基于时间-空间联合移相的天文光学镜面复杂环境干涉测试技术研究

In modern telescopes, large-diameter high-precision optical mirror is widely used. To measure these mirrors with interferometry, a long optical path cavity is almost necessary. However, in the measurement, various environmental factors will have significant effects on the test result, including environmental vibration, air turbulence, temperature changes, stability of the light source and so on. Using dynamic interferometer can reduce the impact of vibration factors significantly, but some other factors are still exist. For the analysis of these factors and the elimination method is still a lack of systematic research conclusion. Accordingly, this study proposes the use of cellular automata theory as an analytic framework, develop of the key components of the phase shift and acquisition time-space combined phase-shifting interference data. Research the impact on the result of a variety of complex environmental factors on long cavity interference affect, and the corresponding mathematical models. The platform for testing the large diameter, complex environment with interferometry and corresponding phase retrieval algorithm based on the above theory is developed. The problems of measurement for large diameter optical interference cavity length within complex environment will be solved. The theoretical results of this study will serve manufacturing and testing of modern astronomical mirror.

在现代天文望远镜中，大口径高精度的光学镜面广泛应用。为了对这些镜面进行干涉检测，经常需要搭建长干涉腔长的测试光路。然而，在测量过程中，各种环境因素将会对最终结果造成显著影响，包括环境振动、空气湍流、温度变化、光源的稳定性等。使用动态干涉仪进行此类测试，可以降低振动引起的误差，但是其他环境影响因素依然存在。对于这些因素的分析和消除，目前的研究较少，未建立起全面系统的理论。因此，本申请提出使用元胞自动机理论作为分析框架，设计关键移相组件，获取时间-空间联合移相干涉数据，研究各种复杂环境因素对长腔长干涉测试结果的影响，建立相应的数学模型。并根据上述理论开发相应的相位恢复算法，研制适用于大口径、复杂环境的干涉测试平台。解决在复杂环境下，大口径光学镜面的干涉测量问题，为当代天文光学镜面的制造和检测服务。

在现代光学望远镜中，大口径高精度的光学镜面广泛应用。为了对这些镜面进行干涉测量，经常需要搭建长干涉腔长的测试光路。然而，在测量过程中，包括振动、气流、光源的稳定性等环境因素会对测试结果产生显著影响。使用动态干涉仪进行测量，可以降低环境误差对结果的影响。为此，本课题对其中的关键技术开展了研究，主要包括以下几个方面：1、在干涉测试中，低频振动对测试结果影响明显，会导致条纹变得模糊，对比度下降。我们搭建了振动测试装置，分析了振动频率与干涉图对比度之间的关系，为高速采集移相干涉方案提供选型依据。2、本课题提出了一种从两幅载频移相干涉图中计算出全局移相量的算法。该算法中，使用了迭代方法计算辅助函数的最小值。根据比较结果，算法的性能高于经典的环围能量法，尤其是在条纹数量较少的情况下优势明显。3、本课题提出了一种干涉图筛选算法，从一系列同步移相干涉图中选择受到气流影响最小的一组干涉图，从而降低气流因素对结果的影响。本课题中，搭建了同步移相干涉测试系统，并对相关参数进行标定。将干涉图筛选算法与全局移相量估计算法结合，对同步移相干涉图进行处理。从移相干涉图中计算出压包相位，使用改进的质量图法进行相位解包，得到真实相位分布。在该项目中，获得了一些学术和原创成果，这些成果有利于光学镜的干涉计量。