基于Lissajous图技术的波长移相标定方法

波长移相干涉仪可应用于大口径光学元件的检测。研究了基于Lissajous图技术的波长移相标定方法,实现了干涉图间移相量的计算,解决了在不同干涉腔长下进行测试时移相量需控制成为一个特定值的问题。首先通过模拟仿真,验证了方法的正确性;然后编写程序对已知移相量的实际干涉图进行计算。结果表明,在干涉图对比度较好以及对计算的两点选择恰当的情况下,计算出的相对误差在4%范围内。     

一种变频相移干涉测量的相位提取算法

相位提取的精度直接影响相移干涉测量的精度。在变频相移干涉测量中,相移量由干涉腔长和波长变化量决定,必须对测试系统进行相位标定,但常因相位标定不精确而引入相移误差,影响相位提取的精度。运用一种基于迭代的相位求解算法,该算法无需对测试系统进行相位标定,可以在被测相位和相移量均未知的情况下,通过交替迭代法求解出被测相位。通过仿真比较了传统四步相移和基于迭代的相位求解算法的相位提取精度,结果表明,基于迭代的相位求解算法的相位提取精度优于传统四步相移算法的精度。     

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。     

基于统计分析方法的同步移相干涉图位置配准

使用同步移相干涉仪重建波前相位时,需要对移相干涉图进行准确的位置配准和目标区域确定以保证重建精度和相位解缠绕算法的成功实施。提出一种基于统计分析方法的圆形域同步移相干涉图位置配准技术,对一组包含不同相位分布的干涉图按照对应像素位置进行方差分布函数计算;利用最大组间方差法完成阈值分割,从而分离出干涉图像的背景与目标区域,通过梯度运算检测出目标区域的轮廓;利用改进Hough变换算法估计出各个轮廓的绝对位置和半径参数。数值仿真结果表明,当轮廓半径大于64pixel时,该方法的配准精度可以达到0.5pixel。通过建立自参考同步移相干涉仪对该方法的可靠性与实用性进行实验验证。     

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。     

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。     

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。     

超快激光抽运-探测中探针光时间延迟量的 实时测量原理与光学设计

为了在飞秒激光抽运-探测(pump-probe)的超快测量中对探针光时间延迟量进行实时检测与有效控制,提出了一种四路同步移相干涉的光学测量系统.应用琼斯理论对该光学测量系统进行了优化设计与计算,推导出同步移相干涉系统各帧干涉图相应点的光强表达式,确定了相邻干涉图之间的相移步长,并给出了相位延迟量测量的解析表达式.最后,对光学系统在检测中可能存在的误差进行了计算分析,结果表明,系统的设计不仅能满足超快pump-probe精度的基本要求,而且优于目前同步移相干涉测量的光学设计,对于800 nm中心波长的探针光在理论上可达阿秒级的时间分辨率. 关键词： 超快抽运-探测 时间延迟量 同步移相干涉 琼斯矩阵     

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。     

基于多光束干涉原理的相移算法研究

针对多光束干涉原理的相移算法包括算法误差及步长优化等问题，以菲索干涉仪精密测长为 应用背景进行了研究.利用干涉光学的基本原理导出了在多束光干涉(经光学面多次反射、透 射)的情况下干涉光强随相位分布的精确公式；在此基础上，通过数值分析的方法得出了利 用菲索干涉仪精密测长的相移步长的优化取值范围和干涉光束最佳初相位差的范围；对余弦 依赖算法所引起的光强误差分别就四步法、五步法得出了不同的依赖关系；并对多光束干涉 算法中几种主要的误差来源进行了不确定度评估. 关键词： 相移算法 多光束干涉 精密测长 不确定度     

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.     

基于π/4相移平均的多光束干涉相位提取算法

菲佐干涉仪中如存在多光束干涉现象,干涉光强将不再是严格的余弦分布形式.在导出菲佐干涉仪中多光束干涉光强公式的基础上,给出了将其近似为理想多光束干涉光强公式的条件.推导了对多光束相移干涉图用四幅算法求解的相位计算误差,并据此提出了基于π/4相移平均的多光束干涉相位提取算法:通过采集相移间隔π/4的两组干涉图序列,将两次计...     

Measuring in-plane and out-of-plane coupled motions of microstructures by stroboscopic microscopic interferometry

A stroboscopic Mirau microscopic interferometer system for measuring in-plane and out-of-plane periodic motions of microstructures is demonstrated. One full cycle of a periodic motion is divided into a number of motion phases. One sequence of interferograms with different phase shifting steps is collected at every motion phase by using stroboscopic imaging. A bright-field image can be extracted from one sequence of interferograms with the same motion phase. In-plane displacements are measured by applying an image matching method to all bright-field images, followed by a compensation for the relative positions of interferograms at the different motion phases, before calculating the phase distribution related to out-of-plane deformation. We demonstrate its capability for measuring a combination of out-of-plane deformation and in-plane displacement in a microresonator.     

Dispersion error of a beam splitter cube in white-light spectral interferometry

We revealed that the phase function of a thin-film structure measured by a white-light spectral interferometric technique depends on the path length difference adjusted in a Michelson interferometer. This phenomenon is due to a dispersion error of a beam splitter cube, the effective thickness of which varies with the adjusted path length difference. A technique for eliminating the effect in measurement of the phase function is described. In a first step, the Michelson interferometer with same metallic mirrors is used to measure the effective thickness of the beam splitter cube as a function of the path length difference. In a second step, one of the mirrors of the interferometer is replaced by a thin-film structure and its phase function is measured for the same path length differences as those adjusted in the first step. In both steps, the phase is retrieved from the recorded spectral interferograms by using a windowed Fourier transform applied in the wavelength domain.     

Wavefront measurement with a phase-shifting lateral-shearing Sagnac interferometer operating in broadband light

A phase-stepping lateral shearing Sagnac interferometer for wavefront measurement is described. Phase shifting is implemented using a polarisation modulator operating on the wavelength independent Pancharatnam's phase allowing accurate measurement of phase maps even with broadband light. We demonstrate the interferometer by measuring a range of different wavefront shapes using both laser and white light.     

Error compensation of four and five buckets wavefront extraction algorithms in phase-shifting interferometer

The phase-shifting method is all along an important wavefront extraction technique in the interferometer. Moreover, to require almost real-time measurement an algorithm with a small number of grabbed buckets is very helpful to the phase-shifting interferometer. Therefore, those algorithms within five buckets are very practical and are given more attention. In the paper, popular phase shifting algorithms within five buckets are compared and new four and five buckets algorithms are developed to compensate for two dominate error sources which are linear phase shift deviation and detector nonlinearity. Numerical simulations and wavefront extraction experiment verify that the proposed compensation algorithms are insensitive to linear phase shift deviation and detector nonlinearity compared with classical four and five bucket algorithm.     

基于傅里叶变换的光纤法布里-珀罗传感器解调研究

从双光束干涉的基本原理出发,分析了高斯分布光源条件下利用傅里叶变换解调光纤法布里-珀罗传感器的原理。针对高斯分布光源特点,提出直接对波长均匀采样得到的光谱数据进行快速傅里叶变换,然后利用传感器腔长与频域中峰值频率之间的关系求解传感器腔长的可行性。在此基础上,采用频谱插值技术提高了系统解调精度,并利用宽带光源和光谱仪等组成的解调系统,对所提出的方法进行了实验验证。结果表明,从实验中测得的数据与理论计算值能较好地吻合。     

双剪切波面干涉测量法

用于星间通信的激光器具有接近衍射极限的激光波面,已有的波面测量方法,在这一具体测量问题中,都存在一定限制。双剪切波面干涉测量法在雅满横向剪切干涉仪的基础上,采用四块楔形平板,将干涉图分为上下两个部分,具有不同的条纹间距,由此求出波面高度和符号,同得到单幅干涉图的其它干涉测量方法相比,它的最小可测量波高减小一倍以上。在介绍干涉仪的基本结构和原理的基础上,模拟了像差存在时的干涉图,并在实验上得到了波高为0．3A的初步结果。双剪切波面干涉测量法,可以目视判断波差的符号和估计量值,为等光程相干,适用于半导体等相干长度小的光源。