光学元件干涉检测数据的定位处理方法

在光学元件的抛光阶段,通常采用干涉仪对光学元件的面形数据进行检测,为进一步的加工工作提供指导意见.为了利用干涉仪检测数据给出被测光学元件面形上的各点空间坐标准确位置,对面形数据的原始数据做二值化处理,用Sobel算子采用基于边缘检测的方法准确提取光学元件的外形轮廓数据,采用基于半径约束的最小二乘拟合方法对被测光学元件的...     

基于空间直线预标定检测光学元件面形的研究

基于斜率检测的相位偏折术能够快速、简单、准确地测量光学元件面形和透射光学元件畸变波前。借助点光源显微测量系统对参考点坐标的准确测量提出了空间直线预标定的方法,利用它得到了相机中CCD面阵上每个像素对应每条光线的方向向量,通过每条光线的方向向量和被测面方程,追迹得到了被测面的世界坐标,从而求出被测面上各点斜率,采用波前重建算法,实现了光学元件面形的准确重建。实验结果显示,拟合面形去掉Zernike多项式前4项的RMS数据与干涉仪的测量结果最大相差仅约10nm,并且实验中重建的面形与利用张正友提出的标定方法坐标计算重建的面形几乎相同。因此,空间直线预标定法切实可行,可以实现高精度的反射光学元件面形测量,且测量系统简单,具有应用价值。     

子孔径拼接技术应用的研究

大口径光学元件的检测开拓了子孔径拼接应用的新领域。采用小口径干涉仪对大口径被测元件不同区域进行波前检测,然后恢复计算出被测波前。使用光学设计软件ZEMAX对子孔径检测拼接技术进行了模拟,模拟结果表明：波前检测相对误差小于4.3λ‰,实现了对大口径光学元件面形的高精度检测,避免了相同口径检测干涉仪的使用,降低了检测成本及难度。     

瑞奇-康芒两角度检测法的一种波像差解读方法

瑞奇-康芒法是大口径平面元件面形检测的有效方法.通过分析检测光瞳到被检平面的位置转换关系以及波像差到面形误差的幅值转换关系,分别对检测得到的波像差以及干涉仪离焦产生的Power进行转换处理,利用最小二乘法计算出瑞奇-康芒两角度检测时的干涉仪离焦量,从而获得被检平面的面形误差分布.实验部分给出了第4项到第37项泽尼克多项...     

基于单次旋转的旋转非对称面形误差绝对检测技术研究

绝对检测技术是剔除干涉仪系统误差进而提高面形检测精度的有效手段。基于单次旋转的绝对检测技术由被测球面绕光轴旋转前后的检测数据,采用基于最小二乘法的Zernike多项式拟合,剔除系统误差,获得被测面的旋转非对称面形误差。详细推导了理论计算公式,分析了单次旋转角度对算法检测精度的影响,并和多次旋转法作了对比,其残差均方根(RMS)值约为1.5nm。该方法只需一次旋转两次检测,在保证检测精度的同时简化了检测过程。     

大口径标准镜绝对面形精度传递方法

提出了一种大口径干涉仪标准镜绝对面形精度的传递方法,在已知一台干涉仪参考镜绝对面形的前提下,可向待测标准镜进行精度传递。由于检测温度与使用温度的不同,待测标准镜在另一台干涉仪作参考镜时,绝对面形会发生变化,变化集中在离焦量上;在待测标准镜使用状态下,通过对经典三板互检法得到的竖直方向直线绝对面形的分析,得到标准镜使用状态离焦量的估计,以此修正直接精度传递结果,最终得到待测标准镜使用状态下的绝对面形。比较同一块光学元件在两台干涉仪上标定前和标定后的测量结果,标定后的面形差值更小且分布一致性更好,证明了本方法的有效性和可行性。     

干涉测量波面重构DCT算法研究

采用一种空间移相干涉仪测量凹形非球面反射镜光学表面,使用偏振元件和多幅图像同步采集实现移相,并对测量得到的干涉条纹采用基于离散余弦变换的相位解包裹算法,对不连续相位分布采用非加权的最小二乘法进行优化目标函数,最终重构出被测光学表面的面形.这种结构形式的干涉仪具有一定的抗振能力,同时在数字图像处理上优化了算法,能够快速稳定地得到被测面形,而且对硬件要求不高.结果表明:这种算法能够适用于非实验室条件下的光学测量,在一定干扰条件下可以达到较高的测量精度.     

平面光学元件PMD面形检测的调整技术研究

针对相位测量偏折术(PMD)检测平面光学元件面形的光路结构,系统地分析了各部件因各自由度的不确定度变化对重建面形的影响,并且提出了一种高精度的平面元件调整方法。通过对相移算法得到的显示器坐标与通过光线追迹得出的参考面显示器坐标进行比较,能够将被测镜调节至理想测试状态,从而能准确求出被测面上各点斜率,再采用波前重建算法,实现了光学元件面形重建。实验结果显示,有效口径为Ф140mm的平面元件在去掉Zernike多项式前6项的面形数据与干涉仪的测量结果差值在RMS=5nm以内,结果远优于未经过该方法调整的结果。因此,该调整方法可行,能够有效完成对平面元件的精密调整,具有很大的应用价值。     

提取标记点中心在子孔径拼接检测中的应用

子孔径拼接干涉仪中子孔径定位精度难以在大行程范围内得到保证,为此本文提出了基于提取标记点中心定位子孔径的拼接方法。以标记点的中心坐标为标记点坐标,根据标记点在两子孔径局部坐标系下的坐标计算两子孔径之间的坐标变换,将所有子孔径数据坐标变换到统一坐标系下,利用机械误差补偿算法拼接出全口径面形。在搭建的拼接检测系统上实现了外径468 mm的平面镜抛光过程和最终的全口径面形测量,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差RMS快速收敛到35 nm。实验证明,基于提取标记点中心的子孔径拼接检测能放宽对机械定位精度的要求,有效检测大口径光学元件面形。     

基于插值法波面拟合的球面光学元件检测

为了实现在线自动化检测球面光学镜片的面形偏差,在已有的光学检测系统基础上,对光学检测系统采集的干涉图样进行图像处理和波面拟合算法研究。首先对干涉图样预处理,再根据球面光学镜片大多是圆形孔径,对预处理后的干涉条纹通过最小二乘法拟合出干涉图样的圆边界,确定数据取值边界点的中心和半径值;然后采用Multi-quadric函数插值法拟合出波面的面形轮廓,计算波面的峰谷偏差EPV值及均方根偏差ERMS值;最后用上述方法对Zygo干涉仪采集的干涉图的处理结果与Zygo干涉仪测试结果进行比较分析。结果表明:通过边界处理可有效提高波面拟合精度,采用multi-quadric函数插值法拟合可以理想的还原出波面,且测量误差与国标相比能够控制在0.2的误差范围内,与Zygo干涉仪检测结果相比可以控制在0.03误差范围内,都能够满足球面光学镜片在线检测的精度要求。     

Accurate carrier-removal technique based on zero padding in Fourier transform method for carrier interferogram analysis

Based on interferogram zero padding and fast Fourier transform (FFT) methods, an effective, straightforward and stable carrier-removal approach in Fourier transform (FT) based method for carrier interferogram analysis is proposed. The spatial carrier interferogram is firstly extrapolated by zero padding method, and the carrier-frequency values within a small fraction of an integral (or a pixel) are estimated from the extrapolation interferogram with FFT method. Then the carrier-phase component is removed by subtracting a pure carrier-frequency phase constructed by the estimated carrier-frequencies in the spatial domain. Numerical simulations and experiments are given to demonstrate the performance of the proposed method and the results show that the proposed method is effective and stable for suppressing the carrier-removal error in the FT method for carrier interferogram analysis.     

Enhancement of measurement sensitivity in determination of changes in the shape of a wavefront by holographic lateral-shearing interferometry

A method for increasing measurement sensitivity in the visualization of dynamics of changes in wavefront shape with the use of holographic lateral-shearing interferometry is considered. At the first stage of this method, a photograph of a reference shear interferogram obtained with tuning to closely spaced fringes is recorded under linear conditions. After chemical treatment, the photograph of the reference shear interferogram is installed in exactly its initial position. At the second stage, a series of photographs of lateral-shear interferograms of the wavefront under study is recorded under nonlinear conditions using the photograph of the reference interferogram. The photographs of the lateral-shear interferograms are optically processed by two coherent beams with selection of the highest diffraction orders, which makes it possible to visualize the dynamic component of the wavefront deformation with an increase in the measurement sensitivity (the static component is excluded in this case). The effect of the degree of nonlinearity of photograph recording on the range in which the measurement sensitivity can be controlled during the optical processing of a pair of matched photographs or one double-exposure photograph of interferograms recorded at different values of a lateral shift is analyzed.     

基于空间外差的拉曼信号处理方法研究

空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术,它既具有拉曼光谱测量的非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备等特点,更具有空间外差的超光谱分辨率、高通量、无运动部件优点,能在被测物质特征波长中心范围探测,实现微弱拉曼光信号的直接测量。由于被测信号微弱、光学元件加工精度、器件封装及仪器安装误差等原因,会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、干涉条纹倾斜或扭曲等现象,从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点,将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原,提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法,以实现SHRS光谱的获取。提取过程为：将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换,获得二维频谱图,通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息,拟合获取光信息强度最大方向直线方程。然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置,确定重采样贡献像元及权重。对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样,得到最终的光谱信号。将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据,同时与其他方法光谱复原结果进行对比。结果表明：与一维行平均光谱法比较,该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显,同时消除了探测器热噪声的影响;与二维频谱中心行直接提取法比较,该方法是该方法的改进版本,两者结果比较接近。但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响,沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱,其主峰半峰宽更窄、边频噪声强度更小,且随着y分量的增加,光谱复原效果及优势将越发明显。该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。     

用于风场探测的非对称空间外差干涉数据处理方法研究

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应,通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图,采用傅里叶变换的方法求解相位,获得大气的风速信息。分析了干涉数据的处理方法,并针对干涉相位的求解进行推导。相比于传统观空间外差数据处理,不仅要考虑噪声和系统误差,而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响;在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。结果说明,虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变,但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%;同时,噪声的仿真说明,风速误差随着系统噪声的增加而增大,在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。数据处理方法的研究和相关的仿真,对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考,具有一定的指导意义。     

空间采样傅里叶变换光谱仪光谱反演研究

根据相似性准则,对采集到的干涉图像进行干涉图元的拆分,通过寻址定位,得到与离散光程差序列相匹配的采样干涉图序列。采用过零采样方式,对大单边干涉图序列与小双边干涉图序列利用不同的窗函数进行切趾。为了校正相位误差,结合所研究采样干涉图的特点,对频域光谱乘积校正和空域干涉图卷积校正进行了研究和改进,获得了比较理想的光谱线形,其中空域干涉图卷积校正后的光谱偏差仅为0.012088,具有最好的校正效果。     

Bidimensional near-field sampling spectrometry

We report on a concept of compact optical Fourier-transform spectrometer based on bidimensional (2D) spatial sampling of a confined interferogram. The spectrometer consists of a nanostructured glass surface on which two light beams interfere in total internal reflection. Subwavelength spatial sampling of the interferogram near field is achieved by introducing a tilt angle between a 2D array of optical nanoantennas and the interferogram pattern. The intensity distribution of the scattered light is recorded on a 2D CCD camera, and a one-dimensional Fourier transform of the interferogram is used to recover the input light spectrum. Experimental results show a wide spectral bandwidth in the visible range, down to 380 nm, with spectral resolution of 1.6 nm around 780 nm.     

孪生光束干涉法测量光源的空间相干性

定量测定光源空间相干性在部分相干光成像, 非相干全息术及光信息处理领域具有重要的研究价值. 本文基于三角全息干涉光路提出了一种测量光源空间相干性的新方法. 利用三角干涉全息光路系统中分束镜产生的孪生光束进行干涉获得干涉图, 通过调整光源中心位置在写入平面内偏离光轴的量, 改变两孪生光束空间分离量的大小, 采集对应的一系列干涉图, 计算干涉图样的对比度, 从而对光源照明空间的波前上一系列不同距离的点对之间的空间复相干度进行测量. 实验系统光路配置较为简单且不需要使用特殊加工的光学元件. 针对一个准单色的扩展光源设计并进行实验, 结果表明利用文中提出的方法可以准确的测量光源的空间相干性, 实验结果相对于理论计算值的误差仅为3.8%. 关键词： 相干性 全息干涉 干涉仪 光学应用     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

Measurement technique for depth profiling in time-domain low-coherence interferometer

A measurement technique for depth profiling in a time-domain low-coherence interferometer has been proposed. The spatial variation of the optical path caused by a diffraction grating in the Littrow configuration produces a white-light interferogram. A one-dimensional charge-coupled device (1D-CCD) detector is used to measure the undersampled white-light interferogram. The position of the reflective boundary is calculated from the rate of phase change with spatial frequency, which is based on the sub-Nyquist sampling of the white-light interferogram in the frequency domain.