基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉系统研究

作     者：张嘉成 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于雪莲

授予年度：2018年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：同步相移 两步相移 偏振干涉 相位提取 相位解包 

摘      要：相移干涉术是一种具有超高精度的光学相位测量技术,传统的时域相移干涉仪由于其不稳定性已逐渐被同步相移干涉仪取代,同步相移干涉仪能瞬间采集多幅相移干涉图像,正因这种实时性,其抗环境干扰能力大大提高。然而,一次采集多幅干涉图会导致相机视场的利用率降低,而两步相移同步干涉仪只需记录两幅干涉图,从而提高了相机视场的利用率。本文设计了一种基于消偏振分光棱镜的两步相移同步干涉系统,具体内容如下:首先,研究了偏振光的琼斯矩阵,推导了偏振相移所需的偏振片与1/4波片的琼斯矩阵,并分析了偏振相移干涉的原理。其次,设计了一种使用偏振相移技术的两步相移同步干涉系统,介绍了该系统的结构及原理,再从干涉、分光、相移与图像采集四个部分给出具体的设计思路。干涉部分采用了泰曼-格林型干涉结构,使用一个消偏振分光棱镜替代传统的泰曼-格林同步相移干涉系统中的两个1/4波片,消偏振分光棱镜对偏振态很不敏感,保持物光与参考光偏振态不变,从而保证了偏振相移干涉所需的两束正交偏振光。分光部分采用了消偏振分光棱镜与反射镜组合的结构,该结构分光比一致,比起高质量的光栅,其性价比高。根据设计的结构搭建了相应的实验装置,同时采集到了两幅相移量为π/2的相移干涉图像,此图像条纹对比度好,且条纹存在明显的相移。最后,研究了四种相位提取算法以及两种相位解包裹算法,通过仿真及实验对这几种算法进行了分析比较。利用本文设计的系统对平面元件表面进行多次测试,相位解包后得到表面形貌,结果表明,在实验室条件下,重复测量结果的均方根误差小于0.015λ,证明了本文的系统具有良好的稳定性和可行性。