基于光强实时反馈控制和同步校准的波长调谐移相干涉系统

波长调谐移相干涉技术是通过改变光波长来计算相位的。为了减少可调谐激光器在变波长进行移相时光功率的随机变化对相位计算产生的误差,本文提出了一套光强实时反馈控制系统和同步校准方案。首先分析了光强在某一范围内的随机变化产生测量误差,并选用合适的光电检测设备搭建了一套光强控制系统。该系统能够将光信号转化为电信号,并通过PID来实现对光强的控制。实验结果表明,本系统能够将光强的变化范围控制在±0.002 mW以内,其响应速度达到600 kHz,已远远超过干涉仪CCD的取图速度。最后,对口径为50 mm的光学元件进行表面形貌检测,加入本控制系统后,面形精度的测量指标PV值和RMS值分别提高了1.53×10^-2λ和2.43×10^-3λ,表明本系统在高精度的光学元件检测领域具有重要的实用价值。     

波长移相干涉仪的算法研究

叙述了波长移相干涉仪的基本原理,分析了其特点,对传统硬件移相干涉仪和波长移相干涉仪进行了比较,指出了它们的优缺点和应用范围.以美国New Focus公司的可调谐半导体激光器为例,简述了实现波长调谐的硬件.文中将波长移相干涉仪算法分成三类:加权多步波长移相算法、基于傅里叶变换的波长移相算法和多波长算法,对这三类算法进行了较详细的叙述和分析,指出了各自的优缺点和应用范围.基于傅里叶变换的波长移相算法,提出了结合差分运算的适合于台阶测量的新算法,克服了已有算法中需要参考基准和参考面的缺点,提高了算法的实用性.     

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.     

移相式数字波面干涉仪中的几个技术问题

光学件波面测量在光学加工业中有着大量的需求,近年来相关测量技术发展非常迅速,其中移相技术是较典型的代表,发展日趋成熟并得到了广泛应用.以PG-15型平面干涉仪为硬件基础,采用移相技术,解决了其中移相值标定、相位解调、误差处理中的难点,研制了数字波面干涉仪.对干涉仪中的这几个关键技术问题进行了讨论,并给出了相应的解决方法.     

考虑移相参数匹配的任意腔长下多表面干涉测量

传统的多表面波长调谐移相干涉法只能实现透明被测件处于固定位置下的测量,当移相值或者腔长改变时算法的有效性和求解精度没有被深入讨论和分析。为了在任意腔长下实现透明被测件各表面的同时测量,本文提出了一种可实现自适应移相匹配的加权多步采样算法。首先,基于特征多项式,介绍了一种具有移相误差和耦合误差抑制能力的加权多步相位解调技术,可以同时对被测件的3个表面进行测量;进而,基于Zernike多项式,对移相参考系数和腔长系数的任意组合下的算法求解误差进行了迭代计算和分析,为最优参数的匹配提供参考。仿真结果表明所提出的算法求解残余误差小于3×10~(-4)λ_0。此外,引入ISO-25178系列三维高度参数对算法性能进行了验证。在实验中,利用Fizeau干涉仪分别对厚度为10和5 mm的透明平板在不同腔长下进行了测量。仿真和实验的结果表明,所提出的算法可以实现任意腔长和厚度下的多表面测量,其可靠性和实用性得到了验证。     

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。     

抗振型移相干涉仪中PZT移相器的改进

结合移相式干涉仪主动抗振技术,提出对普通PZT光学移相器进行机械结构的优化,改善其机械响应性能并保证有足够的位移量.作为机电反馈式干涉仪抗振系统的核心部件,改进后的PZT构件用于干涉仪的移相驱动,同时又用作光学相位调制器和振动补偿器.经移相干涉仪的在线测量,PZT移相器达到了1 000 Hz(振动幅度为λ/2)以上的时间响应速度并获得了6 μm左右的位移量,满足了干涉抗振系统的需要.     

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。     

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。     

抗振型移相干涉测量术的进展

移相干涉术易受环境振动的干扰,影响高精度的测量目的。为了进行振动环境下在线光干涉测试,必须采用有效的抗振技术。从移相算法、干涉图采集、光学结构、振动探测与补偿等方面介绍了移相干涉仪抗振技术的研究进展。目前具有抗振功能的移相干涉测试技术日益受到重视。     

全光纤激光傅里叶变换光谱仪的研究

提出将相移技术和数学插值方法应用到全光纤激光傅里叶变换光谱仪中,来消除压电陶瓷(PZT)光纤拉伸器的非线性误差,并进行理论模拟仿真,证明了该方法的有效性。由于直接利用简单的开环电路进行扫描,消除了复杂的闭环电路控制。因此,为制造高分辨力、高通量、高速、低成本和小型化的全光纤激光傅里叶变换光谱仪提供了一种新的方法。     

自适应空间载波相移算法

介绍了一种自适应空间载波相移算法。模拟和实验结果显示该算法能测量位相分布变化较剧烈的三维物面而勿须知道条纹载波频率;其模拟测量精度在无噪声情况下达到1-0 3rad。     

激光干涉仪在非球面光学元件制造中的应用

为了提高检测精度,研究了用激光干涉仪检测非球面光学元件的方法,阐述了激光干涉仪的工作原理.并通过实验证明了这种方法既简单方便,又适用于非球面度不高的光学元件.缩短了加工时间,减少了对专业人员的投资支出,因此大大提高了生产效率.     

基于空间相移技术的平面干涉仪系统设计

时域相移技术由于需要在时域采集多幅干涉图而只擅长用于静态检测。为改善测量的动态特性,现提出了基于空间相移技术的平面干涉仪系统。采用基于偏振干涉和光栅分光的单CCD成像空间相移系统设计方案,设计了具有折叠式布局特点的干涉仪光路系统,建立了系统机械结构三维模型,结构紧凑、调整方便,并运用四步相移算法进行了模拟试验后数据处理。结果表明,所设计系统能够满足动态测量要求。     

移相干涉仪环境振动自动测量系统

环境振动和半导体激光器输出扰动都会引起移相干涉仪(PSI)光学干涉场变化,为了评估环境振动对PSI的影响,在干涉仪内部,用两只光电管分别测量光学干涉场某点辐射功率的变化及半导体激光器输出功率的扰动,可析取移相干涉仪的环境振动信息。两路光电测量信号经单片机进行模数转换后由串行通信接口传输到PC机,通过可视化软件编程技术实现信号的图形化显示和环境振动信息的析取。     

两种新型移相全桥ZVS-PWM变换器拓扑的比较

在传统的移相全桥ZVS-PWM DC/DC变换器的基础上,对其拓扑结构进行了改进,解决了滞后臂难以实现零电压开关的问题。该拓扑的辅助网络既可与超前臂连接,又可与滞后臂连接,文中给出了两种电路的工作过程及其波形,并将两种电路进行比较,以确定一种最佳方案。最后用软件PSpice进行了仿真,给出了实验结果。     

激光球面干涉仪系统误差的测量

为了定标测量系统、提高测量精度,在简要论述了激光球面干涉仪的原理以后,采用移相技术,获得了四幅干涉图,并提取出范围在[-π,π)之间的相位。然后,利用相位消跳变算法,展开得到连续的相位。最后经过消倾斜和离焦等后继处理,得到了系统的波面误差。     

基于数字全息技术的变形测量

全息技术在测量、防伪中有大量应用.数字全息技术采用数字记录和计算机处理,实现测量的方法上有其特点.本文重点对数字全息技术实现变形测量的方法和具体算法开展了研究.论文首先总结了数字全息技术应用中的基本问题,包括数字全息算法问题和噪声抑制问题等.叙述了基于数字全息技术的变形测量基本思想,及相位恢复算法,同时分析了几种变形测量的实现方法,并提出了"2+2"步变形测量方法.该方法相对于"1+1"步变形测量方法,提高了测量精度,同时比"4+4"步变形测量法提高了动态性.本文建立了实验系统,获得了硬币的数字全息图,实现了常用的"1+1"步变形测量方法、相移算法的变形测量方法以及"2+2"步变形测量方法,给出了"2+2"变形测量的实验结果.实验结果表明在数字全息技术中结合相移技术进行测量,可以提高物波再现精度,进而提高变形等的测量精度.