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。     

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。     

一种新的移相干涉技术

本文提出了一种对连续采得的大量移相干涉图通过干涉条纹光强定标或傅里叶变换方法求出被测波前相位分布的新的移相干涉技术。此技术充分利用了近代计算机和ＣＣＤ数字图像处理技术的新成果，不仅可使干涉仪的硬件系统简化，成本降低，还可明显提高仪器的抗干扰能力，促进移相干涉技术的普及和推广应用。     

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。     

由三个压电陶瓷堆组成的干涉仪移相器的校正与标定

根据傅里叶变换原理 ,提出了一种对由三个压电陶瓷堆 (PZT)组成的干涉仪移相器进行非线性及平行性校正与标定的方法。在对各个压电陶瓷堆进行非线性校正的基础上 ,利用干涉图像自动分析系统 ,综合分析各个压电陶瓷堆之间的牵制作用 ,从而得到对整体干涉仪移相器平行性校正的补偿依据。组建了一套卧式数字平面干涉仪 ,在干涉仪移相器承重 6kg的情况下进行实验 ,非线性误差由 12 %校正至 0 3 %。由于干涉仪相移器承重而引起的移相过程中的条纹旋转降至 2° ,条纹间距变化小于 2 %。     

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。     

消除移相干涉测量中线性移相误差的五帧算法

在移相干涉测量中存在着移相器的移相误差,这对测量结果的精度有很大的影响。提出了消除移相器线性误差的五帧算法,使用该算法对五帧干涉图像进行处理。使用MATLAB软件针对移相干涉测量过程进行了模拟仿真。仿真结果表明,该算法在相位提取过程中可以消除移相器的线性误差因子,并对于常见的高斯噪声影响不敏感,从而提高了表面形貌测量精度。     

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.     

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。     

在随机和倾斜移相下光强归一化的迭代移相算法

由于存在振动和导向误差,干涉仪移相器在移相过程中产生随机的平移误差和倾斜误差,会给测量结果带来影响。因此高精度测量中对环境的稳定性和移相器的性能要求很苛刻。为了降低此种要求,针对随机和倾斜移相下干涉图背景光强和调制度的不均匀会影响移相平面计算的问题,对采集得到的干涉图做归一化处理,并利用迭代最小二乘法对归一化的干涉图做相位求解。迭代过程中,将干涉图分块来求解移相值,并对各移相值做平面拟合得到移相平面。仿真结果表明,该方法消除了背景光强和调制度的不均匀对倾斜系数计算的耦合作用,能够有效补偿倾斜移相误差对面形相位的影响,与其他方法相比,具有收敛速度快、求解精度高的特点。实验结果进一步验证了该方法的有效性。     

自适应压电式移相器的研究

移相器是移相干涉仪中的重要部件,压电式移相器由于分辨力高、响应快、控制容易而被大量采用。但压电陶瓷的非线性误差与位移量小,一直影响其应用范围的扩大。针对该问题,从压电式移相器机构与扩展方法入手,设计了具有放大特性的柔性铰链式移相器。采用单神经元(Proportional sum derivative,PSD)控制算法,实现微驱动定位的自适应实时控制,改善了非线性,降低了环境干扰的影响,提高了压电式移相器的性能。所设计的压电式移相器用3组压电陶瓷堆驱动,可用于100 mm孔径镜片,位移行程达30μm以上。实验验证该方法有效,控制精度达0.01μm。     

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0.112λ,波面均方根值(RMS)为0.014λ,与移相算法所得波面数据相比,波面峰谷值偏差不到(1/500)λ;波面均方根值(RMS) 偏差几乎为零。     

Enhanced phase sensitivity with a nonconventional interferometer and nonlinear phase shifter

We propose a theoretical scheme of an enhanced phase sensitivity by introducing a nonlinear phase shifter to the nonconventional interferometer consisting of a balanced beam splitter (BBS) and an optical parameter amplifier (OPA), a modified nonlinear interferometer (MNI). Then we use coherent state and even coherent state as inputs and homodyne detection at one output port of the MNI for phase sensitivity, both without and with photon losses. We find that the nonlinear phase shifter can not only improve phase sensitivity, but also significantly resist the decoherence from photon losses. In comparison to both the BBS+OPA scheme with linear phase shifter and the traditional Mach–Zehnder interferometer with nonlinear one, the phase sensitivity of the MNI scheme shows the best performance. It is interesting that the nonlinear phase shifter can stimulate potential of the OPA, although there is no improvement in signal-to-noise ratio beyond standard quantum limit for the BBS+OPA scheme with a linear phase shifter.     

压电晶体位移特性曲线干涉自动测量方法

本文提出了压电晶体(PZT)位移物曲线自动干涉测量方法,该方法利用干涉仪把PZT的微位移量转化成干涉条纹相位变化量,通过快速傅里叶变换(FFT)方法自动复原干涉条纹中包含的相位的变化量,从而高精度地检测出PZT的位移特性曲线.根据该方法,利用CCD摄象机、图象板和干涉仪组合成一套光、机、电一体化的微位移自动测试系统,实际测量了我们研制的PZT随电压变化的位移特性曲线.实验表明,该方法原理实现简单,且能实现高精度、自动、实时和动态测量.     

高精度,大口径平面波像差标准—移相式数字平面干涉仪

介绍研制成的一台移相式数字平面干涉仪，其孔径为φ２４５ｍｍ，用液面作基准标定并消除仪器的系统误差，准确度优于λ／５０（峰谷值，λ＝０．６３２８μｍ），利用计算机辅助干涉术，被测件口径可扩展到φ５００ｍｍ，该仪器将用于建立高精度，大孔径平面波像差标准。文中阐述了光学干涉仪，移相器及精度校核等问题。     

移相干涉术的一种新算法：重叠四步平均法

提出了一种能大大地减小由于移相器的位移误差而引起相位复原误差的新方法，即重叠四步平均法（Ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ Ａｖｅｒａｇｉｎｇ ４－Ｆｒａｍｅ （ＯＡＦ） Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）。给出了这种方法的盯们复原精度与移相器的位移误差之间的关系式，从关系式中可见，ＯＡＦ算法大大地减小由于移相器的位移误差而引起相位复原误差，通过计算机模拟，得到了各种算法的相位复原精度与移相器的位移误差之间的关系曲线，分析     

高功率固体激光放大系统相位自校正方法研究

就光学元件间低频相位误差叠加提出用相关系数作为叠加相位结果的估计参量，并通过模拟计算和验证实验证明了相关系数能有效地对低频相位叠加结果进行比较估计，在此基础上就高功率固体激光放大系统中放大片的选取和安装提出了自校正方法并实现了自校正过程。     

基于双通道马赫曾德尔调制器调制边带滤波的微波光子移相器

提出了一种基于双通道马赫曾德尔调制器(DPMZM)调制边带滤波的微波光子移相器。在双通道马赫曾德尔调制器的结构中,在一路马赫曾德尔干涉仪上实现抑制光载波的双边带调制输出,而在另一路马赫曾德尔的相位调节臂上通过调节偏置电压实现光载波信号的光学移相,两路光信号经过干涉合路后由光纤布拉格光栅(FBG)滤除其中一个一阶边带,最后输入到光电探测器(PD)进行光电转换得到移相的微波信号。实验结果表明,基于DPMZM调制边带滤波的微波光子移相器具有传输特性稳定、输出幅度波动小的优点。该结构还具有相移调节响应速度快、应用频带宽以及移相范围大于360°等特点。