基于波长移相调谐的多表面干涉研究

为了解决不同厚度下平行平晶的多表面干涉效应对光学元件面形检测的影响,提出了基于波长移相调谐原理的多表面干涉面形检测方法。根据波长移相调谐原理,推算出不同厚度下被测元件与测试腔长的比例关系,通过对多表面干涉图进行离散傅里叶变换,进而提取出平行平晶前后表面面形的相位信息。实验结果表明:与ZYGO公司GPI干涉仪测量结果对比,厚度分别为10mm和40mm的两块平行平晶,测试结果偏差很小,验证了算法的有效性。     

相位恢复测量长焦距镜面(英文)

针对长焦距光学镜面检测中测量光路长,振动干扰较大,不容易用干涉仪进行面形检测的难题,提出了一种基于相位恢复技术的测量方法.该方法用相干点光源照射被测镜,采集一系列焦点附近的衍射光强图像,然后运用相位恢复算法得到镜面面形误差分布.利用衍射光学理论建立了测量模型,并用基于Gerchberg-Saxton算法的迭代算法求解模型.然后仿真验证了光场传播模型的可靠性和测量算法的有效性,并用该方法测量了一块曲率半径8700mm,口径145mm的球面镜.通过对光强图像位置进行优化,并选择适当离焦位置的图像,最终恢复出了镜面面形.相位恢复测量的结果与动态干涉仪测量结果基本一致,并且测量装置简单,对环境要求低.     

相位恢复测量长焦距镜面

针对长焦距光学镜面检测中测量光路长,振动干扰较大,不容易用干涉仪进行面形检测的难题,提出了一种基于相位恢复技术的测量方法.该方法用相干点光源照射被测镜,采集一系列焦点附近的衍射光强图像,然后运用相位恢复算法得到镜面面形误差分布.利用衍射光学理论建立了测量模型,并用基于Gerchberg-Saxton算法的迭代算法求解模型.然后仿真验证了光场传播模型的可靠性和测量算法的有效性,并用该方法测量了一块曲率半径8 700 mm,口径145 mm的球面镜.通过对光强图像位置进行优化,并选择适当离焦位置的图像,最终恢复出了镜面面形.相位恢复测量的结果与动态干涉仪测量结果基本一致,并且测量装置简单,对环境要求低.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于DCT算法的种子点相位解包算法

移相干涉术由于其高精度被广泛应用在光学元件的面形测量上,而由移相算法得到的相位数据被包裹在[-π,π]之间。基于区域生长理论的相位解包算法(种子点法)可以高精度地实现连贯区域的相位解包,基于离散余弦变换的最小二乘解包(DCT)算法可以实现矩形区域的相位解包,而实际测量中,经常会碰到被测件的有效区域为非矩形的分离区域。因此,在分析前两种算法优缺点的基础上,提出了基于DCT算法的种子点相位解包算法。首先运用DCT算法对整个包裹相位进行解包,然后运用种子点法分别解包各分离区域,再通过DCT算法求得的种子点干涉级次实现各分离区域解包相位的统一。实验结果表明,该方法克服了种子点法和DCT算法的缺点,可以准确、快速地实现分离区域干涉图包裹相位的解包,且比这两种算法具有更好的稳定性和更高的精度。     

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.     

MEMS微变形镜测试技术及算法研究

介绍了基于计算机控制的频闪显微干涉测量技术,实现了对MEMS微变形镜的表面形貌、离面变形、静态电压-位移曲线和谐振频率的测量。采用频闪成像、计算机微视觉技术以及基于最小二乘曲面拟合法的亚像素定位技术实现了对平面内微位移的测量;利用频闪成像以及5步相移干涉技术实现了对干涉相位的提取,建立了适合于MEMS微变形镜特性测试的相位解缠算法,恢复了代表被测物体表面形貌的真实相位,实现了微变形镜静动态特性的测试。测试结果表明:频闪显微相移干涉测量技术具有测量速度快、精度高、易实现自动控制等特点。     

Mirau相移干涉法测量微透镜阵列面形

基于Mirau相移干涉法，在实验室环境下对微透镜阵列的微表面形貌进行了轮廓测量.实验使用He-Ne激光器作为光源，干涉成像系统由Mirau干涉物镜和其他光学元件组成.在实验中使用压电陶瓷执行器作为相移器，通过5步相移法计算待测表面形貌.实验结果表明，基于Mirau相移干涉法对微透镜阵列面形的测量，水平分辨率达到1.1 μm，垂直测量准确度达到6.33 nm，垂直测量范围为5 μm.对于微透镜阵列的面形测量，通过将微透镜阵列划分为若干微小区域以保证局部面形最大高度小于5 μm，然后辅以精密平移机构进行若干次5步相移法测量局部面形，再利用相位重建所得的数据进行拼接和3D轮廓重建，最终得到整个微透镜阵列的精确微表面形貌.     

空域移相偏振点衍射波前检测技术

点衍射干涉仪结构简单、共光路、测量精度高, 空域移相干涉仪抗振性能优越, 两者在波前检测领域获得了广泛的应用. 本文采用激光打孔技术, 通过在金属纳米线栅偏振片上制备小孔, 制作了偏振点衍射板; 结合分光结构的空域移相技术, 搭建了空域移相偏振点衍射干涉仪, 并对一焦距为550 mm, F_#10的平行光管准直物镜透射波前进行测量, 与法国Phasics公司生产的商业化波前传感器SID4的测量结果相比较, 两者峰谷值相差0.09λ, 均方根值相差0.012λ ; 利用35项Zernike多项式拟合两者的测量结果, 将拟合得到的系数在同一坐标轴下绘制成两条曲线, 两者基本重合, 从而验证了所搭建的空域移相偏振点衍射波前检测装置的测试精度. 从而在传统点衍射干涉仪的基础上引入了空域移相技术, 实现了波前的高分辨率、高精度、实时检测, 并且提高了对振动、气流等环境因素的抗干扰能力.     

Phase-Measuring Algorithms to Suppress Spatially Nonuniform Phase Modulation in a Two-Beam Interferometer

Phase modulation of presently used phase-shifting interferometers is assumed to be spatially uniform across the observing aperture. However, calibration errors or the configuration of an interferometer can cause a spatial nonuniformity in the phase modulation. Spatial nonuniformity causes a significant error in the measured phase when the phase modulator has nonlinear sensitivity. An even-order nonlinearity in the phase modulation in particular contributes to the errors. Lowest-order errors can be suppressed by adding a new symmetry to the sampling functions of the phase-shifting algorithm, however the algorithm suffers from large random noise. The random noise is shown to be decreased substantially by applying one more sampled frame to the algorithm. We derive new seven-sample and eight-sample algorithms that can compensate for a nonuniform phase shift and has much less random noise than the previous algorithm we proposed.     

Polarization phase-shifting Jamin shearing interferometer

The Jamin shearing interferometer is very useful in wavefront testing, especially for the low coherent light. Based on this interferometer, a polarization phase-shifting Jamin shearing interferometer is proposed to improve the performance. In the interferometer, two interference beams are linearly polarized and a polarization phase shifter is applied to realize the phase shifting. Different types of configurations of the interferometer are given. With phase-shifting interferograms, the precision of the interferometer can be improved. The interferometer is kept as an equal optical path system and its shearing amount remains changeable with simple structure and easy operation. In experiments, phase-shifting interferograms are obtained by rotating the analyzer. The usefulness of the interferometer is verified.     

Polarization phase-shifting interferometer by rotating azo-polymer film with photo-induced optical anisotropy

A new type of phase-shifting interferometer was presented by rotating an azo-polymer film with photo-induced optical anisotropy in the light path of orthogonal polarization interferometry. By changing the angle of the optical axis of the azo-polymer film, four phase-shifted fringe patterns were obtained, from which phase difference between orthogonal polarized light could be calculated. The polarization states and the formation of the interferograms were analyzed theoretically using Jones matrix calculations and the experimental verification of the proposed method was also given. This method has a simple optical configuration which utilizes commercially available polarization devices and anisotropic azo-polymer film of low cost. The phase-shifting interferometer also demonstrates a new application of azo-polymer film.     

Polarization phase-shifting Newton interferometer for plane optical surface measurements

This Letter introduces a polarization phase-shifting Newton interferometer that can be utilized for plane optical surface measurements, a setup constructed to realize the interferometer, and the experimental results from the use of the setup. The results confirm not only the validity but also the feasibility of the interferometer.