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。     

基于同步移相显微干涉的血红细胞形貌测量方法

血红细胞的形貌特征是医学领域对多种疾病进行预防和诊断的一项重要指标,提出一种同步移相显微干涉法实现对血红细胞形貌的动态测量。搭建了透射式显微干涉成像系统,测量了100 μm内径模拟微血管内、名义直径为7 μm～8 μm、高度最大值为2 μm的新西兰兔血红细胞,针对血红细胞所处的微血管环境提出了基于微血管相位相减的血红细胞形貌提取方法和成像放大率校正方法,实验得到模拟微血管内的血红细胞平均直径7.757 μm和平均最高高度2.022 μm,验证了本方法具有在体定量测量血红细胞形貌的潜力。     

基于二维光栅分光的同步移相干涉测量技术

为了干涉测量的抗振目的,提出了一种新的同步移相干涉测量方案并搭建了实验装置。整个测量系统在迈克耳孙偏振移相干涉仪的基础上,利用一个正交的二维光栅产生对称分光,选取对于理想光栅衍射效率一致的(±1,±1)级衍射光作为测量分光路,使之分别通过偏振方向依次相差45°的一个偏振片组,从而分别形成0°、90°、180°和270°相移的四幅移相干涉图,按照传统的四步移相算法,对被测波面进行了复原。分析了光强畸变和移相误差对系统的测量误差的影响。利用该系统测量一球面系统,结果与在ZYGO干涉仪上相比较,球面系统的均方根误差相差0.012λ,峰谷值相差0.051λ。     

同步移相干涉仪中的延迟阵列移相特性研究

为了研究同步移相干涉仪中延迟阵列的移相特性,采用琼斯矢量和琼斯矩阵作为偏振光和偏振光传递的参量和模型,分析推导了延迟阵列的移相量与快轴方位角误差之间的传递关系,给出了误差传递函数公式,在没有精确校准延迟阵列快轴方位角的情况下,搭建了基于延迟阵列移相的测量装置,利用该装置和Zygo GPI XP型干涉仪测量同一块球面镜,测量波面均方根值相差0.003λ,峰谷值相差0.033λ。讨论了延迟阵列方位角误差容限和延迟量误差、偏振片透光轴方位角误差对测量结果的影响。     

移相干涉技术中移相器的自校正方法

移相干涉技术（ＰＳＩ）是８０年代兴起的一门干涉图形自动识别技术，移相器作为移相干涉技术的关键部件其移相误差将直接影响到移相干涉技术的干涉图的识别精度。本文提出了一种移相器的自校正方法，即利用移相干涉仪的自身系统，通过快速傅里叶方法，对移相器进行逐步逼近校正。结合移相式红外干涉仪的研制，给出了一组移相器的自动校正的实验，实验表明，校正后的移相器的非线性误差可由原来的５％降低到０．２％。     

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。     

同步移相干涉仪中的延迟阵列移相特性研究EI北大核心CSCD

为了研究同步移相干涉仪中延迟阵列的移相特性,采用琼斯矢量和琼斯矩阵作为偏振光和偏振光传递的参量和模型,分析推导了延迟阵列的移相量与快轴方位角误差之间的传递关系,给出了误差传递函数公式,在没有精确校准延迟阵列快轴方位角的情况下,搭建了基于延迟阵列移相的测量装置,利用该装置和Zygo GPI XP型干涉仪测量同一块球面镜,测量波面均方根值相差0.003λ,峰谷值相差0.033λ。讨论了延迟阵列方位角误差容限和延迟量误差、偏振片透光轴方位角误差对测量结果的影响。     

采用整体最小二乘法的条纹图配准方法

针对共光路菲索型动态干涉仪采集到的4幅条纹图的空间一致性问题,本文提出一种新的条纹图配准思路,将条纹图与图像配准在关联度上人为分开,搭建了专用的图像配准装置,避免将条纹与十字丝标志点混在一幅图像内而影响干涉仪的测量精度。首先通过本文搭建的条纹图配准装置对4台CMOS相机进行物理配准,然后利用整体最小二乘法对采集到的同一十字丝刻划板图像进行十字丝提取、交点计算以及旋转量计算,实现共光路菲索型动态干涉仪条纹图像的点点对应。最后通过试验对比验证,证明了本文算法的配准精度优于模板重心法的配准结果,互相关度达到96%以上。     

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。     

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。     

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。     

基于三幅子图的干涉合成孔径雷达数据处理方法研究

现有干涉合成孔径雷达(InSAR)数据处理方法需要单视复图像对包含的所有四幅子图信息, 且生成的干涉相位图去相关噪声非常严重。提出了基于三幅子图的InSAR数据处理方法：等值线相关干涉法, 包括图像对配准和干涉相位图生成。首先介绍了条纹方向图和条纹等值线窗口求取的方法, 并对算法进行了改进, 然后采用相关的方法详细推导了在等值线窗口内InSAR图像的配准和干涉相位图生成的公式。模拟和实测数据表明, 等值线相关干涉法(CCI方法)仅需用InSAR复数图像对的4个实虚部子图中任意3个能得到基本无斑点噪声、无模糊效应的干涉相位图, 并且减少了数据的传输和处理量, 是一种InSAR数据处理的全新方法。     

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。     

高精度干涉检验移相算法对振动误差的免疫能力

对移相干涉测量中影响移相稳定性,从而产生测量误差的小幅度机械振动进行了研究,建立了振动误差模型,仿真分析了Wyant84b三步算法、Hariharan87五步算法、七步算法和十三步算法4种不同移相算法对振动的免疫能力。模拟结果显示,十三步算法对振动的免疫能力最好,与已发表文献成果吻合,说明本文的模拟具有较高的可信度,在一定程度上能够对影响干涉仪精度的振动误差进行合理预测,并能够起到评价和筛选移相算法的作用。     

干涉合成孔径声纳多视波动配准方法

本论文以相位差平均波动函数法为基础,提出了多视波动配准方法。该方法首先对配准图像对进行多视平均处理,再对多视处理后的干涉图求取相位差平均波动函数值。该配准方法抑制了配准过程中的多峰现象,在精度和运算量上都有一定的改进,且没有继承多视处理降低二维分辨率的缺点。实际湖试数据验证了该方法的效果。后续处理得到的干涉图条纹清晰,并与实际地形吻合。     

基于模拟退火的相位展开方法

二维相位展开技术被广泛应用于光学精密测量、自适应光学、合成孔径雷达、图像处理等领域中。提出了一种基于模拟退火的相位展开方法。此方法对主值相位图采用局部平面近似，用模拟退火算法求出最优化平面参量，从而得到去除噪声和2π相位跳变的真实相位图。计算机模拟和实验结果均证明，此方法能有效地去除相位图中的噪声，实现带噪声的主值相位图的相位展开，可靠地重建被测物体的表面形貌。详细介绍了这一方法的原理及实验结果。     

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。     

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。     

基于相干波面光强分布的静态干涉图的数字分析

提出了基于相干波面光强分布的静态干涉图数字处理的新方法 ,即在CQG Ⅱ型激光数字波面干涉仪上通过分别微调参考镜和被测镜的倾斜量 ,在CCD探测器上获得形成静态干涉图的两幅相干波面光强分布图 ,利用这两幅光强分布图与它们所形成的干涉图 ,可高精度地完成静态干涉图的数字分析。利用相干原理 ,给出了实现该方法的基本过程 ,并编程实现了该数字分析 ,获得了实验测量结果。通过与相移测量结果相比较 ,验证该方法对口径为 60mm的平面有望达到的测量精度。     

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。