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摘 要

为了提高传统干涉仪在检测光学元件时的测量精度及工作效率，我们在干涉仪的基础上引出了新的测量技术。点衍射干涉仪相比传统干涉仪，其在结构、体积、误差来源、光源选取等方面有很大的优点。但由于点衍射干涉仪在测量中受标准球面的限制，所以利用光纤代替小孔，采用激光照明，使得对会聚波前、反射凹球面等进行精确检测,而且能检测单个面形。本文利用移相算法及两种条纹分析法，对光纤点衍射干涉仪的结构原理进行详细解析，以及通过对相移精度标定来进行系统的标定。

关键词：点衍射干涉仪，光纤，系统标定

Abstract: When detecting optical element in order to improve the traditional interferometer measurement precision and work efficiency, we on the basis of the interferometer raises new measurement technology. Point diffraction interferometer, compared with the traditional interferometer in structure, size and error source, light source selection, etc, have great advantages. But because point diffraction interferometer in measurement of restricted by standard sphere, so the use of optical fiber instead of holes, using a laser illumination, makes the convergence of wave front, reflected the concave spherical surface, such as for precise detection, and can detect a single surface. This paper, by using phase-shifting algorithm and two kinds of fringe analysis method, the structure of optical fiber point diffraction interferometer principle in detail, and based on the phase shift for system error calibration precision.

Keywords: point diffraction interferometer, optical fiber, system calibration.

目 录

1 引言 4

1.1 光纤简述 4

1.2 小孔衍射 4

1.3 干涉仪简述 5

2 传统干涉仪的结构分析与原理图 5

2.1 泰曼-格林干涉仪 5

2.2 可见光点衍射干涉检测技术（点衍射干涉仪） 6

2.3 光纤点衍射干涉仪检测技术 9

3 系统标定和误差源分析 13

3.1 点衍射干涉仪系统标定原理 13

3.2 光纤点衍射干涉仪的系统标定 14

3.3 误差精度分析 15

3.4 光纤点衍射干涉仪的误差源分析 15

结 论 17

参 考 文 献 18

致 谢 19

1 引言

近年来，点衍射干涉仪在高精度元件的测量中扮演着很重要的角色，相对于传统干涉仪，它有着更为成熟的技术^[2]。点衍射干涉仪的参考光波是通过小孔衍射产生，而传统干涉仪是由透镜产生，因此很好的改善了由标准镜的参考元件面形误差引起的测量精度限制，从而使得我们能够对纳米级及以下级精度元件进行测量。点衍射干涉仪与传统干涉仪相比，其结构简单、精确度高，并且通过小孔衍射产生参考波，解决了参考元件面形对检测精度的限制，减少了系统误差。

点衍射干涉仪的测量精度主要是根据参考衍射波面的精度，当参考波面受小孔尺寸、边缘粗糙度和小孔对准精度等因素的影响时，就不能通过理论计算来进行误差的精确测量^[1]。为了能更加精确的测量光学元件的精度，通过对点衍射干涉仪的结构原理和系统误差进行分析，采用相移干涉技术进行算法分析，为点衍射干涉仪的构建及完善提供了技术上的准备；利用动态条纹分析法，为图像接收创造合理的条件。

1.1 光纤简述

光纤是由中心纤芯和外围包层构成的圆柱形细丝，其基本类型有单模光纤、阶跃型多模光纤和渐变性多模光纤^[8]。光纤以玻璃作为波导，以光波的形式将信息从一端传送到另一端的技术。光学传输系统由三个基本部分构成：产生光信号的光发送机、携带光信号的光缆和接收光信号的光接收机^[8]。光纤传输具有低损耗，传输距离远；频带较宽，通信量大；抗电磁干扰、无串音干扰，保密性高等优点^[8]。

1.2 小孔衍射

图1 小孔衍射

点衍射干涉仪主要是通过小孔衍射产生近似理想的球面波，代替了传统干涉仪的标准镜，降低了由面形产生的误差，使干涉仪的测量精度有了很大的提高^[6]。根据小孔衍射的基本原理，当小孔的直径比较大时，光波沿直线传播，在光屏上产生一个亮的圆斑；减小孔的直径，光屏上出现一个倒立的像，即小孔成像；当小孔的直径小到一定的程度，则在光屏上出现明暗相间的衍射图样。点衍射干涉仪的小孔制作精度必须很高，它影响到点衍射干涉仪的测量精度。

1.3 干涉仪简述

干涉仪主要是检测光学加工元器件标准的仪器设备。干涉仪是依照干涉的原理，测量由同一个光源产生的两束相干光，在经过不同的光路之后形成的光程差，两束相干光间的光程差很容易受到外界因素的影响，当两束光的光程差发生改变时，其干涉条纹也随之移动。光程差的变化，可能是因为材料不均匀导致介质折射率的变化而引起的，也可能因为光波通过的几何路程的改变而引起的。光程差的测量精度影响着干涉仪的测量精度，精准的测量光程差，对条纹的分析有着决定性的影响。传统干涉仪根据光束的不同可分为双光束和多光束干涉仪。双光束干涉仪中包括瑞利干涉仪、泰曼-格林干涉仪、迈克耳孙干涉仪和马赫-泽德干涉仪^[6]，多光束干涉仪有法布里-珀罗干涉仪等。

2 传统干涉仪的结构分析与原理图

2.1 泰曼-格林干涉仪

泰曼-格林干涉仪^[6]是通过在迈克耳孙干涉仪的结构上使用点光源。在光学元件制造工艺中，通常用泰曼-格林干涉仪来检测光学元件是否合格。

图2 泰曼-格林干涉仪原理图

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