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.     

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。     

相位偏移干涉测量波面的一种新算法

本文分析了利用相位依稀干涉的相位计算方法对测量结果准确程度的影响,提出了一种利用相位偏移干涉原理测量波面的新算法（四幅改进算法）。考虑到移相误差是导致相位偏移干涉测量法产生误差的主要因素,本文着重讨论相位偏移干涉测量算法对移相误差的敏感程度。根据对实验测试机构所进行的测量与分析,以实际的数据为基础得出在相位人多干涉测量算法对移相误差的敏感程度,根据实验测试机构所进行的测量与分析,以实际的数据为基础得出在相位偏移干涉测量中新算法的优秀品质。该新算法对移相误差有良好的抑制作用,无论是理论分析速 是实际测量效果都很好。     

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.     

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。     

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。     

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.     

单片机高精度移相装置

一、概述在某些情况下,需要实现复杂的移相规律,同时精度要求又比较高。如果仅靠硬件电路移相,整个装置就会变得十分复杂、庞大;计算机可通过运算实现复杂移相规律,但由于其时钟频率上限不高,对于高重复频率波形的移相,达不到高精度的要求。如果把实现高精度的任务推给硬件电路完成,而由单片机及其算法实现复杂的移相规律,软硬结合,就可以实现高精度、复杂规律的移相。我们在对数控机床位置反馈元件激磁信号移相时,就遇到了这样的问题。     

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。     

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。     

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。     

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.     

金刚石复合片与硬质合金的钎焊研究

通过聚晶金刚石复合片与YG8硬质合金的高频感应钎焊试验,研究了不同钎料钎剂搭配对高频感应钎焊接头抗剪强度、焊缝厚度的影响,并用扫描电镜和电子探针观察、分析了焊缝的微观结构。结果表明,690℃钎焊温度下含Mn的1号钎料和活性温度较高的QJ102钎剂是最佳搭配方案。探讨了聚晶金刚石复合片的特殊钎焊工艺,认为采用复焊方法可以大幅提高钎焊接头的抗剪强度。     

Nanoscale surface deformation inspection using FFT and phase-shifting combined interferometry

In this paper, a flexible optical interferometer incorporated with both fast Fourier transform (FFT) and phase-shifting method is developed for three-dimensional (3D) testing of micro-components. Using light interference, microscopic optics, piezoelectric transducer (PZT) nanoscanning and a CCD camera, the proposed system can detect deformation and surface contour in the order of nanometers. An application of the proposed technique is demonstrated using two micro-components: a micro-beam in an accelerometer and a micromirror. The resulting interference fringes that are related to the deformation and surface contour are analyzed using FFT method or three-step phase-shifting method depending on the test surface features. Experimental results show the feasibility of the proposed method for 3D deformation and surface contour measurement of micro-components.     

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.     

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.     

干涉测量低频水下声源频率的改进算法

为了实现低频段水下发生目标频率的准确识别,搭建了一套激光干涉测量系统。在相位生成载波解调技术的基础上,提出了一种改进的基于相位生成载波反正切算法的解调方式。在光学暗室下利用分立光学元件搭建了一套干涉实验系统,在参考光路引入水面波动作为高频载波,利用水表面漫反射的主反光与参考光干涉获得干涉信号。以相位生成载波解调技术的反正切算法为基础,引入高频载波信号的一倍和二倍正弦混频。通过功率比较的算法在两组正交信号当中筛选功率较强的一组进行解调,避免了载波初相位导致的正交信号消隐引起的解调失真。最后,在模拟的低频大幅度海浪扰动情况下进行了探测实验,取得了良好的解调效果。实验结果表明:水下声源的低频探测下限约为30 Hz;100Hz以上频段的频率探测精度优于1Hz。改进的反正切解调算法能够避免解调失真,具有很强的抗干扰能力。     

偏振相移技术在DIC显微术中的应用研究

微分干涉（DIC）显微技术使用诺曼斯基棱镜完成光束的分割、合成、最后发生干涉,将样品上各个部分折射率、厚度的变化率或表面起伏的不同转化为像面上光强的差别,一般情况下,无法进行定量测量。文章将激光偏振相移技术应用于DIC显微术中,建立并推导出光学数学模型。该模型利用无限远光学系统优化系统光路,使系统减小了因为使用激光光源、