点光源异位式斐索干涉机理及天文镜面动态测试方法研究

Large aperture optical flat is widely used in large optical systems such as astronomical telescopes, laser fusion devices, space cameras. The test result will be affected by temporal error sources including environment vibration, atmospheric turbulence, and temperature drift. Most laser interferometers with the aperture over 600mm at present are based on temporal phase shifting interferometry, which cannot avoid environmental disturbance effectively. To meet the requirement of the dynamic test for astronomical mirrors, the simultaneous phase shifting interferometry will be studied based on displaced point source array, which induces phase shifts into four individual interferograms by the lateral displacement of the point source array. In order to separate the four phase-shifting interferograms captured in one shot, an imaging lens array is employed to translate and conjugate the fringe pattern on to the CCD target. And the surface figure of the test mirror will be retrieved at last. The research includes (1) To study the relationship between the point source array orientation and the cavity interval to reveal the spatial phase shifting discipline. (2) To develop fringe pattern duplication and conjugate relation model by means of the lens array to propose the spatial phase shifting algorithm. (3) Based on the phase reconstruction model, the consistency calibration method will be studied and the relationship between the nonlinear radiation of the point source array and the interference wavefront harmonics will be analyzed. The result of research can provide the technical approach for the independent development of 12m telescope, Antarctic astronomical telescope and other major scientific projects.

大口径光学平晶在天文望远镜、激光核聚变装置、空间相机等大型光学系统中具有广泛应用，在其检测过程中会受到震动、湍流、温度漂移等时变因素的影响。现有口径大于600mm激光干涉仪基本采用时间移相方式，不能有效克服环境干扰。本项目针对天文镜面的动态测试需求，拟开展异位点光源阵列同步相移干涉方法研究，由点光源阵列的垂轴位置差异在干涉图中引入相移，并通过空间分光成像透镜阵列同步采集四幅相移干涉图，由此解算待测光学面形。研究内容包括：（1）建立点光源阵列与干涉腔的函数关系，揭示点光源异位空间移相规律，发展等步长相移控制方法；（2）建立基于透镜阵列组件的干涉场空间分光与精确共轭模型，揭示时空移相机理；（3）建立空间移相干涉图位相重构模型，研究干涉图的一致性标定方法，研究点光源阵列非线性辐射与干涉波前谐波之间的函数关系。本项目研究及成果将为我国自主发展12m天文望远镜、南极天文望远镜等重大科学工程增强技术手段。

动态干涉测量技术是光学干涉测量领域的重要研究课题，用于解决时域干涉测量方法无法在非稳态环境下进行高精度测量的难题。该技术可在同一时刻采集多幅移相干涉图，从而实现动态目标的干涉测量，在航空航天、天文光学、生物医学等领域具有广泛的应用前景，尤其在存在振动、湍流、温漂等时变因素的非稳定测量场合，其优势更加突显。现有的动态干涉测量方案大多基于偏振移相，采用该方案进行测量时，光学材料残余应力会引入附加的移相，进而产生移相误差。偏振移相动态干涉测量方案应用于大口径干涉仪中时，不易用于检测大口径透射光学元件。针对以上问题，本项目提出了非偏振的点光源异位式空间移相干涉方法，建立了点光源异位的移相数学模型并推导了点光源异位式空间移相原理公式。该方案将干涉仪的光源系统设计为点光源阵列，由各子光源横向离轴量的差异在干涉图中引入同步移相，辅以透镜阵列对干涉图进行空间分光，采集得到空间分离、共轭成像的四幅移相干涉图。攻克了同步移相与空间分光关键技术，设计研制了棋盘位相光栅，通过光栅的衍射效应生成点光源阵列，实现了同步移相，同时提高了光能利用率；构建了透镜模块的分光与成像模型，设计制作了模压透镜阵列，将其嵌入双远心成像系统中，实现移相干涉图在空间上的分光成像。在以上工作的基础上，设计并搭建了Φ150mm口径点光源异位式动态斐索干涉系统。为解决较小点光源阵列尺寸与较大透镜阵列尺寸的设计要求之间的矛盾，将准直光路与成像光路分离，以扩大成像透镜阵列中子透镜的通光口径，实现了系统的高分辨率成像；使用扩束镜扩束小口径平行光束，代替使用长焦距准直透镜，实现系统小型化。搭建了测试装置，用于平面镜、球面镜及动态液面的面形测量。