两步相移数字全息物光重建误差分析与校正

系统研究了两步相移数字全息干涉术中相移误差引起的波前再现误差的计算和校正方法. 基于衍射物光相位分布的随机性和振幅相位的相互独立性原理,介绍了相移数字全息中物光波前再现误差的表达形式,推导出步长为π/2的两步算法中物光重建误差的表达式. 通过进一步分析这一重建误差的结构和特点,结合物光表达式,给出了自动校正相移误差引起的波前重建误差的校正方法. 该方法无需增加测量,在未知相移误差大小的情况下,只对标准两步相移算法恢复的物光复振幅进行处理就可以实现对物光振幅和相位的同时校正. 计算机模拟结果表明,校正后可将 关键词： 相移干涉术 数字全息 物光重建 误差校正     

涡旋光的干涉特性及其在变形测量中的应用

将涡旋光应用于电子散斑干涉,测量变形物体的离面位移.把传统的电子散斑干涉测量技术与液晶空间光调制器相结合,将所获得的涡旋光作为参考光或者物光进行变形测量.推导出物光为平面光、参考光为涡旋光,和参考光、物光均为涡旋光时物体变形后的干涉强度公式,模拟计算了变形后的干涉图样,分析了变形图样的特征.运用四步相移方法得到了物体的变形相位公式,通过解包裹得到了物体的变形相位.模拟计算得到的三维相位分布图与物体离面位移的变形相位理论值的三维分布图相吻合.模拟实验结果表明,涡旋光可以应用于物体的变形测量,为变形测量提供新的途径.     

相移阴影莫尔条纹正交化解调技术

提出一种基于克莱姆正则化分析法的三帧自标定相移阴影莫尔三维轮廓技术.该技术首先采用移动光栅的方法获得相移条纹图,然后通过不同帧相移条纹图相减去除条纹图背景,进而结合克莱姆正交化法和最小二乘法,发展了一种相位解调方法,提取了测量相位.以五步Harlharan算法为参考,用不同算法对同一物体表面进行测量.结果表明,相对于典型的三步相移法和主量分析方法,提出的方法测量得到的相位误差最小(0.5rad),且简化了测量过程.     

单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法

针对投影仪标定方法中存在畸变及倾斜投影引起条纹周期、条纹级数变化的问题,提出一种单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法.设计生成横向和纵向各两组单周期条纹图像,经投影仪投影到带有圆形标识的标定板上,相机同步采集标定板图像,叠加由双四步相移获得的两幅相位主值图,对叠加相位主值图相位展开,利用展开的绝对相位值计算投影仪像素坐标值,最终将投影仪标定转换为成熟的相机标定.实验结果表明:仿真投影仪标定实验准确度的最大重投影误差约为0.4pixel,均方根误差为0.132 96pixel;实际投影仪标定实验准确度的最大反投影误差约为0.46pixel,均方根误差为0.143 12pixel;实验结果与仿真结果的最大反投影误差相差15%,均方根误差相差7.6%.与现有的采用三频相位展开进行投影仪标定的方法相比,投影光栅图像数可减少8幅.该方法改善了现有投影仪标定方法的不足,标定准确度和标定效率均得到提高.     

基于光学涡旋相移技术的离面位移测量

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案,实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束,通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时,产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中,在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅,产生相移步长为π/2的涡旋光束,利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场,从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹,获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.     

通过相移条纹图差分测定相移量的方法

提出一种通过两幅相移条纹图相减来确定它们之间相移量的方法,进行了理论分析和实验验证。两幅相移条纹图相减并归一化后,得到的相移差分函数是振幅只与相移量有关的正弦函数,可以通过确定该函数最大极值的方法得到振幅,进而计算出相移量。介绍了极值直接查找法和平均法两种实现最大极值测量的方法。由于不使用傅里叶变换,减少了运算时间,既可以用于高空间频率条纹,也可以用于稀疏平行条纹,以及任意花样的条纹。在衬比度因子确定后,用这种方法就能够直接在空域内确定两幅条纹图之间的相移量,通过大量采样点进行统计计算,使结果达到很高的精度。将所得到的结果与用傅里叶变换方法得到的结果进行了比较,表明两种方法得到的结果具有完全相同的精度。     

相移光腔衰荡高反射率测量中的拟合方法

 分析了相移光腔衰荡技术中由锁相放大器探测光腔输出信号一次谐波的振幅和相位随调制频率的变化曲线。拟合结果发现，联合幅频和相频曲线构造同时含有振幅和相位信息的均方差拟合函数，不同频率拟合范围得到的衰荡时间平均值为0.791 μs，最大误差由分别用幅频或相频曲线拟合得到的衰荡时间误差的8%减小到1.3%，均方差仅为0.5%。通过在拟合函数中加入系统响应时间、系统初始相位等参数，避免了相移光腔衰荡中直腔实验时测量系统频率响应曲线，提高了测量精度。     

基于四步相移光栅投影的三维形貌测量系统

为了实现对具有明显跳变面物体的轮廓测量,建立了四步相移光栅投影的三维形貌测量系统,并对所采用的四步相移测量算法进行研究。在介绍四步相移原理的基础上以有明显跳变面的三棱锥橡皮块为例,建立针对明显跳变面的测量算法。通过对4幅相移图算术求和并除以4得到平均灰度图;将平均灰度图二值化处理定位明显跳变面或阴影部分;将二值化图像与包裹相位图卷积,而后对包裹相位图进行解包裹,从而得到正确的连续相位,最终获取物体三维形貌。根据上述算法测量三棱锥的三维形貌并计算其体积,测量实验表明:被测物的体积平均相对精度为0.47%。     

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。     

基于随机相位调制的数字全息相移量提取方法

提出了一种在相移数字全息中提取相移角的方法.该方法通过在相移数字全息中引入随机相位板对物光波的相位进行调制,使得物光波在全息面上的相位分布成为近似理想的随机分布,进而根据这种随机分布的统计性质对相移角进行提取.计算机模拟结果表明,该方法提取出的相移角与设定的相移角之间的相对误差小于千分之一.同时,经过对比采用随机相位板和不采用随机相位板的计算结果发现,物体衍射光波在全息面上的相位分布具有一定的相关性.     

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。     

同轴相移数字全息中相移角的选取及相移误差的消除

基于两步同轴相移数字全息,首先从理论上分析了记录时不同相移角的选取及相移误差对再现像的影响,并给出了一种利用再现像所有抽样点的强度偏差之和作为评价标准,通过逐步改变理论设定相移角值来寻找实际相移角的相移误差消除新方法;其次对二步相移数字全息中记录时参考光波最佳相移角的选取作了计算机模拟,发现只有将参考光波的相移角选择在一定范围内,再现像的噪声较小;最后利用计算机模拟了相移误差消除,验证了所提方法的可行性.     

Phase-Shifting Fringe Analysis for Laser Diode Wavelength-Scanning Interferometer

A method for analyzing the fringe patterns obtained from a wavelength-scanning interferometer is proposed. It is based on phase retrieval with the phase-shifting method and derivation of its slope along the wave number axis. The accuracy and the error sources are estimated by experiments, in which a laser diode under small wavelength-modulation (-95pm) is used as the light source. A conventional piezoelectric phase shifter was used for a phase shifter. This technique can be applied to profile measurement of stepped objects located across the zero-path position.     

基于多频外差原理的相位解包裹方法

根据多频外差原理推导了三频光栅条纹解包裹的过程,获取了光栅条纹的绝对相位值。同时,为了减小误差,提高测量精度,提出了一种相位修正的方法,比较了相位修正前后的相位图,表明该方法能够非常有效地去除相位误差。通过将修正后的绝对相位值作为匹配的一个特征量,利用机器视觉中双目立体视觉的方法求取物体的三维特征。实验证实了该方法的可行性,并得到良好的测量结果。     

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。     

基于倾斜相位的抗振动干涉面形测量

环境振动会在干涉测量过程中产生随机倾斜、移相误差,导致测量精度下降。为了降低环境振动对移相干涉测量的影响,提出了一种基于倾斜相位的抗振动干涉面形测量方法。首先,利用Fourier变换将干涉图变换到频域;然后,利用频域细分操作对峰值坐标进行亚像素精度定位,求解出振动倾斜平面;最后,利用最小二乘法计算出待测面的相位分布。实验结果表明,本方法与同步移相法的复原结果具有高度一致性,波面峰谷值和均方根值的偏差较小;且本方法无需对硬件进行改动,可为振动环境下的移相干涉测量提供一种低成本、高精度的解决方案。     

一种同步移相干涉测量系统的误差研究

根据偏振光的琼斯矩阵理论,分析了一种基于二维光栅分光的同步移相干涉测量系统的工作原理。从干涉系统、分光系统以及移相系统三个部分详细研究了该系统的误差产生原因和作用机理,并针对各种误差源提出了相应的解决办法,为同步移相干涉测量系统中光学元件的选择、光路的调整及其误差的补偿提供了理论依据。结果表明,干涉部分的误差影响较小,可以通过光路的设计降低分光部分的误差;移相系统的误差最大,必须要对移相误差进行标定。     

High Accuracy Phase Measurement in Phase-Shifting Speckle Interferometry

A method for accurately measuring information about the deformation of a rough surface object using a phase-shifting speckle interferometer with a television camera and a computer is considered. In this case, the intensity change of the speckle by phase-shifting varies randomly in space because of the statistical property of the speckle. Then, at points with small intensity change, the accuracy of the phase measurement is affected significantly by the quantization error of an analog to digital converter for data recording. To improve the accuracy, the statistical property of the interference speckle must be clarified. This is done theoretically and experimentally, and the experimental results show that higher measurement accuracy can be attained by selecting large amplitude points.Presented at 1996 International Workshop on Interferometry (IWI ‘96), August 27–29, Saitama, Japan.