空间载频干涉法全场测量长度技术

 在研究二维快速傅里叶变换法进行干涉测试基本原理的基础上,提出一种基于二维快速傅里叶变换的长度测量法.以量块长度的测量为对象,被测量块置于泰曼-格林干涉仪测试光路中,参考光波分别与待测长度的量块表面和辅助平面反射的测试光波形成干涉条纹,条纹由图像采集系统采集.利用编制的算法处理软件,通过处理干涉条纹图中量块边缘识别、区域延拓、滤波、波面统一,获得了量块全场表面的空间长度分布,实现了对量块长度的自动化测量.结果表明：该测量法不仅具有较高的测量准确度,而且具有全场测试和非接触测量等优点.     

空间载频干涉法全场测量长度技术

在研究二维快速傅里叶变换法进行干涉测试基本原理的基础上,提出一种基于二维快速傅里叶变换的长度测量法.以量块长度的测量为对象,被测量块置于泰曼-格林干涉仪测试光路中,参考光波分别与待测长度的量块表面和辅助平面反射的测试光波形成干涉条纹,条纹由图像采集系统采集.利用编制的算法处理软件,通过处理干涉条纹图中量块边缘识别、区域延拓、滤波、波面统一,获得了量块全场表面的空间长度分布,实现了对量块长度的自动化测量.结果表明:该测量法不仅具有较高的测量准确度,而且具有全场测试和非接触测量等优点.     

FFT动态相位重建算法的滤波窗影响分析

为了优化相位重建算法,针对波面干涉图的傅里叶频谱,分析了不同滤波窗口的分布特征和频谱响应,通过计算机仿真和实验测试,确定了FFT动态相位重建算法的最佳滤波窗口类型。其中处理仿真干涉图重建的波面与原始波面的波面峰谷值残差为0.008 5λ,波面均方根值残差为0.000 1λ;处理实验干涉图获得的波面与移相干涉测量法获得的波面峰谷值残差为0.009 3λ,波面均方根值残差为0.000 5λ。结果表明:选取Hamming窗进行滤波处理并重建的相位经拟合后得到的波面较参考波面的面形残差最小,相位重建精度优于0.01λ,可进一步应用于大口径光学元件的测量中。     

基于二维傅里叶变换的单帧干涉图相位提取方法

针对大口径光学元件干涉测试过程中,测试装置和干涉腔长较大,气流扰动和环境振动对移相测试过程产生影响等问题,采用一种基于二维傅里叶变换的单帧干涉图处理方法,只需要对一幅空间载频干涉条纹图进行处理即可获得待测相位,具有抗振测试的优点。对该方法的基本原理和算法过程进行分析,并对近红外大口径移相平面干涉仪中600 mm口径的光学平晶进行了面形测试。实验结果表明:采用该方法所得波面峰谷值(PV)为0.112,波面均方根值(RMS)为0.014,与移相算法所得波面数据相比,波面峰谷值偏差不到(1/500);波面均方根值(RMS) 偏差几乎为零。     

一种基于傅里叶变换的分析载波条纹的新方法

针对传统傅里叶变换法处理光载波干涉条纹图时会有边缘效应产生的问题,提出了一种基于傅里叶变换法的外推延拓方法,并从理论上进行了数学推导。为了验证这种方法的正确性,分别对一维数字信号和二维空间载波条纹图进行了数值模拟,进一步分析了误差产生的原因,并与传统的傅里叶变换法对比。结果表明该法可以有效抑制传统傅里叶变换法处理光载波干涉条纹图时边缘效应所造成的较大误差,在基于空间域相位调制技术的波面干涉测量中,对空间载波条纹图进行处理,可以使相位的计算精度达到3.3 mrad。     

干涉图的预处理技术研究

 提出了一种干涉图预处理的新方法。该方法利用数学形态学的方法对干涉图进行有效区域的边缘提取,利用二维快速傅里叶变换迭代法对干涉图进行区域延拓,并采用非加权离散余弦变换最小二乘算法对干涉图进行波面统一,最终恢复出被测物体的表面面形,为后续结果分析奠定了基础。对一个实际SiO2薄膜样片进行了干涉图的预处理。结果表明,通过该算法得到的干涉图预处理结果,与Zygo干涉仪的分析测试结果基本一致。     

光学数据处理的傅里叶变换分光光度计

本文提出了用光学处理器完成干涉图的傅里叶变换,从而实现全光学的傅里叶分光光度计的新技术.主要步骤是:1.获得待测光源时域的干涉图信号;2.利用电光调制技术实现干涉图信号的时-空转换;3.用光学处理器完成空域干涉图信号的傅里叶变换,得到待测光源的光谱.     

基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术

为测量光学系统出射波前以及动态波前,提出一种基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术。在传统点衍射干涉仪中调整点衍射板轴向离焦量引入圆载频,通过二阶极坐标变换可以将圆载频干涉图转换为具有准线性载频特征的干涉图,从而在频域中将连续频谱转换为准离散谱,采用傅里叶变换法即可提取相位。仿真波面为利用36项Zernike多项式随机生成,在离焦17λ条件下相位恢复误差的均方根值为0.002λ。实验测量了F/10标准镜头岀射波面,测量结果与SID-4波前探测器一致;实验还实现了有机玻璃材料吸收特性的动态检测。因此采用该技术能够实现光学系统的检测以及动态波面实时测量。     

干涉测量系统中杂散条纹影响的抑制

 为了抑制杂散条纹的影响，提出了一种简单实用的单幅三表面干涉条纹傅里叶分析法，它根据三表面干涉时各个表面干涉的条纹调制度不同，从三表面干涉图的频谱中提取测试面的频谱，从而准确地恢复测试面的面形。模拟结果证明了该方法的有效性，准确度可以达到l/1 000。实验表明：单幅三表面干涉条纹傅里叶分析法得到的面形形状与波长调谐时域傅里叶变化法和涂消光漆法得到的结果基本一致，PV值和RMS值与波长调谐时域傅里叶变化法相差分别为0.001l和0.004l，与涂消光漆法相差分别为0.042l和0.019l。通过7次单幅三表面干涉条纹傅里叶分析法测量，得到PV和RMS值的重复性分别为0.007 8l和0.002 6l。     

基于小波变换的干涉光谱信号检测与校正方法

傅里叶变换光谱仪通过获取待测光的干涉信号来反演光谱信息,是重要的光谱测试与分析仪器。受光电探测电路不稳定、干涉模块装调不到位等因素的影响,傅里叶变换光谱仪获得的干涉光谱信号会出现漏采点、过饱和点、噪声点等无效数据点,导致反演的光谱信号出现失真。为此,研究了一种基于小波变换的干涉光谱信号检测方法,该方法能够快速有效地定位干涉信号中多种无效数据点的位置;在此基础上,研究了干涉光谱信号的校正方法,根据无效点所在区间段的信号特征,通过样条插值方法进行数据拟合,校正干涉光谱信号。通过仿真验证了本方法的可行性;搭建了近红外波段傅里叶变换光谱实验系统,并基于该系统进行验证性实验,对获得的干涉信号进行检测与校正,提高了反演光谱信号的准确性。     

基于FFT的薄膜厚度干涉测量新方法

在研究二维FFT法进行干涉测试基本原理的基础上,提出一种基于二维FFT的薄膜厚度测量新方法。利用搭建的泰曼-格林型干涉系统,用CCD接收、采集卡采集,可获得被测膜层的干涉条纹图像。编制算法处理软件,可实现对干涉条纹图中薄膜边缘识别、区域延拓、滤波、波面统一等的处理,从而获得带有薄膜信息的面形分布,实现对薄膜样片厚度的自动化测量。研究结果表明：所测薄膜厚度的峰谷值为0．2562,均方根值为0．068λ,说明采用基于FFT的薄膜厚度干涉测量新方法测量薄膜厚度具有较高的精度。     

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.     

数字化玻璃表面检测系统的研究

本研究把传统光学方法与现代数字化图象技术相结合,运用先进的数字化图象处理手段和Zernike多项式拟合干涉波面方法进行干涉图象的计算,并在理论上有较大的突破,从而可快速准确测量出光学平面玻璃表面的平整度以及对其它技术指标的定量评定.本研究所架构的光学平面玻璃表面检测系统的精度达到了λ/100,灵敏度为λ/1000.     

希尔伯特变换条纹分析法及其在非球面镜测量上的应用

提出了利用离散的希尔伯特变换法解调干涉条纹相位的方法,叙述了希尔伯特变换法解调相位的原理,并从单一的干涉图样中提取出条纹信号的正弦和余弦部分,正弦与余弦比值的反正切即为干涉相位;然后利用泽尼克多项式拟合,实现波前重建;最后讨论了条纹相位的算法,误差修正和测量面形的应用,从而实现对非球面镜的检测。实验表明,该方法可获得均方根(RMS)的精度为λ／10。     

基于傅里叶变换光谱技术的Zoom-FFT算法研究

在分析经典的Zoom-FFT算法基础上,提出一种基于傅里叶变换光谱技术的Zoom-FFT算法,用matlab仿真常规FFT算法和Zoom-FFT算法,对不同采样步长的干涉条纹进行数据处理,通过反演出的光谱曲线图和原始光谱曲线图可以看出:采样步长小于20 m时,FFT和Zoom-FFT算法都可以反演出光谱;而当采样步长大于20 m且小于33.3 m时,FFT算法未能反演出光谱,而Zoom-FFT算法仍然可以反演出光谱。     

Stability of Zernike coefficients solved by the covariance matrix method in the analysis of the wave front aberration

The deduction of Zernike coefficients is usually influenced by the finite number of sampling dots on interferogram and their inherited measurement errors. In this paper, a simplified Gram-Schmidt method for solving the Zernike polynomial with the higher fitting precision is presented and used to analyze the wave front aberrations for the circle interference fringe of the fine polished aluminum disk surface captured by a Twyman-Green interferometer system. We find the stability of the Zernike coefficients changes with changing the Zernike term, which has lead to the wrong expression for the wave front aberration. By analyzing the condition number of the coefficients matrix and the fitting precision of the method, it is indicated that the instability can be avoided when the Zernike term is lower than 14. Such an analysis will be valuable in solving the Zernike polynomial for the wave front aberration analysis in optical testing.     

激光干涉法检测大口径抛物面反射镜

针对非球面度为0.2λ的大口径抛物面反射镜,采用激光干涉法在ZYGO干涉仪上进行直接检测.对从干涉图获得的实际波面与理论计算的理想波面进行相减,得到被检抛物面镜的实际面形误差.将表面绝对检测技术引入非球面面形检测中,并与波面相减技术相结合,从而使检测准确度提高了0.1λ.用自准直法验证了本方法的可行性.     

基于单幅干涉图的波前重构技术研究

条纹中心法是干涉测量技术中分析单幅干涉图的一种重要处理方法,该方法主要包括图像预处理、波前重构和样品表面形貌及参数的测量等三个部分。研究了条纹中心法的关键技术,特别是应用协方差矩阵法求解泽尼克多项式以进行波前重构的过程。提出了基于单幅干涉图自动波前重构的流程方法。最后应用该流程方法处理由泰曼-格林干涉系统采集的精密抛光铝制盘基片表面形成的一幅干涉图像。实验结果表明,该方法可以实现单幅干涉图的自动波前重构,干涉波前重构的拟合精度可达1．4686×10^-6nm,还可以自动获得精密抛光铝制盘基片表面的形貌及参数。