算过程要简洁得多，不需要迭代，所以计算速度大大加快，且波前重构精度高，这是它最大的优势，可以加快液晶相控阵的调试过程。相位轮廓误差对条纹图的影响是改变各条纹之间的间隔，误差起伏的幅度越大，条纹间隔变化就越激烈。由于CCD像素尺寸的限制，条纹图的间隔若太小就无法识别了，所以有一个测试范围的限制。