基于样本块匹配的干涉图延拓方法

在快速傅里叶变换(FFT)方法处理单幅干涉图原理的基础上,提出一种基于样本块匹配的干涉图延拓方法,利用干涉图像的可信度和等照度线特征,来确定待填充块的优先权,然后在干涉图的已知区域寻找与待填充块最相似的样本块来进行填充。充分利用了干涉图的条纹特征,结合梯度变化方向有效地合成纹理信息,具有很好的延拓效果。最后将该干涉图延拓方法与傅里叶变换,合适的滤波函数和相位解包方法结合起来形成整套单幅干涉图处理方法。采用该单幅干涉图处理方法获得的波面峰谷值与Zygo移相干涉仪得到的平均相差不到λ/100,并且两种方法获得的波面均方根值平均相差不到λ/200。     

基于优化探测窗口的光斑质心探测方法

哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测时，用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置，子孔径窗口作为探测窗口，但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响，会使质心探测精度产生很大的误差。因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响，必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度。为此，在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度,仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度，未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是2.851 4λ，均方根值是0.606 3λ，优化探测窗口后波前残差的峰谷值是1.636 2 λ，均方根值是0.367 1 λ，重构误差减小了40％。证明了算法的可行性和稳定性。     

基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术

为测量光学系统出射波前以及动态波前,提出一种基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术。在传统点衍射干涉仪中调整点衍射板轴向离焦量引入圆载频,通过二阶极坐标变换可以将圆载频干涉图转换为具有准线性载频特征的干涉图,从而在频域中将连续频谱转换为准离散谱,采用傅里叶变换法即可提取相位。仿真波面为利用36项Zernike多项式随机生成,在离焦17λ条件下相位恢复误差的均方根值为0.002λ。实验测量了F/10标准镜头岀射波面,测量结果与SID-4波前探测器一致;实验还实现了有机玻璃材料吸收特性的动态检测。因此采用该技术能够实现光学系统的检测以及动态波面实时测量。     

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。     

基于优化探测窗口的光斑质心探测方法

 哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测时，用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置，子孔径窗口作为探测窗口，但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响，会使质心探测精度产生很大的误差。因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响，必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度。为此，在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度,仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度，未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是2.851 4λ，均方根值是0.606 3λ，优化探测窗口后波前残差的峰谷值是1.636 2 λ，均方根值是0.367 1 λ，重构误差减小了40％。证明了算法的可行性和稳定性。     

基于FFT的薄膜厚度干涉测量新方法

在研究二维FFT法进行干涉测试基本原理的基础上,提出一种基于二维FFT的薄膜厚度测量新方法。利用搭建的泰曼-格林型干涉系统,用CCD接收、采集卡采集,可获得被测膜层的干涉条纹图像。编制算法处理软件,可实现对干涉条纹图中薄膜边缘识别、区域延拓、滤波、波面统一等的处理,从而获得带有薄膜信息的面形分布,实现对薄膜样片厚度的自动化测量。研究结果表明：所测薄膜厚度的峰谷值为0．2562,均方根值为0．068λ,说明采用基于FFT的薄膜厚度干涉测量新方法测量薄膜厚度具有较高的精度。     

动态干涉仪干涉图位置配准及移相误差校正

为抑制动态干涉仪系统中存在的干涉图空间位置匹配误差以及移相误差,采用相位相关算法和载频交叠重构干涉术,前者以光斑边缘为匹配特征,通过配准测试光斑,实现对4幅移相干涉图在空间位置上的像素级配准;后者按列交叠重构4幅载频移相干涉图,实现相位谱与误差谱在傅里叶频谱中相分离,滤取相位谱即可抑制移相误差对测量结果的影响。实验结果显示,两种方法均可以有效抑制干涉图的位置配准误差以及移相量误差,其结果与干涉仪结果相吻合,均方根值和峰谷值分别相差0.0057λ和0.0235λ。相位相关算法不受光强畸变等因素的影响,而载频交叠重构干涉术可以同时抑制由移相器件造成的两倍频相位误差和由光强畸变引入的一倍频相位误差。     

基于SURF和RANSAC算法的同步相移干涉图位置配准方法

同步相移干涉技术通过同时获取多幅相移干涉图,实现动态波面的相移干涉测量。为了保证测量精度,在实施相移算法前,需要对相移干涉图进行准确的位置配准。提出了一种结合加速稳健特征(SURF)提取算法和随机采样一致性(RANSAC)算法的多步干涉图位置配准方法,通过配准具有一定特征的干涉背景图,获得图像之间的变换关系并作用于相移干涉图,实现同步相移干涉图位置配准。仿真分析表明,该方法在光强不均的情况下对平移和旋转变换均具有较好的校准效果;在含有高斯白噪声的情况下,仍能进行配准获得变换矩阵,完成相位恢复。将此方法应用于四步同步相移显微干涉测量仪对标准平面进行测量,得到测量结果峰谷值为23.2520nm,均方根值为2.3149nm。     

基于奇偶函数法的绝对检测实验研究

针对平面干涉检测技术的检测精度受限于参考面面形精度的问题,提出使用基于奇偶函数的高精度绝对检测方法消除干涉系统中参考面面形误差的影响。对旋转角度误差与旋转偏心误差对绝对检测方法测量精度的影响进行了仿真分析。利用商用菲索干涉仪,设计和分析了绝对检测精度实验及重复性实验。仿真结果显示:旋转角度误差在达到0.13°时,测量误差PV值为0.000 1λ;旋转偏心误差达到3 pixel时,测量误差PV值为0.005λ。实验结果显示:测得实际样品的绝对检测精度PV₁₀值为0.041 5 λ,RMS值为0.008 7 λ,小于常规干涉检测所得结果;对同一平面两次独立的绝对检测结果进行点对点作差处理,从而获得残差图,其残差图PV₁₀值为0.004 λRMS值为0.000 5 λ。实验结果表明了该方法的高重复性和有效性。     

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。     

Broad-band phase retrieval method for transient radial shearing interference using chirp Z transform technique

The transient radial shearing interferometry technique based on fast Fourier transform (FFT) provides a means for the measurement of the wavefront phase of transient light field. However, which factors affect the spatial bandwidth of the wavefront phase measurement of this technology and how to achieve high-precision measurement of the broad-band transient wavefront phase are problems that need to be studied further. To this end, a theoretical model of phase-retrieved bandwidth of radial shearing interferometry is established in this paper. The influence of the spatial carrier frequency and the calculation window on phase-retrieved bandwidth is analyzed, and the optimal carrier frequency and calculation window are obtained. On this basis, a broad-band transient radial shearing interference phase-retrieval method based on chirp Z transform (CZT) is proposed, and the corresponding algorithm is given. Through theoretical simulation, a known phase is used to generate the interferogram and it is retrieved by the traditional method and the proposed method respectively. The residual wavefront RMS of the traditional method is 0.146λ, and it is 0.037λ for the proposed method, which manifests an improvement of accuracy by an order of magnitude. At the same time, different levels of signal-to-noise ratios (SNRs) from 50 dB to 10 dB of the interferogram are simulated, and the RMS of the residual wavefront is from 0.040λ to 0.066λ. In terms of experiments, an experimental verification device based on a phase-only spatial light modulator is built, and the known phase on the modulator is retrieved from the actual interferogram. The RMS of the residual wavefront retrieved through FFT is 0.112λ, and it decreases to 0.035λ through CZT. The experimental results verify the effectiveness of the method proposed in this paper. Furthermore, the method can be used in other types of spatial carrier frequency interference, such as lateral shearing interference, rotational shearing interference, flipping shearing interference, and four-wave shearing interference.     

基于窗口傅里叶变换剪切干涉法波前检测

提出了一种利用二维窗口傅里叶变换从径向剪切干涉条纹中准确得到波前的重建技术。首先对剪切干涉条纹做二维窗口傅里叶变换,设置阈值和频率积分范围后,进行二维窗口傅里叶逆变换,然后对包裹相位做去载频和相位展开处理得到相位差分布,最后使用波前迭代算法从相位差中复原实际波前。模拟计算表明,使用该方法最大相位复原误差为0.82%,均方根值为0.020 9 rad,实验结果验证了该方法的有效性。同时也对窗口傅里叶变换的关键参数,如窗函数的选择、窗口大小的确定以及阈值的选取等进行了简要讨论。与传统傅里叶变换法(FFT)相比,基于窗口傅里叶变换的剪切干涉波前检测法有更高的精度和稳定性,为波前检测提供一种新的处理方法。     

相位光栅型波前曲率传感器

研制了一套相位光栅型波前曲率传感器。实验结果表明,相位型散焦光栅能消除零级衍射光的干扰,正负一级衍射光的衍射效率达到49%。用相差板引进波前畸变,进行了波前测量实验。用格林函数算法进行了波前恢复,并和Veeco检测结果进行了比较。制备的光栅型波前曲率传感器测量结果正确,峰谷值存在10%的误差,均方根值存在2%的误差。     

Improved formula of wavefront reconstruction from a radial shearing interferogram

A radial shearing (RS) interferogram obtained by the carrier fringe method is essentially the combination of radial and lateral shearing. The previous phase reconstruction algorithm neglects the effect of lateral shearing on the obtained RS interferogram. A mathematical formula for wavefront reconstruction from an RS interferogram is deduced. If the phase difference of the tested wavefront phase, the RS ratio s, and the laterally sheared amount x(0) in the x direction and y(0) in the y direction, respectively, have been determined, the tested wavefront phase can be precisely reconstructed using this formula. The result of simulation analysis and experiment shows that the formula is correct and more accurate.     

Algorithm for near-field reconstruction based on radial-shearing interferometry

A new iterative algorithm to be used to precisely reconstruct near-field distribution from an interferogram of a laser output generated by a cyclic radial-shearing interferometer is proposed. First, by use of a window function around the zero-frequency part of the Fourier transform of the interferogram and calculation of the inverse Fourier transform of the zero-frequency part, we obtain the background intensity distribution of the interferogram. Then, according to the iterative algorithm, the near-field distribution of the laser output is precisely reconstructed from the background intensity distribution obtained in the first step. A numerical simulation and an actual experiment of the near-field reconstruction of the laser output with arbitrary amplitude distribution are implemented successfully.     

基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法

横向剪切干涉术是一种自参考干涉计量技术,其原理是被检测波前与其自身被剪开的波前之间在重叠范围内相干涉,由干涉图得到两相互剪切波前的波前差,通过波面重建算法得到待测波面.在波面重建算法中,泽尼克待定系数法是其中的一种.分析了横向剪切干涉技术的测量原理;提出了一种新的基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法....     

Experimental demonstration of phase correction with a 32 x 32 microelectromechanical systems mirror and a spatially filtered wavefront sensor

A 32 x 32 microelectromechanical systems deformable mirror is controlled in closed loop with a spatially filtered Shack-Hartmann wavefront sensor and a Fourier-transform wavefront reconstruction algorithm. A phase plate based on atmospheric turbulence statistics is used to generate a 1 microm peak-valley static phase aberration. Far-field images and direct phase measurements of the residual are used to compare performance with and without the spatial filter. Use of the spatial filter reduces error in the controllable band from 20 to 6 nm rms. Residual phase power is reduced by more than a factor of 5 for all spatial frequencies up to 0.85 x 1/2d, with a maximum attenuation factor of 37.     

基于循环式径向剪切干涉法的波前重建算法研究

 提出一种基于循环式径向剪切干涉的波前重建算法。先将畸变波前经径向剪切干涉仪形成的空间相位调制干涉条纹图通过傅立叶变换处理获得对应的位相差分布，再直接采用迭代算法能精确重建原始波前，为ICF系统中复杂畸变波前的在线准确检测提供了可能，并给出了应用实例。     

像面滤波技术在无透镜傅里叶变换数字全息中的应用

无透镜傅里叶变换数字全息波前重建主要采用全息图的一次快速傅里叶变换方法,重建图像不能充分占有重建平面.本文基于像平面滤波技术,提出对物体局部区域光波场进行放大重建并让重建图像布满重建平面的方法,给出具有精细结构物体的数字全息波前重建实例.此外,将数字全息光波场重建视为具有方形出射光瞳的光学系统的相干光成像过程,导出了物体放大图像的分辨率与光学系统相关参量的关系,并通过实验给予证明.