同步移相干涉的测量性能

详细分析了一种基于二维正交光栅衍射的同步移相干涉测量系统的组成结构,包括干涉系统、空间分光部件、偏振移相部件以及图像采集与处理系统。选择了二维正交透射光栅的四个衍射级次的光束作为测试光,理论和实验都证明这种方案具有良好的分光效果;用偏振方向依次改变45°的四片偏振片构成偏振阵列作为移相器件,并根据空间一致性要求,分割得到依次具有90°移相的四幅独立干涉图,获得了较高的移相精度;在幅频积低于100 Hzλ的振动环境中,系统测量重复性的峰谷值优于0.02λ,可以用于一般的在线检测和动态测量。     

任意正弦调制的正弦移相干涉波面测量方法

针对正弦移相干涉（SinPSI）中位相调制无法精确控制的问题,提出了一种从时域频谱提取波面信息的任意正弦调制SinPSI方法（ASM-SinPSI）。首先,根据SinPSI信号频谱的第一、三个谱峰强度关系确定调制幅度,并采用空间随机点的方法避免了分母零值的问题,然后从SinPSI信号的前三个谱峰中获得波面位相的正切数值与符号信息,最后以反正切计算波面位相。数值仿真表明:在未知调制信息情况下,ASM-SinPSI的波面位相提取误差为0.016 rad。在调制幅度为1.6、2、2.5、3 rad时的测量实验中,ASM-SinPSI均可精确提取波面位相,与真实波面偏差的最大值为0.058 7 rad。在1.5~3.5 rad区间内的任意调制幅度下,ASM-SinPSI无需精确预知调制信息即可高精度提取波面位相,放宽了对移相器的严苛要求。     

同步移相抗振光干涉测量技术研究进展

从移相单元分光以及相移形成角度对同步移相干涉光抗振技术的研究进展做了综述,分析了影响该技术的关键问题,对光干涉测试领域相关研究具有一定指导的推进作用。     

电调谐波长移相干涉术

为了实现一体化结构干涉仪的现场数字化检测,提出了一种电调谐波长移相干涉术,通过控制注入电流,调制半导体激光器（LD）的波长,从而实现时域移相干涉。通过优化传统的随机移相干涉模型,采用最小二乘求解线性回归模型迭代算法求解相位,抑制了电调谐的控制精度有限、LD非线性引起的不等间隔移相,以及环境震动引起的各采样点位相变化不同步的干扰。将该方法应用于现场检测的便携式斐索干涉仪上,利用其与Zygo GPI XP/D型干涉仪测量同一块光学平晶,测量结果的峰谷值偏差为9.91 nm,均方根值偏差为5.22 nm,能满足现场定量检测的精度要求。该方法还可以应用于其他类型的激光干涉仪中。     

激光横向剪切干涉应用于温度场的测量

根据大空间自然对流水平圆管上部上升的羽状烟柱区不符合边界层假设而导致各种解之间差异的问题,提出了利用横向大剪切量干涉实验装置来实现温度场的光学测量,得到了自然对流水平圆管在不同壁温时的实时条纹。利用彩色条纹图像中RGB原始数据中的R分量的峰、谷极值点的坐标来识别明、暗条纹并得到了全场的级数分布,以此反演出全场温度分布。实验结果表明:当圆管直径d为15.6mm、剪切量s为24.2mm时,实验得到的干涉条纹类似于利用全息干涉或马赫-曾得干涉原理得到的无限宽简单条纹;干涉条纹分辨率达到75.64pix/mm;利用横向大剪切量干涉法能够准确快速地反演全场温度分布,为工程热物理分析提供相关数据。     

移相干涉术及其相位解包新思路

本文介绍了移相干涉术的工作原理,提出了一种基于边缘检测的相位解包新思路。包裹相位在干涉条纹交界处存在跃变,该思路利用边缘检测将包裹相位的边界提取出来,确认条纹级次,进而解包相位。该方法运算速度快,适合条纹较少的包裹相位图的快速解包。     

白光显微干涉三维形貌测量中的移相误差校正方法

白光显微干涉术通过驱动干涉显微物镜垂直扫描移相,采集低相干干涉图序列,定位干涉包络中的零光程差位置,获取待测表面的三维形貌。微观形貌的计算由获取粗略形貌的垂直扫描（VSI）算法和获取精细形貌的移相（PSI）算法两部分组成。通常情况下,设置垂直扫描移相的步长为八分之一中心波长,但移相器误差和干涉显微物镜数值孔径效应等都会使得移相量偏离π/2。文中采用基于对比度变化重心提取的VSI算法,4M幅法和7幅法两种PSI算法,分别讨论了两种类型移相误差对形貌计算的影响。理论和数值分析结果表明,在宽带光作用下,7幅法仍对移相误差不敏感,4M幅法产生的精细相位误差形式恰好与干涉物镜数值孔径效应对条纹展宽的影响相一致,在从精细相位转换为精细形貌时相互抵消。因而,采用基于对比度变化重心提取的VSI算法和4M幅PSI算法计算形貌数据,干涉物镜数值孔径效应造成的移相误差无影响,移相器误差造成的形貌复原误差可以通过预先测量已知高度的标准台阶进行标定去除。应用上述移相误差校正方法测量了高度为460 nm的台阶,形貌测试结果正确且鲁棒。     

干涉条纹空间频率对数字叠栅移相干涉测量精度的影响

基于数字叠栅移相干涉原理,分析了CCD像元尺寸、随机噪声和量化误差对采样后干涉条纹和合成叠栅条纹对比度的影响,并就干涉条纹频率对叠栅移相干涉相位测量精度的影响进行了理论分析和仿真研究。结果表明,随着干涉条纹空间频率的增大,CCD的采样过程、随机噪声和量化噪声会影响叠栅条纹信号的对比度和信噪比,并通过相位解算过程直接影响数字叠栅移相干涉的相位测量精度。以相位测量精度为π/50(折合光程差精度为λ/100)作为判断标准,对应可探测干涉条纹的最大空间频率为0.45λ/pixel,为后续数字叠栅移相干涉测量范围的研究提供了定量理论依据。     

移相器类进动现象对干涉测量的影响

压电晶体(PZT)光学移相器作为移相干涉仪(PSI)的关键部件，其移相误差直接影响被测波面的相位复原精度。分析了压电晶体移相器在移相过程中导致干涉图旋转的原因——类进动，其本质是移相器在伸长的同时其参考镜端面法线方向绕着伸长方向产生旋转。利用典型的Hariharan五步移相算法。得出了类进动现象所导致的波面相位复原误差计算公式，给出了在测试孔径上的误差分布图。对影响误差大小的主要因素如干涉条纹的宽度、旋转的角度和测试口径等进行了具体分析，由此推导出在移相干涉仪光学调整过程中控制干涉图旋转误差的准则。     

移相式微分干涉相衬显微测量系统的研制

在微分干涉相衬显微镜的基础上，加入波片相移装置及图像采集处理，建立了移相式微分干淑相衬显微测量系统；分析并解决了表面微观形貌测量中存在的一些技术难题；准确地重构出了物体的微观三维形貌，实现了物体的表面高度及粗糙度Ra的高精度测量。结果表明：粗糙度重复测量精度为1.2nm；形貌高度分辨率为4.6nm。     

偏振相移电子错位散斑干涉术及其应用于弯曲板的曲率测量

叙述偏振相移电子错位散斑干涉术的原理以及用可调阶数最小二乘多项式拟合斜度分布求导的方法。用于周边固支矩形板的曲率测量和理论计算结果符合很好。     

径向剪切干涉测量激光光束波前的研究

详细论述了环路径向剪切干涉（cyclic raial shearing interferometry,CRSI）测量激光光束波前的原理,介绍了傅立叶变换空间载波条纹相位提取方法,以及畸变波前的重建算法,给出了数值仿真结果,并且进行了实验研究,验证了该方法的有效性.     

准直检测的改进—半孔径双向剪切干涉法

文中论述了半孔径双向剪切干涉仪的结构及进行准直检测的原理，给出了干涉条纹表达达式，讨论了该法的检测灵敏度。将检测结果与Ｔａｌｂｏｔ干涉法的结果做了分析比较。     

剪切量选择对剪切干涉降噪的影响

在全息干涉计量法获得的干涉光场相位中不同程度地存在散斑噪声,为顺利完成相位解包裹,降噪处理是必要的。通过剪切将噪声从光场中分离出来是一种有效方法,但剪切量的选择对去噪的影响还需要研究。通过理论分析、模拟计算和实验验证发现:剪切量会影响理想剪切光场相位与含噪声剪切光场相位之间的线性相关性,继而改变降噪难度;选取合适的剪切量可以使该线性相关系数达到最大,从而获得最佳的降噪效果。     

基于数字散斑剪切干涉术的三维面型测试

基于数字散斑剪切干涉术的原理,研究了物体面型的三维测试技术。使用倾斜反射镜的方法,使物光束散斑场偏转,再由CCD记录偏转前和后物光束的散斑场。这种方法代替了传统的使用剪切元件空间上直接获得干涉条纹图,减少了由于剪切元件分束引起的物光束的光能损失,实现了数字散斑剪切干涉术测量物体面型。应用MATLAB软件编程,控制剪切散斑干涉图的精确定向平移,得到了4个干涉图,实现了数字四步相移,代替了传统的在参考光中利用位相控制器的机械相移,从而实现了物体面型的三维测试。该方法不仅省去传统剪切散斑干涉术中需要对感光胶片进行化学湿处理的过程,也省去了压电位移器等硬件。大量的实验表明,该方法不仅简化了测试光学系统和实验的过程,也提高了测试精度,其精度可达到1/10波长。     

基于数字散斑剪切干涉术的三维面型测试

基于数字散斑剪切干涉术的原理, 研究了物体面型的三维测试技术。使用倾斜反射镜的方法, 使物光束散斑场偏转,再由CCD记录偏转前和后物光束的散斑场。这种方法代替了传统的使用剪切元件空间上直接获得干涉条纹图, 减少了由于剪切元件分束引起的物光束的光能损失, 实现了数字散斑剪切干涉术测量物体面型。应用MATLAB软件编程, 控制剪切散斑干涉图的精确定向平移, 得到了4个干涉图, 实现了数字四步相移, 代替了传统的在参考光中利用位相控制器的机械相移, 从而实现了物体面型的三维测试。该方法不仅省去传统剪切散斑干涉术中需要对感光胶片进行化学湿处理的过程, 也省去了压电位移器等硬件。大量的实验表明, 该方法不仅简化了测试光学系统和实验的过程, 也提高了测试精度, 其精度可达到1/10波长。     

相移点衍射干涉仪的关键技术研究

相移点衍射干涉仪(PS/PDI)是应用于极紫外光刻投影物镜波像差在线检测的高精度检测设备。在介绍国际相关机构PS/PDI研究进展的基础上,重点阐述在干涉仪优化设计、高精度对准、系统误差标定以及干涉图像处理等PS/PDI关键技术研究方面取得的成果。以关键技术研究为基础,开发了一套可见光波段的PS/PDI原理实验装置,并利用该装置检测了极紫外光刻中典型的Schwarzschild投影物镜的波像差,自主开发的20倍缩小Schwarzschild物镜的数值孔径达到了0.2。实验结果表明,干涉仪的重复对准精度优于0.1μm,波像差的绝对检测精度均方根(RMS)误差达到了0.025λ(λ为检查光波长),重复检测精度RMS优于0.001λ,检测速度达到了20秒/视场点。     

横向剪切最小二乘相位解包裹算法的改进

对存在欠采样的包裹相位进行解包裹一直是一个难点,尽管横向剪切最小二乘相位解包裹算法有不错的抗欠采样能力,但当存在严重欠采样时,该算法还是不能得到令人满意的结果。针对这个问题作了分析,并通过引入二次剪切的方法改进了横向剪切最小二乘相位解包裹算法,通过模拟计算和实验验证,证明改进后的算法是正确和有效的,该算法可以保证当包裹相位二阶离散导数的绝对值不大于π时能得到正确的解包裹结果。     

632.8nm高精度移相菲佐干涉仪测量误差分析

为了满足高精度光学系统对光学元件纳米级的检测精度要求,提出了一种理论可实现纳米级测量的632.8nm移相菲佐干涉仪的设计方案。通过对检测凹面和凸面的632.8nm移相菲佐干涉仪的基本结构和测量原理的分析,指出影响干涉仪测量精度的几种主要误差:移相误差、几何结构误差、振动误差、探测器误差(非线性误差和量化误差)、光源误差(波长不稳定和强度不稳定)、空气扰动和折射率变化误差。通过对这些误差理论分析和模拟,量化了各误差对测量精度的影响,其中移相误差、几何误差、振动误差和空气折射率误差影响最为显著。根据测量精度要求和仿真结果,得到实现纳米级测量的干涉仪系统参数和环境参数设置要求。