典型同步移相干涉系统的优化设计

早期最具代表性的同步移相干涉系统是Smythe 系统。它采用泰曼-格林干涉仪光路作为基础，如图4.8所示。

图4.8　Smythe 同步移相干涉系统

He-Ne 激光器发出的光波经偏振分光棱镜PBS1，分为两束偏振态相互垂直的测试光与参考光，假设分别为水平方向和竖直方向；它们分别两次通过一个与竖直方向成45°的1/4波片后，被偏振分光棱镜PBS1 重新合并，然后经过一个半波片后被旋转为两束偏振态仍相互垂直，但与竖直方向都成45°夹角的线偏光，见图4.9。

图4.9　Smythe 系统中干涉图1 的形成示意图

两束线偏光经过分光镜BS 后被分为两路，第一路直接进入偏振分光棱镜PBS，水平分量a 和c 相位差为180°，进入CCD1 形成的干涉图1；竖直分量b 和d 相位差为0°，进入CCD2 形成干涉图2；第二路经1/4 波片后，将所有光的相位同时延迟了90°，即CCD4 上得到的干涉图4 和干涉图1 之间产生90°移相，CCD3 上得到的干涉图3 和干涉图2 之间产生90°移相。因此，最终在4 个CCD 上形成了4 幅依次移相90°的干涉图。根据四步移相算法，就可以算出波前分布。

为同时采集4 个CCD 的干涉图，系统需要用一个同步信号源控制4 个CCD，而4 个CCD 相机光电性能的不一致、光学器件表面的不一致，甚至脏点、镀膜不均匀都会影响测量结果。基于上述原因，为了达到一致性的要求，整个系统各元件的加工、装配以及元器件的筛选就显得特别重要，同时系统的控制也较为复杂。与此类似的同步移相干涉测量系统还有Koliopoulos 系统、Haasteren 系统等。

近年来，基于分光镜的同步移相干涉技术得到了很大的进展。ESDI 公司的Piotr Szwaykowski 等于2004年提出了一种基于光学镀膜技术、波片移相的Fizeau型同步移相专利技术，成为分光镜分光式商品化同步移相干涉仪的典型，其分光结构如图4.10所示。ESDI 同步移相干涉仪的核心元件是一个无偏振幅型分光棱镜，参考光和测试光偏振方向相互垂直，被一个非偏振型分振幅的分光棱镜分为4 组。两个分界面处的膜系均为半透半反膜，因此4 组光具有对等的光强匹配，选择非入射方向的3 组，在后续光路中分别添加合适的偏振器件后引入不同的移相量，形成3 幅具有一定相位差的移相干涉图，并由3 个性能一致的CCD 相机进行同步采集。

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图4.10　ESDI 的Fizeau 型同步移相干涉仪分光结构示意图

目前应用最为广泛的同步干涉测量仪是美国4D Technology 公司生产的PhaseCam 干涉仪。与分光镜+偏振元件的方式不同，PhaseCam 干涉仪采用“像素偏振式同步移相相机”实现同步移相干涉测量，如图4.11所示。

图4.11　PhaseCam 干涉仪

干涉仪主体部分与前面介绍的Smythe 系统十分相近，略有不同的是PhaseCam 干涉仪测试光与参考光分别为左旋圆偏光和右旋圆偏光。在参考光与测试光合束后不再进行分光，而是直接通过拍摄系统将干涉条纹成像在“像素偏振式同步移相相机”上。与普通的CCD 相机不同，“像素偏振式同步移相相机”探测器靶面前覆盖一层与像素单元一一对应的微偏振片阵列。微偏振片阵列的每个单元都是线偏器，且相邻单元的偏振方向都不相同，如图4.12所示。

图4.12　PhaseCam 干涉仪中使用的微偏振片阵列

偏振方向分别为左旋圆偏光、右旋圆偏光的测试光与参考光同时入射到线偏器上时，两束光波之间会产生附加相位差φ，其大小刚好为线偏器方向角的2 倍。当线偏器方向为0°时，测试光与参考光间不引入额外相位差；当线偏器方向为90°时，测试光与参考光间的额外相位差为180°；当线偏器方向为135°时，测试光与参考光间的额外相位差为270°。

CCD 与微偏振片阵列的像素大小仅为10 μm 量级，相邻像素对应的被测波前相位差极小，均可看作相邻四像素中心点的相位。如图4.12所示，若使微偏振片阵列相邻的4 个单元偏振方向分别为0°、45°、90°、135°，则可同时得到中心点4 幅依次移相90°的干涉图。类似地，循环采用相邻四像素计算中心点的初相位，即可得到全口径的移相干涉测量结果。

PhaseCam 干涉仪无须多相机同步信号，从物理上保证了各帧干涉图的同时采集，最大限度地减轻了环境振动的影响；同时也避免了多光路、多CCD 相机光电性能不一致带来的影响；并且由于像素交叉循环使用，并不降低干涉仪的像素分辨率；且随着技术的成熟，制造微偏振片阵列的成本也相对低廉。因此，在商用化的同步移相干涉仪中，4D Technology公司生产的PhaseCam 干涉仪有着极高的市场占有率。