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。     

长干涉腔波长移相计算的自适应相位筛选法

波长移相干涉仪可用于大口径光学元件的测试。其移相量需经过标定方可采用定步长移相算法计算相位分布。在长腔长测试条件下,由于激光器的波长调谐驱动源的精度有限,采用定步长移相算法求解相位分布的精度不高。在分析干涉腔长和波面计算误差的基础上,提出了一种自适应相位筛选计算方法。根据电压-相位标定曲线采集多组周期干涉图,对干涉图中的光强值进行均匀分布抽样后,对其进行随机移相计算,求取每帧干涉图精确的步进移相量,从中筛选出移相量为π/2的四帧干涉图,利用四步移相计算公式求得精确的相位分布。实验结果表明,在波长移相干涉仪中运用该方法,可以很好地解决长腔长测试条件下的相位计算问题,与未进行筛选的计算结果比较,其测试精度得到了显著提高。     

移相干涉测量术及其应用

为了对移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用有全面了解，介绍了移相干涉术的基本原理。结合激光数字波面干涉仪，阐述移相干涉术的四步重叠平均算法、压电晶体移相器(PZT)的结构、3 PZT的组合方法、移相器的标定误差和非线性误差的校正方法、波面相位解包的自适应种子算法、波面相位的评价指标等内容。结合移相数字波面干涉仪，叙述了移相干涉测量技术在普通光学元件、红外光学元件、大口径光学元件、非球面光学元件等测量中的应用并指出了应用过程中的注意事项。最后明确指出光干涉技术正沿着高相位分辨率、高空间分辨率、宽波段和瞬态高速测量的方向发展，并将会在瞬态波前测量、微机械的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用。     

移相式干涉仪在锥体棱镜角度测试中的应用

为了实时、高精度地测试光学零件，对移相式数字波面干涉仪在锥体棱镜角度测试中的应用进行了研究。通过锥体棱镜二面角偏差计算方法得到了二面角偏差和干涉波面之间的关系，分析了干涉波面的形状与锥体棱镜综合误差的关系，编写了锥体棱镜角度和综合误差测试程序，并且在移相式数字波面干涉仪和ZYGO干涉仪上分别对锥体棱镜进行测试，给出了2者的比较测试结果。结果表明，移相式数字波面干涉仪测量锥体棱镜二面角偏差的误差在0.3″范围内，RMS值的测量误差在λ/50内；提出的方法可实现检测过程的自动化。     

基于样本块匹配的干涉图延拓方法

在快速傅里叶变换(FFT)方法处理单幅干涉图原理的基础上,提出一种基于样本块匹配的干涉图延拓方法,利用干涉图像的可信度和等照度线特征,来确定待填充块的优先权,然后在干涉图的已知区域寻找与待填充块最相似的样本块来进行填充。充分利用了干涉图的条纹特征,结合梯度变化方向有效地合成纹理信息,具有很好的延拓效果。最后将该干涉图延拓方法与傅里叶变换,合适的滤波函数和相位解包方法结合起来形成整套单幅干涉图处理方法。采用该单幅干涉图处理方法获得的波面峰谷值与Zygo移相干涉仪得到的平均相差不到λ/100,并且两种方法获得的波面均方根值平均相差不到λ/200。     

基于光学设计软件的相移点衍射干涉仪建模

为了模拟用于球面面形高精度检测的相移点衍射干涉仪的测试过程,介绍了点衍射干涉仪的基本工作原理,分析了相移点衍射干涉仪的测量误差。利用光学设计软件和自行编制的软件建立了点衍射干涉仪的检测模型,利用该模型分别推导了参考光束和测试光束在干涉场的复振幅分布,模拟了测量过程。根据光的相干理论,通过改变被测镜的位置,实现移相,得到移相干涉图。最后对一设定的被检镜进行实验模拟,生成了两组对称倾斜的13步移相干涉图,对干涉图处理后计算得到了被检镜的检测面形。结果表明,在不引入硬件误差时,由相位提取和波面反演造成的检测面形与设定面形偏差为RMS值0.0783nm,PV值0.5656nm。     

基于区域生长理论的波面解包算法研究

在移相干涉技术的相位计算中,周期函数arctan的相位值分布在[-π,π]之间,相位值分布的跃变形成了被压包后的波面。理想无噪声和边界形状规则的压包波面可以直接通过条纹扫描法进行解包。例如当被测物边界形状不规则和存在噪声(灰尘脏点)时,会导致干涉图上出现无效区域,必须采用不依赖于边界形状,能自动绕过无效区域的算法。采用区域生长法对这类干涉图进行了解包。通过编程计算表明,这种解包算法能解决光学检测中的几乎所有的干涉图处理问题。     

移相器微位移旋转误差的分析及测试

以压电陶瓷(PZT)微位移器为主要研究对象, 引入一种处理静态干涉图的新方法--虚光栅移相叠栅条纹法,设计实验对一台实际使用的移相器微位移旋转误差进行测试研究,对其引起的波面旋转情况进行了定量的计算分析,并给出测试结果.用虚光栅移相叠栅条纹法处理实验中加有载频的干涉图时,不需要使用任何移相器件,可以进行动态位相的检测,整个移相过程用计算机进行控制,避免了引入额外的移相误差.     

点源异位同步移相法检测平行平晶的光学均匀性

为了避免平行平晶测量时前后表面干涉的影响,基于点源异位同步移相原理,提出一种均匀性绝对测量方法.测量分为平行平晶前后表面干涉测量、平晶透射波前测量、干涉仪空腔测量三步.每步通过在同一时刻抓拍的四幅移相干涉图恢复波前,最终由三次测量结果计算平行平晶的均匀性分布.在非抗振平台上测试了一块厚度为60mm的光学平行平晶,被测样品均匀性偏差的峰谷值为ΔnPV=3.32×10~(-6),均方根值为ΔnRMS=2.63×10~(-7).检测结果与波长调谐干涉仪测量结果的峰谷值偏差为ΔPV=5×10~(-7),均方根值偏差为ΔRMS=-7×10~(-9),具有较高的一致性.所提方法在环境振动条件下对平行平晶均匀性检测精度可达1×10~(-6).     

双点干涉法位相缺陷检测中的解相算法比较

双点光源移相干涉测量是大口径光学元件位相缺陷检测的一种重要方法。为了分析双点干涉中误差对解相算法的影响,首先给出相位缺陷检测的系统结构和理论模型,在此基础上,针对测量过程中主要存在的一次移相误差、二次移相误差、光强误差和随机振动误差,研究了Hariharan 5帧移相算法、13帧移相算法和迭代随机移相算法的解相误差,并进行了仿真分析。结果表明,针对这几种误差源,13帧算法解相精度整体优于5帧法,迭代随机移相算法解相效果优于13帧法和5帧法,当这几种误差按实际指标同时作用时,迭代随机移相算法解相误差RMS小于5帧法和13帧法,PV值稳定在0.5 nm以内。由于随机振动占主要作用,说明迭代随机移相算法受误差影响很小。     

基于Lissajous图技术的波长移相标定方法

波长移相干涉仪可应用于大口径光学元件的检测。研究了基于Lissajous图技术的波长移相标定方法,实现了干涉图间移相量的计算,解决了在不同干涉腔长下进行测试时移相量需控制成为一个特定值的问题。首先通过模拟仿真,验证了方法的正确性;然后编写程序对已知移相量的实际干涉图进行计算。结果表明,在干涉图对比度较好以及对计算的两点选择恰当的情况下,计算出的相对误差在4%范围内。     

子孔径拼接检测大口径非球面技术的研究

为了无需其他辅助光学元件就能够实现对大口径非球面的测量,提出了子孔径拼接干涉检测方法。并基于齐次坐标变换、最小二乘法以及Zernike多项式拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;开发了子孔径拼接检测非球面算法软件,进行了计算机模拟和仿真实验;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并利用子孔径拼接实现了对口径为350mm的双曲面的检测;为了分析和对比,对待测非球面进行零位补偿检测实验,子孔径拼接所得的面形分布和零位补偿检测所得的全口径面形分布都是一致的,其面形误差PV值和RMS值的偏差分别为0.032λ和0.004λ(λ=632.8nm)。从而提供了除零位补偿检测外另一种定量测试非球面尤其是大口径非球面的手段。     

基于子孔径拼接法测量高精度反射镜

为了解决高精度光学反射镜的子孔径拼接检测问题,基于最小二乘拟合,依据拼接算法建立数学模型,编制了拼接程序,同时对口径为120 mm的平面反射镜进行了拼接检测。检测中,基于标记点确定子孔径间的相对位置,完成子孔径间的对准。分别基于全口径检测结果与自检验子孔径测试结果对拼接结果进行精度分析。实验结果表明:拼接结果无拼痕,拼接结果与全口径测试结果、自检验子孔径测试结果一致; 拼接结果与全口径面形测试的PV值与RMS值的偏差分别为0.020 与0.002 ,验证了检测的可靠性和准确性。     

基于最小二乘迭代的多表面干涉条纹分析

为了准确地测量透射平行平板,提出了基于最小二乘迭代的多表面干涉条纹分析方法.依据波长调谐相移的原理,通过最小二乘迭代准确地求得每组双表面干涉条纹的实际相移值.从而准确地提取平板前后表面面形及厚度变化等信息.模拟计算结果表明.当相移值有微小偏差(小于0.2 rad)时,通过10次迭代后求得相位的峰值(PV)误差为0.005 rad,均方根(RMS)误差为0.002 rad,而相应Okada算法的PV误差为0.512 tad.RMS误差为0.103 rad.实验结果验证了该箅法的有效性.     

大口径粗糙球面的检测

 为了解决大口径光学元件在精磨阶段的检测问题,基于电磁场散射理论,分析了在红外干涉仪测量粗糙表面过程中,所产生干涉条纹的对比度与粗糙表面粗糙度之间的关系,并通过测量不同粗糙表面对这一结果进行了实验验证。利用红外干涉仪测量了280#精磨粗糙球面（Φ=1130mm,R=3600mm）的面形,讲述了测量大型粗糙球面时干涉仪的调整方法。从测量结果可以看出,此粗糙球面具有比较明显的球差,面形峰谷（PV）值为0.526λ(λ=10.6μm),均方根（RMS）值为0.117λ(λ=10.6μm)。     

3-D surface profilometry using simultaneous phase-shifting interferometry

Urgent needs for high-speed, non-contact and on-line measurement with high accuracy and repeatability are of great interest for automatic optical inspection (AOI) industries. Therefore, optical phase-shifting interferometry for precision 3-D surface profilometry has become an important metrological method due to its non-contact and high measurement accuracy. Traditional phase-shifting interferometry is very sensitive to vibrations because image acquisition in various phase-shifting sequences could easily introduce measurement errors from environmental influences, such as air disturbance and system structure vibrations. In this paper, we introduce a new simultaneous phase-shifting interferometer for 3-D surface profilometry which employs a single glass plate to generate simultaneous phase-shifted interferograms. Phase reconstruction is performed by using a developed phase-shifting algorithm which uses a three-step phase-shifting method with phase differences of 90°, 180°, and 270° for three interferograms. To verify measurement accuracy and repeatability, the system was employed to measure surface profiles of surface of a flat mirror and set of Mitutoyo gauge blocks. The experiment result shows that the method is proven to be capable of performing one-shot interferometric measurement and minimizing influences from environmental disturbances with measurement repeatability down to 10 nm or less.     

大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难,本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合,提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后,对整个系统进行装调和测试,并依次测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息,从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例,对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,经过两个周期的加工和测试,其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=632.8 nm)。     

Measurement of large aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry

A new method for testing aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry is introduced.It can test large-aperture and large-relative-aperture aspheric surfaces at high resolution, low cost, and high efficiency without auxiliary null optics. The basic principle of the method is described, the synthetical optimization stitching model and effective algorithm are established based on simultaneous least-square fitting. A hyperboloid with an aperture of 350 mm is tested by this method. The obtained peak-to-valley (PV) and root-mean-square (RMS) values of the surface error after stitching are 0.433λ and 0.052λ (λis 632.8 nm), respectively. The reconstructed surface map is coincide with the entire surface map from null test, and the difference of PV and RMS errors between them are 0.031λ and 0.005λ, respectively.This stitching model provides another quantitive method for testing large aspheric surfaces besides null compensation.     

液晶空间光调制器相位调制测量及波前校正

提供了一种简单且精度较好的测量液晶空间光调制器相位调制特性的方法,即相位与电压(灰度)之间的关系。采用数字波面移相干涉仪,由干涉仪直接给出不同灰度对应的相位差,从而得到液晶空间光调制器的相位调制曲线。利用液晶空间光调制器实现了波前校正。由干涉仪作波前测试,对待校正的畸变波前进行泽尼克多项式描述,根据液晶空间光调制器的相位与灰度的关系,产生相应的灰度图,获得畸变波前的共轭波前,从而完成静态波前的校正,使相关参数如PV值、RMS值和Strehl比值得到了改善。     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500~800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80% 能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.