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。     

干涉仪移相器相位移π/2标定方法的研究

干涉仪移相器的相位标定在很大程度上决定了移相干涉仪的测量精度。本文是用傅里叶变换的原理,测量出推动移相器移动的压电陶瓷堆(PZT)的微位移量,并在此基础上提出了一种用空域滤波法得到干涉因光强分布,并判断其移相误差从而校正移相器步进π/2的方法。本文组建了一套数字平面干涉仪,对干涉仪移相器进行实验,在5步法情况下其移相误差在0.5%以下。     

菲索干涉仪中精确移相的实现

为了实现移相式菲索干涉仪对光学元件面形的高精度测量,建立了干涉仪同步采集移相系统,并对精确移相方法进行了研究。介绍了移相系统的构成和工作原理,计算了测量过程中移相器的速度。针对PZT移相器在移相过程中会引入离焦误差,并存在加速段和减速段的问题,详细设计了移相器的行进过程。最后,对移相器的性能进行了标定。在改造后的干涉仪上开展了重复性验证实验,结果表明：干涉仪可以获得λ/11 340的RMS测量重复性。对改造后干涉仪与Zygo公司生产的Verifire XP/D干涉仪的测量精度做了比对实验,结果显示：相同元件下两者测量结果的面形RMS之差约为0.9 nm,表明提出的移相系统及移相方法在重复性和准确度方面都能满足纳米级面形测量的要求,为研制高精度移相干涉仪奠定了基础。     

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。     

干涉仪自适应抗振的空间移相术

根据时域移相算法的概念,提出了一种空间移相术,它能够检测因外界振动导致条纹抖动而引起的干涉图样的空间相位变化.运用这种技术在TwymanGreen移相式干涉仪中建立了一套自适应抗振系统,它可以实时测量振动引起的相位变化大小,并通过反馈器件PZT实时校正干涉条纹的相位,使得干涉条纹稳定以保证光学测量的正常进行,与此同时PZT还作为移相器件.     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构，提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射，通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响，推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式，给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前，波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置，提高了测量精度，特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

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。     

移相干涉技术中移相器的自校正方法

移相干涉技术（ＰＳＩ）是８０年代兴起的一门干涉图形自动识别技术，移相器作为移相干涉技术的关键部件其移相误差将直接影响到移相干涉技术的干涉图的识别精度。本文提出了一种移相器的自校正方法，即利用移相干涉仪的自身系统，通过快速傅里叶方法，对移相器进行逐步逼近校正。结合移相式红外干涉仪的研制，给出了一组移相器的自动校正的实验，实验表明，校正后的移相器的非线性误差可由原来的５％降低到０．２％。     

迭代最小二乘法用于非线性移相器的标定

针对移相干涉仪中移相器的非线性会影响测量结果准确性的问题,提出了一种基于迭代最小二乘拟合的标定干涉仪移相器的新方法。对移相器加电压并采集若干幅干涉图后,通过在帧间和帧内迭代开展最小二乘拟合可计算出干涉图间移相值,从而得出了电压值与移相值的对应关系曲线,通过对曲线作非线性拟合并对电压值进行精密调整,完成移相器的精确标定。在改造后的干涉仪上对此标定方法进行验证,与Zygo干涉仪相比,相同元件下两者测量结果之差的RMS值为1.726 nm。该标定方法可以降低高精度面形测量干涉仪对移相器线性度的要求。     

一种提高干涉相位识别精度的方法

针对开环相移驱动下的单色光干涉测量,提出一种满足四步法的高精度相位识别的方法。首先选取干涉场中存在适当相位差的两像素点,建立相移驱动单周期内两像素点灰度序列值之间的干涉方程组。运用椭圆拟合获取相应干涉方程组参数,然后通过反算序列相位确定逐点驱动步长或序列相位信息。结合序列相位信息,运用Lagrange抛物插值算法,设计计算满足四步法的4幅干涉图,并计算各像素点的初相位。最后,运用多波长算法计算表面形貌并进行误差分析。实验表明:计算得到的方波多刻线样板的Ra值为0.439 0 m,测量误差为0.23%,此方法降低了对测量条件的硬件与环境要求,满足表面形貌高精度测量的要求。     

An effective method in calibrating nonlinear errors for phase-shifting interferometry

In phase measurement or digital holography for phase-shifting interferometry, the key role is the variation of reference light wave and recover algorithm based on interferograms and reference phase, so the calculation result is directly affected by phase-shift accuracy. However, because of the errors of nonlinear and other random factors, it is difficult to control the actual phase-shifting amount accurately. In this paper, we aim to propose an efficient method for phase-shifting interferometry which does not require accurate initial estimation of phase-shift amounts, only a few pixels with several randomly shifted interferograms are sufficient for accurate extraction of phase information. This method has reduced the dependence of reference phase, and can obtain phase-shifting amount directly without using complex revised algorithm for correcting phase-shifting nonlinear errors.     

Wavefront reconstruction by two-step generalized phase-shifting interferometry

A wavefront reconstruction method by two-step generalized phase-shifting interferometry (GPSI) with blind phase shift extraction algorithm is verified by both the computer simulations and optical experiments. This method can retrieve complex object wave field by using two interferograms, the recorded object and reference wave intensities, and an unknown phase shift without additional processing. The simulations with irregular wavefronts have shown the effectiveness and high accuracy of this method for blind phase-shift extraction and wavefront reconstruction over a wide range of phase-shifts, while the optical experiments for both the direct and indirect objects have yielded satisfactory results with a higher resolution of reconstructed image than those reported recently.     

欠采样干涉图最小二乘相位解包裹算法改进

数字全息的再现光场相位一般具有较高的空间变化频率,而目前CCD、CMOS的空间带宽积还很有限,容易产生欠采样并导致包裹相位中有大量不可靠数据点存在,给最小二乘相位解包裹带来困难.本文将剪切干涉原理引入到数字全息再现光场的重构中,通过改变再现光场相位梯度的计算方法减少欠采样的影响,对现有的最小二乘相位解包裹算法进行了改进...     

宽谱段相移干涉多自由度采集系统设计与分析

为了满足现代工业领域中对复杂结构产品的高精度多自由度测量需求,构建了多自由度联合采集系统模型。建立了宽谱段相移干涉多自由度采集系统模型,并对系统中的光学部件进行了设计;以相移干涉技术为基础,提出了多自由度联合测量算法,并分析验证了所设计系统的合理性;根据仪器的物理和光学参数对算法进行了具体实现,基于Simulink的仿真试验结果表明:深度测量精度在μm级,测量范围在m级;光谱检测分辨率在nm级,测量带宽300 nm,覆盖整个可见光区域,光谱准确度为0.2 nm,误差率小于0.1%。该系统满足了现代工业精密测量中高深度分辨率、宽深度测量范围、高光谱准确度、高光谱分辨率的要求。     

Highly sensitive interferometric system for optical surface contouring

In the present work we demonstrate a highly sensitive system for optical surface contouring constructed by combining phase conjugation and digital phase shifting interferometry. The phase conjugating mirror in the modified phase conjugate Michelson interferometer is based on degenerate four wave mixing in a photorefractive BTO crystal. Digital phase shifting interferometry is used to decode the interference fringe pattern. An increase in sensitivity and high measurement accuracy are achieved through this new combination due to the interferometric scheme and the phase shifting. Experimental results are presented. The interferometric system is flexible and undergoes further improvement.     

应用移相干涉术测量量块长度和长度变动量

研究了应用移相干涉术测量新的一等量块的方法。对于干涉图像进行多幅图的采样，由移相法计算量块测量面和与其研全的辅助平晶表面的波面面形，着重研究了在量块干涉图中有阶跃不连续的波面复原运算的原理与技术，得到一幅表征它们表面的离散滤差值，并给出量块工作面长度和长度变动量的测量结果。     

基于剪切散斑干涉技术的物体变形动态检测

为使仅适用于静态测量的空间相移剪切散斑干涉系统可用于物体变形的动态测量,在对传统剪切散斑干涉系统加以改进的基础上,提出一种物体变形动态检测方法。将检测系统中的压电陶瓷控制器用参考镜代替,减少了物理装置控制与执行的时间。对于物体发生变形的同一状态,仅需采集一幅干涉图像即可满足后期计算,加以二维连续小波滤波和最小二乘相位解包算法,能满足物体变形动态在线检测的需求。理论和实测实验表明,该方法能快速可靠地检测出物体动态形变,整个系统的最大误差范围在-1.5 rad~1.5 rad之间,整个检测过程最大误差百分比为6.4%,有较高的精度和实用性,为新型剪切散斑干涉测量系统的改进和设计提供参考。     

基于位相测量偏折术的高精度检测平面光学元件面形的方法

针对位相测量偏折术（phase measuring deflectometry，PMD）在光学元件面形的高精度检测中存在面形低阶误差控制困难等问题，介绍了位相测量偏折术检测平面光学元件面形的基本原理，对有关PMD技术的面形改进重建算法、相对检测和四步剪切的系统误差扣除方法的研究进展进行了阐述，分析了基于PMD技术实现对口径398.7 mm×422.8 mm平板玻璃的拼接检测以及平面元件中可能存在的寄生反射影响的消除方法。指出建立的6相机斜率拼接检测系统的检测精度RMS可达1 μm，利用多频条纹法和二值条纹法可有效地消除寄生反射的影响，为大口径光学平面元件的前、后表面面形高精度检测提供一种可行的方案。     

Review of surface profile measurement techniques based on optical interferometry

With the fast development of modern science and technology, two or three-dimensional surface profile measurement techniques with high resolution and large dynamic range are urgently required. Among them, the techniques based on optical interferometry have been widely used for their good properties of non-contact, high resolution, large dynamic measurement range and well-defined traceability route to the definition of meter. A review focused on surface profile measurement techniques of optical interferometry is introduced in this paper with a detailed classification sorted by operating principles. Examples in each category are discussed and analyzed for better understanding.