激光数字波面干涉仪的光学面形绝对检测

当光学干涉技术应用于光学表面测量时,利用外差干涉、锁相及条纹扫描干涉,已可以获得相当高的测量精度。例如我们于1985年研制成的激光数字波面干涉仪就是其中一种,这种实时数字干涉仪采用同步相位调制技术,通过对多幅干涉图的采样平均,可将本机内外的随机扰动降至最小,从而使测量的重复精度     

用于相位缺陷检测的动态泰曼干涉仪

为了实现光学元件相位缺陷的大视场、高分辨率、动态检测,设计了一种动态泰曼干涉仪。该干涉仪采用短相干激光器结合迈克耳孙干涉结构产生1对相位延迟的正交偏振光,以此作为光源,通过匹配偏振型泰曼干涉仪干涉腔的相位差,补偿参考光与测试光之间的相位延迟。利用偏振相机瞬时采集4幅移相量依次相差π/2的干涉图,通过移相算法即可求解得到相位缺陷的信息。利用平面波角谱理论进行仿真,分析了二次衍射对测量结果的影响;利用琼斯矩阵法分析了偏振器件误差对测量结果的影响。实验检测了1块激光毁伤的光学平板,测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比,相对误差为2.4%。此外,采用所述方法对强激光系统中光学平晶的相位疵病进行检测,测试结果显示波前峰谷值为199.2nm。结果表明,该干涉仪能够有效应用于光学元件相位缺陷的检测。     

高灵敏度的多波长多光束干涉仪

作者用多纵模He-Ne激光照明多光束Fabry-Perot或Fizeau干涉仪,在一个自由光谱范围内,形成与不同波长对应的子条纹,相邻条纹间的间隔代表的波长数依赖于He-Ne激光腔的光学长度npL与F-P腔长nd之比r=nd/npL.当r是整数时,不同波长对应的相邻干涉级次相互重叠,条纹间隔为λ/2且强度最大;当r是分数时,r=N/M,N,M为互质的整数,相邻条纹之间间隔为λ/2M.不难做到M=10,条纹间隔为K/20.由于多光束干涉条纹细而锐,有利于读数精度提高,可以测量λ/500的程差变化,不需内插就可以给出空间分布的足够信息.这对光学元件的高精度面形检验及低密度流场显示有实际的应用前景.给出了应用的若干例子.     

锥形表面反射波前干涉术

在高能激光器设计中,提出采用新的先进的光学元件。具有典型代表的元件有锥面、反射式轴向镜(refaxicon)和W形锥镜(waxicon)。这些光学元件不属空间不变(等晕)光学系统,因为径向曲率半径以及径向的光学能量随入射到光学表面的光线高度而变化。这些光学元件的非线性特性不可能用典型的线性等晕光学系统理论来论述。这些元件的非线性特性要求对干涉术进行待殊的考虑。通常用三种干涉仪作表面干涉测量仪,即合曼—格林干涉仪、剪切干涉仪和斐索干涉仪。除剪切干涉仪外,所有的干涉仪都要求高质量输入波前和高质量参考表面,用多次曝光干涉图和三个近于相同的参考面.表面测量量可能达到的精度约为λ/100。     

大曲率光学零件面形的空间载频外差干涉术检测

光学零件表面面形检测的结果直接影响光学零件的质量,介绍了一种在平面干涉仪上检测大曲率球面光学零件面形的方法,通过对干涉图进行预处理、FFT提取相位、解包裹,并采用Zernike多项式拟合,得到被检球面相对平面的面形函数,与指定的球面相减后,再一次进行Zernike多项式拟合,得到了被检面相对于指定球面的面形函数,由此计算出被检球面的面形误差PV值、RMS值,N与ΔN,并模拟出了用球面干涉仪检测时的干涉条纹.该方法克服了接触检测的缺点,精度高,PV值的标准差σ优于λ/100,RMS值的标准差σ优于λ/700,而且可通过软件设定检测任意大曲率光学零件,为大曲率半径光学零件的检测提供了一种适用的方法.     

用于纳米测量的单频偏振激光干涉仪的光路集成方法

提出了一种正交偏振干涉仪中光学元件位置固定与性能检测的方法,用于亚纳米级测量分辨力激光干涉仪的光路系统集成及其性能评价。构建了光学干涉仪在线检测与评价系统,基于强度检测方案,实时地对干涉仪输出的四路偏振光信号强度、干涉条纹可见度以及各路干涉信号之间的正交状态进行检测,并完成了小尺寸正交偏振激光干涉仪的光路集成;分别对分立式与集成式干涉仪的稳定性和微弱振动信号测量进行了对比实验。实验表明,集成式激光干涉仪的测量分辨力可达10 pm/Hz～(1/2),信噪比优于分立干涉仪10 dB,稳定性明显提高。     

使用双波带板径向剪切干涉仪检测非球面透镜

为了实现对光学非球面的低成本在线测量,在比较和分析现有非球面检测技术的基础上,设计并制作了一种小型径向剪切干涉仪用于检测非球面透镜。基于波带板可以聚焦成像的原理,该干涉仪采用不同焦距的双波带板产生径向剪切干涉。波带板由工业缩微矢量图制版技术设计和制作而成,并通过实验验证了该波带板的聚焦精度。采用傅里叶变换条纹相位分析法对干涉条纹进行处理,计算出波相差和波面面形。实验中给出了平面波光束经过一个非球面透镜后的波面面形检测结果和误差分析,使用该技术对标准非球面进行测试,波差峰谷值(P-V)达到了λ/5的精度,均方差(RMS)达到λ/10的精度。结果表明,该干涉仪具有体积小、抗干扰能力强等特点,适用于对小型非球面透镜进行在线检测。     

激光干涉测长中的数据处理——拨码盘和插补相结合

一、激光干涉测长系统 激光干涉测长系统原理方框图如图土所示。 激光干涉仪是改型的迈克尔逊干涉仪。测量镜位移量L为: L=λ/2 N 式中N为干涉条纹数。经放大整形后的光电讯号代表λ/2。若通过逻辑电路对代表λ/2为计量单元的电讯号再进行四细分,则测量镜位移量L为:     

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。     

干涉检测数据抗振动影响的方法研究

在光学元件的抛光阶段,通常采用干涉仪检测光学元件的面形数据,对加工工作提供指导意见。移相干涉术易受环境振动的干扰,获得的波前相位的干涉图信息不完整,难以准确给出光学元件表面的干涉数据。为了利用干涉仪检测数据给出被测光学元件面形上的各点准确数据,采用等精度测量消除随机误差的方法,对多次检测数据求取平均值以获取被测光学元件面形的准确数据。针对一块Φ1200mm口径的圆形光学元件的实验表明这种方法可以较为有效地消除检测中振动因素的影响。     

Fringe order identification in optical fibre white-light interferometry using centroid algorithm method

A special digital signal processing technique based on a centroid algorithm is presented. It is used to identify the central fringe from the output fringe pattern produced by an optical fibre white-light interferometer system to achieve a large-dynamic-range and absolute phase measurement. A computer simulation and subsequent experimental verification have shown that this technique is capable of sustaining a high operating noise level.<>     

全息相移技术用于物体的三维面形测量

提出将全息干涉条纹和相移技术用于三维面形测量,首先利用相移进行位相解调,得到各点的包裹相位分布,再利用投影条纹最小二乘法得到的高度信息对位相进行去包裹处理,从而得到具有较高精度的位相测量和相应的三维面形测量结果.     

基于线性相位FIR滤波的三维曲面的光学检测

利用一组规则机线投影到物体表面的畸变光珊，采用线性相位ＦＩＲ滤波技术解调出含有物体表面高度信息的相位。建立了一种较二维ＦＦＴ法更快，精度较高的光不检测技术。该技术只需采集一幅图象，不需要确定条纹级次，不存在“凹凸模糊”的问题。本文给出了一个典型试件的实验结果及分析。     

傅里叶变换轮廓术中抑制零频的新方法

基于条纹投影的傅里叶变换轮廓术(FTP)是一种非接触、快速的光学三维面形测量方法.将短时傅里叶变换引入傅里叶变换轮廓术中,通过合适滑动窗口把变形条纹分成许多局部条纹段.计算每一个局部变形条纹的归一化傅里叶谱,提取零频分量,从中重构出变形条纹的零频分量.再计算原变形条纹的归一化傅里叶谱,并从中减去零频分量,以达到利用一帧变形条纹就可以抑制或消除零频分量对傅里叶变换轮廓术测量的影响,使得携带被测物体高度信息的基频分量的扩展几乎可以达到零频,而不发生混叠,相当于达到了π相移技术消除零频的效果.同采用π相移技术来消除背景光场的改进傅里叶变换轮廓术方法相比,此新方法仅需要对CCD获取的一帧条纹图进行处理,测量装置简单,随着计算机处理速度的提高,使傅里叶变换轮廓术能真正发挥其快速测量的优势.     

电子剪切散斑中的相位分析方法

由于在电子剪切散斑干涉中被测物理量与光学位相直接相关，通过对干涉条纹的处理能够精确获取物体变形场的位相信息，运用相位分析方法即可导出物体在外力作用下的微小位移及形变。本文综述了电子剪切散斑干涉中条纹的位相测量方法，介绍了目前较为常用的几种相位分析方法的工作原理及实验方法，并讨论了各种方法在工程运用上的所具有的特点。     

基于干涉条纹相关性测量PZT相移特性的方法

闭环压电陶瓷(PZT)具有良好的线性特征,能实现纳米级分辨率,在微位移过程中响应快,精度高,广泛用于光学测量领域。在干涉测量中,利用PZT控制反射镜的移动,引入可控相移,需要知道PZT的电压相移特性。提出了基于干涉条纹图样的相关性测量PZT电压相移特性的方法,利用CMOS数字摄像机采集干涉条纹图样,以零电压对应的图样为基准图,做归一化相关系数运算,最后得到PZT电压相移特性曲线,满足了干涉测量相移可控的要求。     

基于适度光反馈自混合干涉技术的微位移测量

光反馈自混合干涉技术是一种新出现的有别于传统双光束干涉的一类新的测试技术。为了在适度光反馈下进行位移的精密测量,提出了一种基于适度光反馈自混合干涉技术的位移测量方法。采用条纹记数法实现大范围位移粗测,具有半波长位移分辨力;然后基于适度光反馈下小数条纹的特点,给出了小于半波长位移测量的方法,从而提高位移测量的分辨力。用绝对精度达3nm的商用压电陶瓷驱动器比对实验,结果验证了这种三角波调制外反射体在普通实验室环境噪声中可以达到纳米级的位移测量精度。实验数据处理结果表明,对于3μm以下的位移,该算法位移测量相对误差约为1.20%。     

相位测量偏折术中基于多频相移法的寄生反射抑制法

相位测量偏折术(phase measuring deflectometry,PMD) 是一种针对镜面和类镜面物体的光学三维面形测量技术。但在测量透明物体时,后表面反射光将与前表面反射光混合,从而造成条纹图案混叠,进而引入测量误差。为解决这一问题,本文提出了一种基于多频相移法的后表面反射抑制方法。通过分析相位误差与条纹频率之间的关系,并借助调制度曲线和构造的辅助函数,找到一个特殊的频率,理论上该频率下展开的连续相位等于前表面的相位。又由于透镜的复杂性,利用时间相位展开算法逐频展开的连续相位存在级次计算错误,为此提出了改进算法实现级次校正,进而得到该频率下的屏幕坐标,最终完成前表面面形的准确重建。透明镜片的实测结果表明,所提方法能从混叠条纹中顺利解调出前表面相位。     

HeNe激光双折射外腔回馈位移测量仪研究

基于单模激光器的双折射外腔回馈位移测量系统能输出两路回馈条纹信号,且条纹相位差不受回馈外腔长的影响,因此在研制大量程、高分辨位移测量系统方面极具潜力。开展了双折射外腔回馈的相关现象研究,研制了性能优良的位移测量仪器。稳频和回馈外腔扫描技术相结合,进一步提高了系统的频率稳定度（优于10-7）和抗干扰性能力。试验对系统进行了零漂、拍频和比对测试,其量程超过200 mm,分辨率为15.82 nm,线性度优于2.310-7。分析了系统的主要误差来源,估算了总的测量误差为0.21 m。回馈位移测量仪具有结构简单、分辨率高、线性度好以及测量范围大的优点,工业应用前景广阔。     

基于反向条纹投影的动态物体形变测量

本文提出一种应用反向条纹投影技术对动态三维物体进行形变测量的方法。该方法应用反向条纹投影原理,首先根据绝对相位测量法计算出反向条纹,然后投影反向条纹图到动态形变物体表面,并用高帧频摄像机跟踪记录物体表面反向条纹的动态变化过程,成像面上的反向条纹只在待测物体有形变的区域发生弯曲变形,没有形变的部分则仍然保持直条纹,显明地记录了形变物体的变形,处理时经过傅里叶变换、频谱滤波、傅里叶逆变换等就可以得到形变物体的面形变化。可以只处理物体产生形变的部分,滤波过程也就变得比较简单。对振动过程中的薄膜形变进行了测量和分析,证实了该方法的有效性。