基于光强自标定移相算法检测光学面形

考虑菲佐型波长移相干涉仪中波长可调谐激光器光强与调节电压之间的关系会对相位计算精度造成影响,本文提出了一种基于光强自标定的波长移相算法。首先,分析了波长可调谐激光器调节电压与输出光强之间的关系,建立了数学模型;然后,依据最小二乘判据,推导出了波长移相干涉仪的光强自标定移相算法。最后,实施了仿真实验,通过计算机生成背景光强具有一定变化的12幅干涉图,利用所提出的算法进行了相位恢复。结果表明,提出的算法可以很好地免疫激光器的光强变化,实现高精度的相位恢复。对口径为100mm的平面镜的测量结果显示RMS为0.005λ,PV为0.073λ。与ZYGO干涉仪测量结果的比较显示,两次测量面形的偏差RMS为0.0014λ,PV为0.022λ。得到的结果证明了算法的可行性及在菲佐型波长移相干涉仪中的实用性。     

一种波长调制干涉仪光强实时反馈控制系统

提出了一种实时反馈控制系统,保证波长调制干涉仪的激光光强在波长调谐过程中的稳定性,以减小波长调制干涉仪因激光光强的波动产生的相位误差。该控制系统由光电探测器、数据采集卡、光电调幅器和控制软件等组成。实验结果表明,该系统的响应速度超过了干涉仪获取干涉图的速度,不仅能够稳定输出理想的光强值,而且还提高了干涉仪的测量精度。     

被测件随机移相干涉面形测量方法

针对光学元件的面形测量,提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法,用于降低移相干涉仪的成本,避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图;然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布;最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性,在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统,并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试,同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明:在激光光源波长λ为632.8nm的情况下,凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ,和0.002λ;平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ,面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差,降低了仪器成本,测量精度高。     

多表面干涉下的光学元件面形检测

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术.首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置.然后,通过波长移相技术采集一组干涉图.最后,对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换,提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息,通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息.实验结果表明:与传统的13步移相算法相比,得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001,而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001.这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求.     

数字莫尔移相干涉仪误差多点标定与修正研究

干涉测量在现有的光学元件面形检测方法中具有测量精度高的优势,应用相对广泛。但干涉仪元件的加工和装调误差会降低面形检测精度。提出一种利用夏克哈特曼波前传感器对实际干涉仪系统进行多点标定的方法,利用波前标定数据在光学设计软件ZEMAX中实现对虚拟干涉仪系统的修正,结合数字莫尔移相算法,消除实际干涉仪加工和装调误差的影响。选取平面镜和可变形镜作为待测镜分别进行面形测量实验,结果表明,标定和修正后的数字莫尔移相干涉仪系统检测精度提高,与Zygo干涉仪的检测结果相比,面形趋势保持一致且峰谷值(PV)值误差相差在0.07λ(λ=532 nm)以内。     

曲率半径的高精度测量及其不确定度

为了高精度测量光学元件的曲率半径,提出了一种利用反射式计算全息元件结合波长移相干涉测长技术测量光学球面曲率半径的方法.测试中,将反射式计算全息元件作为基准来标定所用标准镜头参考面的曲率半径,利用波长移相干涉技术测量干涉腔腔长,通过计算分析得到被测元件的曲率半径.文中描述了该方法的系统构成及其工作原理.结合实例,运用理论分析与软件仿真模拟分析了方法的测量不确定度.最后,利用实验室现有的商用波长移相干涉仪进行了实验验证.对一口径为100 mm的球面样品进行曲率半径的测量,得到的结果为157.108 3 mm;利用接触式球径仪法对同一样品进行对比测量,结果显示相对误差小于0.02％.与其它目前已有的非接触式曲率半径测量方法相比,提出的方法具有误差源少、测量精度高、易于操作等优点.     

高灵敏度获取SPR生物传感器的信息

获得高灵敏度的生物信息是SPR生物传感器扩展其应用的重要保证。它涉及生物传感芯片、光路、信号采集以及信号处理,其中生物传感芯片、信号获取和数据处理是实现高灵敏度获取的3个主要因素。本文通过对空间相位调制微阵列检测系统和微阵列光强检测系统的分析,得到了信号获取系统可以达到的灵敏度;同时,还分析了信号获取系统的传感单元对灵敏度的影响,提出了合理选择和设计信号获取系统的措施。研究结果表明,相位检测的灵敏度和分辨率要明显高于光强检测,光强检测的灵敏度能达到10^-4RIU,相位检测的灵敏度可达到10^-6RIU。     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。     

带有补偿器的液晶相位可变延迟器

为了能够测量带有补偿器的液晶相位可变延迟器(LCVR)在不同电压值下的相位延迟,提出了一种基于斯托克斯矢量和穆勒矩阵的测量方法.在可见光范围内6个波长下实验测量了LCVR在2 kHz方波、0～10 V电压下的相位延迟.结果表明,LCVR具有调谐电压低、控制简单、调节范围大、无需转动等优点,相位延迟的测量误差＜0.6%.根据延迟器件的特性,建立了相位延迟的拟合函数公式,采用最小二乘曲线拟合的方法得到了延迟器件工作范围内全部波长、全部电压值下的相位延迟,曲线拟合的标准差＜0.02λ.提出的测量方法、测量结果和拟合函数的建立对偏光器件的研究有一定的参考价值.     

移相式激光偏振仪的原理及误差分析

本文介绍了移相式激光偏振仪的原理及误差分析。在塞纳蒙补偿器系统中,通过改变检偏器方位角对输出光强进行移相,然后测量输出光强并作傅立叶分析,就可精确获得被测件的相位延迟量。     

Phase-shifting interferometer using a frequency-tunable diode laser calibrated by an optical frequency comb

We present a phase-shifting interferometer based on a frequency-tunable diode laser calibrated by an optical frequency comb and the Carre? algorithm. By use of the frequency control strategies of locking the diode laser to different comb modes and scanning the repetition rate, an arbitrary single optical frequency synthesizer is obtained. The relative laser frequency uncertainty is 5.7 × 10(-12) for 1 s averaging time with tracing to an Rb clock and accurate phase steps are achieved by optical frequency tuning. The surface topography of a standard sphere is measured by this phase-shifting interferometer based on a flat reference. The phase measurement repeatability is λ∕200. With this technique, phase measurement uncertainties from the laser frequency and phase steps are negligible.     

Phase-measuring algorithm to suppress inner reflection of transparent parallel plate in wavelength tuning Fizeau interferometer

Optical thickness variation is a fundamental characteristic of transparent optical devices. When measuring this variation by using a wavelength-tuning Fizeau interferometer, the measurement accuracy depends on the phase-shifting algorithm being used. Therefore, the phase-shifting algorithm should compensate for any errors incurred during the measurement, including the phase-shift error, coupling errors, and bias modulation of intensity. Among these errors, however, the coupling errors between the higher harmonics resulting from the inner reflections of the transparent plate and phase-shift error have not previously been considered. This paper presents a derivation of a 19-sample phase-shifting algorithm that can compensate for the miscalibration and 1st-order nonlinearity of the phase shift, coupling errors, and bias modulation of intensity during wavelength tuning. The characteristics of the 19-sample algorithm were estimated with respect to the Fourier representation in the frequency domain. The phase error of measurements performed using the 19-sample algorithm was discussed and compared with that of measurements obtained using other conventional phase-shifting algorithms. Finally, the optical thickness variation of a fused silica parallel plate was obtained using a wavelength-tuning Fizeau interferometer and the 19-sample algorithm. The measurement accuracy was discussed by comparing the ripples in the crosstalk noise with those calculated using other phase-shifting algorithms. The experimental results indicated that the optical thickness variation measurement accuracy for the fused silica plate was approximately 2 nm.     

加权多步波长移相算法研究

波长移相干涉技术通过改变光源的波长实现移相,可以克服硬件移相引入的误差,同时原理上可以实现多组干涉信号的分离。主要应用于大尺寸干涉仪及需要分离多表面干涉信号的系统中。加权多步波长移相算法是其主要的算法,中心思想是通过时域加入合适的窗函数,抑制寄生信号,提出包含轮廓或厚度信息的有用信号。文中介绍其设计思想,进行算法设计,并对一光学件进行了测试和比对。     

多光谱阴道镜的微型化多通道滤光片设计

设计了一种可与阴道镜中的图像传感器集成的微型化多通道滤光片,以使阴道镜具有光谱成像能力.采用微光刻技术及真空多层镀膜技术制成微滤光片,内部微滤光单元的通光波长与病灶标志物反射光谱或荧光光谱的特征峰相对应,与图像传感器集成后,能够获取几幅与光谱特征峰对应的特征波长图像,这些图像凸显了病变组织与正常组织的差异,提供了宫颈组织上皮表面形态变化及上皮组织内病灶标志物含量变化的信息.已加工出通光波长为λ1＝630 nm、λ2＝460 nm、λ3=515 nm、λ4＝577 nm的微滤光片,微滤光单元面积为10 μm×10 μm,各通道带宽约为40 nm,透射率为30％～40％.实验显示微滤光片的光学性能已达到光谱成像的基本要求,与阴道镜集成后,能有效提高其诊断的灵敏度与特异性,减少活检频率.     

基于二维光学相干层析的多层薄膜结构无损定量评价

为了实现对多层薄膜结构厚度进行快速准确的测量和无损定量评价,研制了二维光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)系统,避免了传统一维OCT系统逐点扫描导致成像效率低下的问题。阐述了去除OCT共轭镜像理论,采用了五步相移干涉法,具体由压电驱动器驱动参考镜实现,做到了对OCT共轭镜像的去除,避免出现OCT图像的混叠。所研制的OCT系统具有极高的系统分辨率和较好的信噪比,可以实现对手机钢化玻璃薄膜内部四层结构厚度(钢化玻璃、静电胶层1、防爆贴膜和静电胶层2)进行准确测量。实验结果表明:自研制的系统可快速高精度地对多层薄膜结构厚度进行测量,可以推荐使用在多层薄膜的无损定量评价中。     

A proposed design for a polarization-insensitive optical interferometer system with subnanometric capability

A bidirectional, fringe-counting, two-beam interferometer system is described that can be used for precision length measurement with any laser source that is adequately coherent for the application. The two electrical phase-quadrature signals required for bidirectional electronic counting are obtained from photodetectors at the two interferometer outputs. A thin metal film design for the beam-splitter coating introduces the required phase difference of nearly 90° for both the perpendicular and parallel polarization components. Electronic alignment and control are performed by a system used to continuously monitor the signals produced from the outputs and automatically process these signals to achieve the optimum performance from the interferometer. Interferometers using the technique require a limited amount of optical alignment and all of the electronic adjustments are automatically controlled by the electronic system. These instruments are economical to manufacture and easy to apply in practice, readily achieving subnanometric accuracy in the measurement of changes in optical path.     

激光聚变冲击波速度测量光学系统设计

针对激光聚变冲击波速度测量的需求,设计了一种集被动式扫描高温计和主动式冲击波速度测量于一体的复合冲击波速度测量系统。通过采用多种耐辐射光学玻璃材料,实现了共用光路的400~700 nm耐辐射消色差设计;通过采用自动控制干涉仪简化了系统操作;主动测速系统通过切换不同焦距的中继成像镜头,实现了不同放大倍率的切换。系统的物方视场为φ2.0 mm,主动式测速系统的放大倍率为10×,20×,30×,静态实验干涉条纹平直,调制度达到0.69以上,物方分辨率达到4.72μm。该系统在激光聚变装置上能够实现冲击波速度的动态测量。     

基于固有安全的多功能辐射测量仪

为实现固有安全光辐射防爆技术,评定设备的光束强度,设计了一个多功能辐射测量系统。分析光电转换器的检测原理,选择光电池和PIN光电二极管作为光电转换模块核心元件,并设置了模式切换,以完成不同种类光信号的采集。经过后续电路的信号处理,最终实现连续光波辐射的平均功率、脉冲辐射的峰值功率以及脉冲能量的测量。这种用于防爆的专用测量仪能够提供整体的光辐射设备防爆技术测量方案,具有实际的应用价值。     

A flexible phase-shifting method with absolute phase marker retrieval

The phase-shifting algorithm is an important and widely employed technology in optical 3D shape measurement. An additional absolute phase marker map is necessary to acquire the absolute phase with traditional phase-shifting algorithm, which not only has a low efficiency but also may not meet certain special requirements of the practical application. In this study, a flexible phase-shifting method, which does not need the additional absolute phase marker map, was developed. A newly designed absolute phase marker was embedded into one of the phase fringe images, and this was retrieved according to its mathematical model; then, the primary phase inside and outside the absolute phase marker region was computed with different methods. Results of experiments show that the retrieval of the marker is easy and flexible, and the phase computation with this novel method is accurate and robust.     

LiNbO3外调制器的10 Gbit/s光纤传输系统

建立了一个10 Gbit/s光纤传输系统平台,实现了10 G光信号无中继、无误码传输,系统采用了NRZ码、高性能的GaInAsP 多量子阱DFB激光器、LiNbO₃电光调制器。进行了系统的传输实验,得到了系统的各项指标参数,分析了影响系统传输质量的因素,研究了传输系统中的一些关键问题。无中继距离为84 km,采用了CWDM技术对信号进行复用。在误码率为10^-12时,接收机的最小接收光功率可达到-26.76 dBm。系统的功率代价为0.49 dB,没有出现误码率平台。实验还对发送光信号的消光比与接收机灵敏度之间的关系进行了研究,连续观察24 h无误码。