基于数值模拟的高准确度五步相移算法研究

传统五步算法具有很好的准确度,但必须满足测量中无法实现的等步长相移条件,这在实际测量中无法使用。为此在双光束干涉原理的基础上,提出了一种改进型的五步算法,实现了在10 nm范围内任意步长的算法高准确度。通过数值模拟,结果表明:对于1 nm的步长测量误差、0.1%的信号测量误差,改进型五步算法的算法准确度优于0.001个相位周期,而且不需要等步长相移控制。改进型五步算法不仅技术上更易于实现,其结果也更加可靠,对于指导精密测长的实验和研究工作具有十分重要的意义。     

一种机械扫描式精密相移测长方法

以相移干涉测长为应用背景,提出了一种基于“机械扫描”的相移测长方法。利用超高弹性石英材料研制出了干涉测长所需的单体3路相移装置,并利用该相移装置建成了相移测长装置,成功地将位移传感器的量值在线溯源到光学频率标准,从而实现了对3路相移的准确测量。介绍了一种引入步长控制误差的“新五幅相移”实现相位解算方法,算法准确度达到0.01%。对不确定度的定量分析结果表明,基于该机械扫描式相移技术构建的绝对长度测量系统准确度可达0.5 nm。     

基于光栅投影的轮廓测量改进方法

传统傅里叶变换轮廓方法(FTP)在测量表面突变的物体时,受物体高度变化所引起的非截断相位变化的影响,相位难以正确展开。利用双频光栅投影可以解决这一问题。在总结了传统测量方法与双频光栅测量方法的基础上,提出采用彩色复合光栅投影的测量方法。该方法只需一次采集,就能消除图像背景分量与高次分量对测量的影响,在扩大测量范围的同时可达到双频技术测量突变效果。最后,对3种方法的实际测量结果作了对比分析,证明彩色复合光栅投影方法得到的测量精度最高。     

高准确度多频调制激光测距算法研究

针对传统的激光测距仪测量准确度低、实时性差等问题,结合正交相位检测和坐标旋转数字式计算机角度解算方法,设计了一种多频激光测距系统.系统中采用改进的正交算法对噪音环境下的测距相位差的正切值进行计算,再通过坐标旋转数字式计算机角度解算方法计算出测距相位差,该方法有效地提高了测距准确度并大大降低了系统的运算量.在采样频率500 MHz、计算字长16位、回波信噪比14 dB时,测量范围为150 m,相位测量误差为0.026 4°,距离测量准确度达到0.11 mm.     

基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距及其非模糊度量程分析

飞秒光梳被广泛用于时间频率技术和精密光谱测量,由其时频特性所衍生的绝对测距技术以可溯源、大尺寸、高精度等优点有望成为未来长度计量的最重要手段.本文提出了一种基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距方法,使多个连续波激光器通过光学锁相环技术同步锁定到飞秒光梳梳模上,通过多路同步相位测量和小数重合算法最终实现绝对距离测量.所提测量方法不仅能保留传统激光干涉测距的高分辨力和精度,而且可溯源至时间频率基准,对高精度长度测量、尤其是对物理复现“米”的定义具有重要计量意义.测距实验证明,四波长干涉测距的非模糊度量程达到44.6 mm,折射率波动导致非模糊度量程变化为纳米量级;多波长干涉测距的非模糊度量程也受制于空气折射率的测量误差,多波长干涉绝对测距的非模糊度量程在实验室环境下可达数米、甚至几十米,并通过2米线性位移实验证明了多波长绝对测距的大量程和线性测量性能.     

光学干涉图像处理中基于质量权值的离散余弦变换解包裹相位

为减少噪声对相位恢复过程的影响,快速得到正确的解包裹相位,提出了一种改进的相位解包裹方法——加权离散余弦变换解包裹算法。该方法把离散余弦变换和标识相位数据好坏的质量权值结合起来,兼有速度快和可靠度高的优势。为验证此算法,对模拟和实验得到的包裹相位图添加随机噪声和散粒噪声,同时采用加权与非加权离散余弦变换算法进行处理,所得到的解包裹结果与未加噪声的解包裹相位值进行比较,结果表明,通过加权离散余弦变换算法恢复的相位图比非加权离散余弦变换算法所恢复的相位图更接近于理想值,而且两种算法的运行速度基本相同,这证明提出的算法不仅保证了效率高的优点,而且所恢复的解包裹相位具有较好的噪声免疫能力和可靠度。     

Accuracy analysis of parallel plate interferometer for angular displacement measurement

The measurement accuracy of a parallel-plate interferometer for angular displacement measurement is analyzed. The measurement accuracy of angular displacement is not only related to the accuracy of phase extraction, but also related to initial incident angle, refraction index and thickness of plane-parallel plate as well as wavelength's stability of laser diode, etc. Theoretical analysis and computer simulation show that the measurement error of the angular displacement bears a minimum value when choosing an optimal initial incident angle in a large range. These analytical results serve as a guide in practical measurement. In this interferometer, reducing the refraction index or increasing the thickness of the parallel plate can improve the measurement accuracy; and the relative error of the phase measurement is 3.0×10⁻⁴ corresponding to 1 °C temperature variation. Based on these theoretical and experimental results, the measurement accuracy of the parallel-plate interferometer is up to an order of 10⁻⁸ rad.     

高灵敏度的量子迈克耳孙干涉仪

迈克耳孙干涉仪不仅可以用来研究物理学的基本问题,而且能够用于精密测量,比如引力波信号的测量.因此,构建高灵敏度的迈克耳孙干涉仪是实现微弱信号测量的关键.目前,人们利用压缩态可以降低迈克耳孙干涉仪的噪声;通过光学四波混频过程能够放大马赫·曾德尔干涉仪中的相位信号,从而提高干涉仪的信噪比和灵敏度.本文研究了一种用于高灵敏度相位测量的量子迈克耳孙干涉仪.在迈克耳孙干涉仪中,利用非简并光学参量放大器取代干涉仪中的线性光学分束器;并且将压缩态注入干涉仪的真空通道,可以得到高信噪比和高灵敏度的干涉仪.由于存在不可避免的光学损耗,分析了迈克耳孙干涉仪内部和外部的损耗对相位测量灵敏度的影响.通过理论计算研究了干涉仪的相位测量灵敏度随系统参数的变化关系,得到了高灵敏度的相位测量量子迈克耳孙干涉仪的实现条件,为用于精密测量的干涉仪的设计提供了直接参考.     

点衍射干涉检测技术

本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作为参考波前,能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点,点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非共路干涉两种结构,主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑,对环境振动不敏感,对光源相干度要求不高,可利用光束偏振态及光栅衍射分束的特性对传统点衍射板进行改造,在全共路点衍射干涉仪中引入时间相位调制技术和干涉对比度可调技术,可进一步提高波前检测精度。采用反射式针孔和各种光纤结构发展了非共路点衍射干涉仪,实现了大口径、高精度球面反射镜面形的测量。本文重点阐述了用于极紫外光刻投影物镜中高精度球面反射镜面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪,并展望了点衍射检测技术在生物检测等领域的应用前景和发展趋势。     

共光路移相单频激光干涉测长系统

单频激光干涉系统采用偏振光移相方法,用来解决常规单频激光干涉仪中的光强"零漂"问题。共光路设计提高了干涉系统的测量稳定性和重复性。采用光程差放大技术提高了干涉系统的分辨力。在构造了一套实验布局的基础上,分析了影响系统测长精度的主要因素,并对干涉系统的测量误差分量做了定量的分析,完成了系统的精度测试。     

基于光纤色散相位补偿的高分辨率激光频率扫描干涉测量研究

为了实现更高分辨率的激光频率扫描干涉测量, 增大光源的扫频范围以及减小扫描频率的非线性成为关键. 采用外腔式大带宽扫频光源结合光纤辅助干涉仪构建的外部时钟频率采样非线性校正是目前较为常用的方法. 本研究发现随着扫频带宽和测量范围的增加, 光纤辅助干涉仪与测量光路中存在的色散失配导致频谱出现严重展宽, 极大的降低了测量的分辨率. 本文建立了辅助干涉仪和测量干涉仪色散失配影响的理论模型, 利用该模型分析了扫频带宽和测量范围与测量分辨率的变化关系, 与实验结果相一致, 并进而提出了基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法, 有效地提高了测量的分辨率, 在2.53 m 处实现了接近理论值的64.5 μm的测量分辨率. 该色散失配模型及补偿方法为提高大尺寸激光频率扫描干涉仪的测量分辨率及测距范围提供了参考.     

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。     

Sinusoidal phase-modulating laser diode interferometer insensitive to intensity modulation for real-time displacement measurement with feedback control system

In sinusoidal phase modulating laser diode (LD) interferometer, the injection current of the LD is sinusoidally modulated to realize the modulation of the wavelength. However, the light intensity of LD is also modulated, which affects the measurement accuracy. An all-fiber sinusoidal phase modulating LD interferometer for real-time displacement measurement is proposed where the influence of the intensity modulation is eliminated with a new algorithm. It is made clear that an optimal depth of the sinusoidal phase modulation (SPM) exists in the algorithm. Moreover, the SPM depth is locked at the optimal value by controlling the injection current with a feedback control system. The feasibility of the proposed interferometer for displacement measurement is verified by experiments.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

基于选择采样的高效迭代相位提取算法

在光学精密测量中,相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差,采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差,提高测量精度,但是其迭代过程运行时间长,效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法,先对干涉图像进行等间隔抽样,降低计算量;再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点,防止误差增大,进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证,在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比,运行时间从6.687 s降为0.725 s,均方根误差仅为0.032 9。实验结果证明:选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小,非常适合高速相移干涉测量应用。     

便携式泰曼格林型干涉仪装调方法研究

 为满足光学系统对高精度检测的要求,依据一种新型便携式干涉仪的设计方案,研究了装调方法。该型干涉仪基于改进的泰曼-格林光路结构,其设计测试精度达到λ/10（P-V,λ=630 nm）,具有参考镜离轴、体积小巧、便携、精度较高、成本低及便于批量装备等新特点。针对该新型干涉仪的结构特点,研究了以两个互相垂直的光轴为基准对整体结构进行装调的新方法,并用装调完善的干涉仪进行了实测试验和比对试验。试验结果表明,该新型干涉仪器对已知面型精度为λ/10（P-V,λ=630 nm）的标准球面镜进行检测,其精度可达到0.09 λ;在相同的测试条件下进行比对实验时,该新型干涉仪对普通标准球面镜的检测结果为0.053 λ（RMS,λ=630 nm）,ZYGO干涉仪的检测结果为0.051 λ（RMS,λ=632.8 nm）,两者测量能力较为接近。采用新装调方法进行装调的该新型便携式干涉仪的实际检测精度达到了设计要求,新装调方法可以满足该新型干涉仪的指标要求。     

Phase determination in holographic Moiré in presence of nonsinusoidal waveforms and random noise

This paper proposes a subspace parameter estimation method which besides allowing for accommodating multiple PZTs in an optical interferometer permits for extracting in real time values of phase shifts between data frames at each pixel point. The technique enables to freely choose values of phase shifts between 0 and π. A generalized phase measurement algorithm allows for computing multiple phase information present in the interferometer. The method facilitates the use of spherical beams, addresses errors arising from the miscalibration of the phase shifting devices, and is capable of handling nonsinusoidal waveforms in an effective manner. Numerical simulations demonstrate that phase distributions can be measured with high accuracy even in the presence of noise.     

基于数字全息技术的迈克尔逊干涉仪设计与应用

传统的迈克尔逊干涉仪只能简单地呈现光的干涉图像,并不能生动体现光的波动特性及其形貌特征,且测量过程繁琐。针对这些问题,提出了一种基于数字全息技术的新型迈克尔逊干涉仪实验装置。该装置采用2个CCD相机代替传统迈克尔逊干涉仪中的平面反射镜,并引入与球面光相干的平面参考光与球面光发生干涉,利用数字全息技术直接获取2个CCD记录面上的球面光复振幅信息,然后通过最小二乘拟合获取球面波参数,并对球面光复振幅进行解调得到居中后的球面光复振幅,最后通过数字干涉的方法实现两球面光的干涉。实验结果表明,该装置能实时生动地显示入射球面光的三维图像和两球面光的干涉图像,同时根据拟合得到的参数能便捷地测量透明等厚介质的折射率,实验中测量了3种不同材料的折射率,其误差均能控制在±5%以内,有较高的测量精度。     

光纤外差干涉位移传感器性能的提高

利用半导体激光器 (LD)、光隔离器、光纤定向耦合器、自聚焦透镜等组成双路光纤斐索型干涉仪。采用三角波电流调制 ,上、下边沿拍频信号差动鉴相的方法 ,提高了测量灵敏度和位移响应速度 ,增大了测量范围 ;利用辅助干涉仪检测系统的相位漂移 ,并对LD发光波长进行反馈控制 ,提高了系统的稳定性 ,实现了大测量范围、高分辨率、高精度位移测量。     

Changing photo-written Bragg wavelengths of fiber gratings via one phase mask and four mirrors

A phase mask interferometer is developed to photo-write long gratings with arbitrary Bragg wavelengths. In this system, the fiber Bragg grating is photo-written by UV interference stripes of 193 nm reflected from two rotatable mirrors and two fixed mirrors, where the phase mask is not only used as a beam splitter, but also initialized the reference quantity of Bragg wavelength; the fixed mirrors are used for reducing the incident angle; the rotatable mirrors are used for adjusting the corresponding photo-written Bragg wavelength. It is worth noting that the photo-written length is fourfold as high as the length in the Talbot interferometer with the same mirror size.