全视场外差干涉仪测量不确定度研究

Full-field heterodyne interferometer is an interferometric technology by using optical low-frequency heterodyne phase-shifting. The technology has great potential for application development because it has advantages of having no mechanical moving parts, anti-interference ability and high accuracy of measuring repeatability. The current research on Full-field heterodyne interferometer is still in its infancy and in-depth analysis of measurement uncertainty is rarely performed. According to the heterodyne phase-shifting characteristic of full-field heterodyne interferometer, this subject will analyze the effect of the optical system, detection system, environmental impact and other major sources of error on interferometric system. And Full-field heterodyne interferometer measurement uncertainty is researched by theoretical modeling and simulation calculation. The conclusions which are verified by experiment guide to interferometer system optimization design principles. Furthermore, optimized data processing methods of full-field heterodyne interferometer will be studied and error correction algorithms will be developed to improve measurement accuracy. Theoretical basis and technical foundation will be provided to higher accuracy phase shifting interferometry which has important practical significance.

全视场外差干涉仪是利用低频光学相干外差进行移相的干涉仪技术，具有无机械运动部件，抗干扰能力强，重复测量精度高等优点。目前全视场外差干涉仪的研究处于起步，深入的测量不确定度分析开展很少。本课题针对全视场外差干涉仪的外差移相特性，分析光学系统、探测系统、环境干扰等因素中各类关键误差对干涉仪系统的影响，通过理论建模与仿真计算，深入研究全视场外差干涉仪的测量不确定度，得出干涉仪系统的最优化设计原则，并通过实验进行验证。在此基础上进一步研究优化的全视场外差数据处理方法，开发误差校正算法，提高测量精度。为更高精度移相干涉仪的研究提供理论依据，奠定技术基础，具有较重要的实际意义。

全视场外差干涉仪是一种基于低频外差移相的新型干涉测量技术。本项目研究目标为：深入分析全视场外差干涉仪测量不确定度的关键影响因素。分别研究光学系统、探测系统、环境干扰等误差来源对测量不确定度的作用机理与影响程度，研究得出干涉仪系统的最优化设计原则，并通过实验进行验证。研究全视场外差干涉数据处理方法，针对典型误差来源的作用特点，开发相应的校正算法，研究更精确更优化的相位解算处理技术。研究结果能够指导全视场外差干涉仪的参数设计与误差分配，为更高精度水平干涉仪的研究提供理论依据，奠定技术基础。. 项目实际执行过程，分析了全视场外差干涉测量的光学、探测与环境等方面的误差因素，包括对光源功率起伏、外差频率、混频、探测噪声与量化等级、环境振动、湍流等各类误差因素，进行理论推导相关影响机理与测量不确定度的关系，结合仿真分析，给出了各误差因素的分解方案与边界，为系统设计提供了理论依据；搭建了一套泰曼-格林结构的全视场外差干涉仪实验系统，开展了0.25m、7m与25m干涉腔长的动态测量实验，采集了大量重复测量数据，分析了环境因素对外差探测的影响，验证了全视场外差干涉仪在远距离测试时RMS重复测量精度可优于0.5λ/1000，全视场外差干涉仪能够有效抑制环境振动、湍流的影响。根据理论分析与实验获取的数据，为了抑制拍频误差对测量不确定度的影响，提出了一种基于能量重心法的频谱校正相位提取算法，相位提取与测量精度可有效提升。. 项目研究成果具有较重要的科学意义与应用价值，为更高精度水平干涉仪的研究提供测量不确定度理论依据，为研制高精度动态干涉仪奠定技术基础。