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。     

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。     

基于多点平均频率校正的多表面波长调谐移相干涉测量

为实现多表面干涉测量中强度叠加干涉信号的分离和相位解调,提出了一种基于频率校正的多表面波长移相干涉测量算法,可实现透明被测件各表面面形的同时重建。波长移相干涉技术可以根据各干涉谐波光程差(optical path difference, OPD)的不同使各表面干涉谐波具有不同的移相值,该差异为各信号分离和相位解调提供了基础。在现有的多表面测量技术中,往往通过被测件的腔长和光学厚度等信息对谐波频率进行粗估,但估计精度较低,且无法应对移相误差。因此,本文通过多点平均和频率校正实现了各干涉谐波频率的精确提取,能够有效消除异常值和加性高斯噪声(additive Gaussian noise, AGN)对频率求解精度的影响,并且仅通过干涉图之间的加权操作便可同时对各谐波相位进行解调,对比分析和实验结果验证了所提出的算法的可靠性。     

测量薄膜厚度的数字叠栅技术

现代干涉测试的核心是用合理的算法处理干涉图而获得所需的面形及参数。由于常见的相移法要通过移相器有规律地移动采集多幅干涉图并数字化后求取波面的相位分布,这样必然引入由于移相器的线性及非线性误差所带来的计算误差,因此需要事先对移相器进行标定。采用了数字叠栅方法,利用一幅静态干涉图与一个正弦光栅的四幅光强分布图叠加,从而实现相移式动态干涉测试的效果,借助于相移法处理干涉图原理,可获得波面相位分布,从而实现对薄膜厚度的测量。由于正弦光栅的初始相位是由计算机产生的,所给出的相位移动不含任何移相误差,因此可提高测量的精度。     

移相术中相移算法的窗函数整数近似方法分析

用离散傅里叶分析的方法将相移过程描述为频谱域滤波的过程,阐明了相移算法的窗函数整数近似法原理.由于相移的有限性会带来频谱泄露的问题,提出了好的移相算法窗函数应该满足主瓣窄、旁瓣小的观点,并给出了根据窗函数整数近似方法设计任意移相间距和任意移相步数移相算法的流程.选择矩形窗、三角窗、hanning窗和blackman窗生成4种11步移相算法,对振动误差和相移误差的分析验证了旁瓣小的harming窗和blaclonan窗生成的算法对误差的灵敏度要小;冉选择harming窗生成了移相间距为π/2的5,11,15,39,51,76和101步7种移相算法,仿真验证了步数越多主瓣越小,对振动抑制能力越好,但需要更高的微位移器移动精度来获得有效的干涉条纹.在满足干涉条纹质量的前提下,步数多的移相算法对移相误差的抑制能力越好.最后模拟实验环境,验证了算法的性能.     

波长调谐随机移相算法的研究

波长移相干涉仪可用于大口径光学元件的测试。其移相量需经过标定方可采用定步长移相算法计算相位分布。在长腔长测试条件下,由于激光器的波长调谐控制电源的精度有限,以及环境振动、气流扰动等的影响,采用定步长移相算法求解相位分布的精度不高。在随机移相算法的基础上,提出了波长调谐随机移相算法,并将其应用于大口径波长移相干涉仪中。在对该算法进行模拟仿真,验证了算法的可行性及精度后,进行了实验研究。实验结果表明,在波长移相干涉仪中运用该方法,可以很好地解决长腔长测试条件下的相位计算问题,且与被测件的理想相位比较,精度较高。     

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。     

基于波长移相干涉技术的多表面信息分离

利用波长移相干涉技术对平行平板的前后表面同时进行非接触测量在光学检测领域具有重要意义。阐述一种可实现平行平板前后表面干涉混叠信号解相的时域加权算法:加权36步采样算法。首先基于算法原理与约束条件进行了加权多步采样算法的基础分布参数的设计,进而得到前表面、后表面、厚度变化干涉信号的采样权值。利用该权值进行加权操作即可得到各表面初始相位分布。选用泽尼克多项式进行了多表面干涉解相的仿真,模拟的分离结果与真值的最大误差不超过0.06 nm。此外还分析了多种误差对测量结果的影响。论文对这一厚度为20 mm的平行平板开展了测量,验证了该算法在实际测量过程中的有效性。     

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。     

基于自适应滤波器的相位连续化算法及其在移相干涉术中的应用

提出一种非线性自适应数字滤波器对通过移相干涉术得到的原理相位图进行去噪音处理。这种数字滤波器的窗口尺寸可以根据其在相位图中的不同位置而变化。在有噪音 (尤其是靠近 2π相位跳变处的噪音 )存在的情况下 ,相位连续化过程仍可以有效地进行以重建被测物体表面形貌的真实相位图。详细介绍了这一技术的原理及实验结果     

相移误差校正算法研究

重构光场的相位是光学干涉计量的基础和难点,相移技术是其中重要的方法,但相移误差在实验中是很难回避的,从而引起相位重构出现误差,所以如何消除或减少相移误差对相位重构的影响是受普遍关注的问题.文章分析了在常用的四步相移中相移误差对相位重构的影响,给出了相移误差与相位重构误差的关系式,并提出了一种在离轴数字全息情况下,先通过条纹拟合计算相移误差量,继而修正重构相位误差的方法.文章给出了模拟计算和实验结果,证明该方法是有效的.     

液晶光调制计算全息相移器

在同轴相移数字全息实验中，相移量的准确性、稳定性对实验结果起着很重要的作用，因此相移器的研究已成为相移数字全息实验研究中的一个重要内容。在以往应用的相移器中，大多是通过机械驱动改变光程来实现相移，这种方法会使光路变得复杂。提出了一种新型的相移器——液晶光调制计算全息相移器，它将大大简化光路的设计，同时避免机械运动，实现相移量的全数字化控制。该相移器是基于计算全息原理和傅里叶变换的位移定理所提出的，它将液晶显示器(LCD)作为光学显示元件，通过适当改变显示在液晶显示器上的计算全息图的编码，使其同时实现波面变换和相移。给出了液晶光调制计算全息相移器的理论分析，并通过实验测量表明其相移量的波动范围仅在0．036 rad以内，具有很高的精确性、可重复性和稳定性，最后验证了该相移器用于同轴相移数字全息实验的可行性。     

随机步长光栅投影干涉图极值特征相位解算

针对传统移相干涉测量中需要多帧干涉图,对测量设备稳定性要求高,相位提取速度较慢的问题,提出了一种基于干涉图特殊极值特征的两帧随机相移干涉图相位解算方法。该方法仅需两帧干涉图,利用高斯高通滤波器对具有随机相移量的两帧干涉图分别进行处理以滤除其背景,再通过干涉图中一定数量的特殊极值特征像素点来确定两帧干涉图之间的相移量,进而根据反正切相移相位提取算法对干涉图的相位进行解算。仿真模拟和实测对比结果表明,该方法可通过两帧随机相移干涉图获取较高精度的测量相位,大大减少了测量系统误差对相位解算结果的影响,对于256×256 pixels的石膏像眼部干涉图,执行时间在0.02 s以内,相位提取速度较快。     

一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法

提出了一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法。首先设计四步相移正弦光栅条纹图,由DLP投影仪投影到待测物体表面,再由CCD相机采集受物体形貌调制的变形条纹图;然后对其中一幅变形条纹图进行傅里叶变换以确定抽样间隔,再对4幅相移条纹图用相移法求得条纹背景和调制幅度后,对每幅变形条纹图做归一化处理;对每幅相移条纹图在空间域进行下采样抽样和灰度插值,构建相移莫尔条纹图,得到多帧时空域相移条纹图;对多帧时空域相移条纹图按时空二维相移法处理求得莫尔相位,再将莫尔相位与抽样点相位叠加求和得到变形条纹图对应的相位数据;最后,以面膜作为样品进行了实验测量,结果表明,经典四步相移法重构的物体形貌出现明显失真,而本文方法能较好恢复物体的三维形貌。     

基于任意相移量的4步相移数字全息新方法

为了研究相移数字全息中的相移量计算问题,从菲涅耳衍射和全息理论出发,对相移离轴无透镜傅里叶变换数字全息的记录和再现进行了分析,推导了基于任意相移量的4步相移数字全息图的光场表达式,提出了一种利用相位相减计算任意相移量的新方法,并进行了相应的实验验证,得到了预期效果.结果表明,该方法与传统的4步相移方法相比,不需要对相移器进行严格标定,也能有效地消除数字全息再现光场中的0级衍射和共轭像,提高再现像的信噪比,因此,这对降低测量系统的复杂性,促进4步相移数字全息的发展是有帮助的.     

基于任意相移量的4步相移数字全息新方法

为了研究相移数字全息中的相移量计算问题,从菲涅耳衍射和全息理论出发,对相移离轴无透镜傅里叶变换数字全息的记录和再现进行了分析,推导了基于任意相移量的4步相移数字全息图的光场表达式,提出了一种利用相位相减计算任意相移量的新方法,并进行了相应的实验验证,得到了预期效果。结果表明,该方法与传统的4步相移方法相比,不需要对相移器进行严格标定,也能有效地消除数字全息再现光场中的0级衍射和共轭像,提高再现像的信噪比,因此,这对降低测量系统的复杂性,促进4步相移数字全息的发展是有帮助的。     

时间位相展开方法研究进展

时间位相展开是位相测量领域内的一种很重要的位相展开方法,被广泛应用于干涉型和结构照明型计量领域中,包括散斑干涉与剪切干涉计量、波长扫描干涉术、先弹测量、位相测量轮廓术、傅立叶变换轮廓术等领域。本文详细分析了近十年所提出的时间位相展开算法的基本原理,讨论和比较了各种算法的设计方法、计算公式和适用范围,对时间位相展开方法的最新进展和应用前景进行了较全面的分析和评述。