精密干涉测量中余弦依赖算法的误差研究

针对相移算法中以双光束干涉为基础的余弦依赖算法的算法误差,以菲佐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;通过数值分析得出了在给定参量条件下忽略次级反射光所引入的光强误差达到14．4％;对余弦依赖算法所引起的光强误差分别就四步算法、五步算法得出了不同的依赖关系：由于四步算法比五步算法对光强误差更为敏感,因而五步算法具有更高的准确度;对于两个反射面均具有较高反射率的情况,必须考虑算法误差;当测长准确度要求不太高时,在两个或至少其中一个反射面反射率较低的情况下可以忽略算法误差的影响。     

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...     

高斯光束对标准硅球直径测量的影响分析

针对高精度硅球直径测量系统的特点,分析平面波反射光的多光束干涉和双光束干涉,以及正入射时高斯光束反射光中心的多光束干涉和双光束干涉,对不同条件下的高斯光束反射光中心的干涉光强进行了数值模拟.对采用五步相移算法时高斯多光束干涉的影响进行了研究,给出了特定参数条件下不同束腰ω0和传播距离z时的最大相位误差,当ω0=5 mm,z=2000 mm时的最大相位误差达0.08%.     

非线性介质F—P干涉仪光束输出特性的理论研究

本文对准直光束射入含有非线性介质的Ｆ－Ｐ干涉仪内的光场分布进行了研究。由于非线性介质与光的作用，从Ｆ－Ｐ干涉仪出射的光束截面上的相移随位置的改变呈一定的分布，进而引起了干涉义的透射率和输出光束重新分布。当干涉仪两个面的反射系数较大时，输出光束截面出现光强和相移的跃变。这种现象与以前在平面波假设下所得的光强分布所得结论有较大的不同。     

一种机械扫描式精密相移测长方法

以相移干涉测长为应用背景,提出了一种基于“机械扫描”的相移测长方法。利用超高弹性石英材料研制出了干涉测长所需的单体3路相移装置,并利用该相移装置建成了相移测长装置,成功地将位移传感器的量值在线溯源到光学频率标准,从而实现了对3路相移的准确测量。介绍了一种引入步长控制误差的“新五幅相移”实现相位解算方法,算法准确度达到0.01%。对不确定度的定量分析结果表明,基于该机械扫描式相移技术构建的绝对长度测量系统准确度可达0.5 nm。     

基于最小二乘迭代的多光束相移算法

高阶谐波和随机相移误差是影响干涉测量精度的主要因素.为了同时解决这两问题,提出了基于最小二乘迭代的多光束干涉条纹分析方法.该方法利用傅里叶级数将多光束干涉条纹展开为基波和各阶谐波之和.它只需要5帧随机相移的多光束干涉条纹,即可通过最小二乘迭代准确地求得相移值和相位分布.模拟计算结果表明,当测试面反射系数小于0.6、随机相移误差的均方根小于1时,只需10次迭代运算即可将误差控制在0.005 (PV)和0.003(RMS)rad之下,精度比传统的五步算法精度高.实验结果进一步验证了该算法的有效性,并表明该算法比双光束相移算法优越.     

准相干干涉法测量光纤群折射率

介绍了用准相干干涉法测量光纤群折射率的方法。通过准相干干涉定位 ,用精密光栅数显系统测长 ,由计算机采集并处理数据获得一段短光纤的光学长度 ,然后利用常规精密测长手段测得其几何长度 ,从而得到光纤的群折射率。实验结果及误差分析得出 :测量不确定度优于 7× 10 -5(2σ)。     

非线性介质F－P干涉仪光束输出特性的理论研究

本文对准直光束射入含有非线性介质的Ｆ－Ｐ干涉仪内的光场分布进行了研究．由于非线性介质与光的作用，从Ｆ－Ｐ干涉仪出射的光束截面上的相移随位置的改变呈一定的分布，进而引起了干涉仪的透射率和输出光束重新分布。当干涉仪两个面的反射系数较大时，输出光束截面出现光强和相移的跃变．这种现象与以前在平面波假设下所得的光强分布所得结论有较大的不同．     

晶体偏光棱镜光强透射比研究

在菲涅耳公式、相位匹配条件和多光束干涉理论的基础上,将晶体偏光棱镜的各参量表示为合理的几何模型,得出了光强透射比随空间入射角的变化关系,并设计了验证光强透射比的实验,实验结果和理论推导相一致.结果表明：胶合层间的多光束干涉对棱镜光强透射比的影响不可忽略,对于空气隙型偏光棱镜,由于空气隙间多光束干涉的影响,光强透射比随任意角度变化较大,而用胶合介质胶合的棱镜,其透射比对空间入射角不是很敏感.     

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。     

一种提高干涉相位识别精度的方法

针对开环相移驱动下的单色光干涉测量,提出一种满足四步法的高精度相位识别的方法。首先选取干涉场中存在适当相位差的两像素点,建立相移驱动单周期内两像素点灰度序列值之间的干涉方程组。运用椭圆拟合获取相应干涉方程组参数,然后通过反算序列相位确定逐点驱动步长或序列相位信息。结合序列相位信息,运用Lagrange抛物插值算法,设计计算满足四步法的4幅干涉图,并计算各像素点的初相位。最后,运用多波长算法计算表面形貌并进行误差分析。实验表明:计算得到的方波多刻线样板的Ra值为0.439 0 m,测量误差为0.23%,此方法降低了对测量条件的硬件与环境要求,满足表面形貌高精度测量的要求。     

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。     

相移技术中五步等步长Stoilov算法的性能分析

Stoilov算法是近几年提出的一种五步等步长相移算法。有关文献中的误差分析表明 ,该算法的性能优于四步等步长Carr啨算法闹懈隽耍樱簦铮椋欤铮鏊惴ǖ恼繁泶锸?,采用线性误差理论详细分析了算法的性能 ,尤其是算法性能对相移步长的依赖关系。分析表明 ,可以选择一个最佳的相移步长以有效减少位相测量误差 :相移步长为 5 2°时可有效抑制二次相移量误差的影响 ;相移步长为 90°时可极大地减少光强误差的影响。最后给出了Stoilov算法与Carr啨算法和Hariharan算法的比较。     

参考光束型激光多普勒测速仪的误差分析

阐述了参考光束型激光多普勒测速仪的基本原理,从理论上分析了原理公式近似、高斯光束干涉、激光线宽、探测器孔径、有限渡越时间、信号处理算法、空气折射率变化及角度测量等诸多因素对激光多普勒测速仪测量结果造成的误差,研究并给出了每一种影响因素所引起误差的理论公式,在每一种影响因素中具体讨论了各种光学参数对测量误差的影响并对部分参数进行实验研究。理论分析和实验表明:在实验中需要选择线宽较窄的激光器及孔径较小的光电探测器,而在选择光束光斑半径和信号光中心光线的方向与粒子运动方向的夹角时,既要考虑激光的质量和多普勒信号的强度,同时也需要考虑原理公式近似、探测器孔径的尺寸、有限渡越时间及高斯光束干涉等多种因素对测量结果的影响。     

基于相位展开及拼接算法的一种高精度大量程宽光谱干涉显微术

宽光谱干涉显微术广泛应用于高精密检测领域,它测量样品形貌通常采用垂直扫描干涉术对亚微米至毫米级特征进行测量,以及相移干涉术对纳米级特征进行测量。其中,相移干涉术精度可达纳米级,但量程有限,高度变化对应的相位需限制在区间内。采用包裹相位展开算法可以扩展相移干涉术的量程,也仅适用于平滑表面,当高度起伏超出焦深或者光源相干长度的限定范围时,干涉条纹模糊或对比度丧失,所解算的结果将产生较大误差甚至错误。提出一种基于相位展开及拼接算法的高精度、大量程宽光谱干涉显微测量方法,以干涉条纹调制度量化条纹质量,条纹对比度高、成像清晰的区域对应调制度较高,定义当前焦面条纹调制度高于阈值的区域为理想区域,定义焦面条纹调制度低于阈值的区域为问题区域。以相位展开算法获得理想区域中的样品相位分布,问题区域的包裹相位不进行展开。使用微位移结构纵向移动物镜焦平面,选择合理的步长,使相邻焦面位置理想区域展开后的真实相位保持部分区域重合,根据重合区域的相位值均差可以实现不同焦面位置的高精度相位拼接,最终获得扩展量程的高精度真实相位结果,进而可以恢复样品完整的表面形貌分布。该算法通过对理想区域的筛选,避免了相位在问题区域展...     

相移相位测量的全息再现算法及测量误差分析

用全息原理和方法研究相移相位测量,得到了N步整周期相移再现物光波复振幅同步叠加函数(N步相移函数),同时提出一种新的相移相位测量误差分析和最大误差估计方法。N步相移干涉图是以理想平行光为参考光的无衍射同轴全息图,将其与对应的相移参考光相乘后求和得到N步相移函数;在理想情况下,这是一种复振幅分离、测量和物光波复振幅函数同步叠加方法,存在误差时计算出的相位是最小二乘方法的最佳期望结果。利用N步相移函数得到的N 1步相移函数,说明非理想N步相移函数是理想N步相移函数与误差函数之和,可以把相位型误差转化为与振幅和强度相对误差同等的误差来对待,降低了相位测量中误差估计的难度,给出了N步相移算法最大误差的估计方法和公式。     

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。     

Step index fibre using laser interferometer

A model is suggested to describe the fringe shift which occurs due to the phase variations of cladded glass fibre introduced between the two plates of the liquid wedge interferometer illuminated with a He–Ne laser. The fringe shift of the phase object which appears in the denominator of the Airy distribution formula of the multiple beam interference is represented in the harmonic term. An experiment is conducted using liquid wedge interferometer where the step index glass fibre of a nearly quadratic thickness variation is introduced between the two plates of the interferometer. The obtained fringe shift shows a good agreement with the proposed quadratic model. The Matlab code is written to plot the interferometer fringes comprising the shift of the step index fibre. Secondly, recognition of elliptical fibres is outlined using tomographic imaging. Finally, results and concluding remarks are given.