基于振频逆解算的高抗振移相干涉仪系统设计

本文设计并研制了一款具有高抗振性功能的移相式激光面型干涉仪系统。该系统通过快速获取连续非线性移相后获取样件干涉图组,并对其进行振频逆解算分析,自动判断干涉条纹图受振动干扰情况,筛选出受振动干扰相对较小的高质量干涉图组,可得到高抗振的稳定测量结果,从而实现激光移相干涉仪系统的抗振能力增强,极大改善干涉仪测量准确度与效率。

任意形状孔径的干涉图时空移相方法

移相干涉术作为一种高灵敏度的非接触式光学测量方法,在精密测量领域得到了广泛的应用。时空移相方法(spatiotemporal phase-shifting method,ST-PSM)作为一种高精确度的移相算法,可避免传统移相算法的周期误差。这使得该算法适用于存在背景光强不均匀、调制度波动以及移相误差的情况,同时也能测量畸变的干涉条纹图像。然而,该方法中的插值拟合步骤要求干涉图呈矩形区域,对于非矩形孔径的光学元件,无法测量其面形全貌。为突破该局限性,提出将干涉图延拓技术与该方法结合,移相干涉图经延拓成矩形后,再使用时空移相方法进行相位提取,以获得完整的面形信息。数值模拟及实验结果显示,就相同形状下的干涉图,经延拓后使用时空移相方法相较于未延拓测得的波面峰谷值与均方根值更精确。以圆形为例,经延拓后峰谷值由0.1236λ降至0.0446λ,均方根值由0.0117λ降至0.0109λ(λ=633 nm)。结果表明该方法可用于非矩形光学元件的精确测量。

激光共焦干涉面形快速高精度自动测量

针对传统球面面形干涉测量中手动调整被测件姿态精度低、速度慢的问题,提出了激光共焦干涉面形快速高精度自动测量方法。该方法通过共焦精密定焦技术实现了对被测件共焦位置的高精度轴向定位;通过五维自动调整架对被测件进行姿态调整,实现了被测件的高精度横向定位;通过Zernike拟合对被测件进行精调以减小离焦误差和倾斜误差,实现了对干涉面形的零条纹调整。最终实现了激光共焦干涉面形自动测量。构建了激光共焦干涉面形测量系统,实验表明:该方法的面形测量结果与Zygo干涉仪的测量结果相差0.000 6λ,重复测量精度可达0.001 9λ,平均单次干涉面形测量时间为16.5 s,与手动调整至零条纹相比测量效率提高了1.56倍。该方法为干涉面形的快速高精度测量提供了一种有效的手段。

移相干涉测量术及其应用

为了对移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用有全面了解,介绍了移相干涉术的基本原理。结合激光数字波面干涉仪,阐述移相干涉术的四步重叠平均算法、压电晶体移相器(PZT)的结构、3 PZT的组合方法、移相器的标定误差和非线性误差的校正方法、波面相位解包的自适应种子算法、波面相位的评价指标等内容。结合移相数字波面干涉仪,叙述了移相干涉测量技术在普通光学元件、红外光学元件、大口径光学元件、非球面光学元件等测量中的应用并指出了应用过程中的注意事项。最后明确指出光干涉技术正沿着高相位分辨率、高空间分辨率、宽波段和瞬态高速测量的方向发展,并将会在瞬态波前测量、微机械的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用。

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1000Hz(振动幅度为λ/2)以上的时间响应速度并获得了6μm左右的位移量,满足了干涉抗振系统的需要。

基于频域分析的抗振移相干涉测量

针对移相干涉测量中振动引起的移相误差和对比度变化,提出了一种从空间载波干涉图频谱中提取移相和对比度信息的方法。该方法通过分析载波干涉图频谱,从基带和边带中提取移相和对比度信息,运用最小二乘法补偿对比度变化并复原波前位相。最后采用构造平滑孔径函数对带有孔径的干涉图进行处理。数值仿真证明:提出的方法可以高精度检测移相量和对比度变化,能够有效补偿因对比度变化引起的位相复原误差。在频率为9Hz、幅度为0.5μm的简谐振动条件下实验验证了本文方法的实用性。结果显示:从受振动干扰的干涉图中复原平晶表面时,其复原误差PV值小于0.015波长。该方法无需硬件改动,有望为移相干涉测量应用于现场测量提供一种低成本的解决方法。

基于二维傅里叶变换的单帧干涉图相位提取方法

针对大口径光学元件干涉测试过程中,测试装置和干涉腔长较大,气流扰动和环境振动对移相测试过程产生影响等问题,采用一种基于二维傅里叶变换的单帧干涉图处理方法,只需要对一幅空间载频干涉条纹图进行处理即可获得待测相位,具有抗振测试的优点。对该方法的基本原理和算法过程进行分析,并对近红外大口径移相平面干涉仪中600mm口径的光学平晶进行了面形测试。实验结果表明:采用该方法所得波面峰谷值(PV)为0.112λ,波面均方根值(RMS)为0.014λ,与移相算法所得波面数据相比,波面峰谷值偏差不到(1/500)λ;波面均方根值(RMS)偏差几乎为零。

基于多时相干涉SAR提取地表形变的关键技术探究

基于重复轨道的合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR,Differential Interferometric SAR)技术自问世以来,就被立即成为研究重点并在许多领域得到应用。但是常规D-InSAR技术易受时间、空间失相干与大气延迟等影响而有时无法得到可靠的形变信息,因此难以在实践中得到常态化应用。永久散射体技术与小基线集技术的出现,有效地克服了上述问题的制约。本文融合了两种技术的优点,介绍了多时相干涉SAR技术的关键处理步骤,并基于多时相干涉SAR技术提取了太原市2005～2009年间的形变信息。

CCD像元尺寸对移相干涉术相位测量精度的影响

针对移相干涉术中CCD探测器采集高密度干涉条纹的过程,对影响相位测量精度的主要因素进行了理论分析和仿真研究.结果表明,随着CCD像元尺寸及随机噪声标准差的增大,CCD探测得到的时域光强信号信噪比降低,引入的相位测量误差也增大.当信噪比约高于24时,相位测量精度可优于π/50rad,折合成光程差即优于λ/100,为后续研究扩展移相干涉术的测量范围提供了理论上的定量依据.

波长移相干涉仪的算法研究(英文)

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NewFocus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。

移相干涉仪环境微扰的外差检测及信号处理

对环境微振动干扰进行补偿可减小移相干涉测量的误差,其中振动量的检测是实现振动补偿的前提。以声光调制器作为光学移频器,在移相式平面干涉仪中组合成外差干涉测振系统,可以实现光程差微小变化(范围为0到1/2波长)的实时检测。在外差信号处理中采用单片RF/IF相位测量芯片直接对两路40MHz模拟信号进行比相,简化了通常使用的数字测相方法,其精确测相的典型非线性值小于1度。用该系统实际测量了周期性振动和地面冲击振动对干涉仪的影响,获得了干涉仪所受微振动的幅度和相位。

移相干涉仪的主动抗振技术:光强-相位法振动探测与补偿

光学干涉测量易受环境振动的影响 ,本文提出了一种机电反馈式主动抗振方案 :光强 -相位法振动探测与补偿技术。在这个方案中 ,光电探测器测量干涉场中任意一点的光强因振动产生波动的情况 ,据此得到波前相位的变化量 ,经PZT光学移相器对波前相位采取象限区分反馈法进行实时校正。实验结果表明 ,这种方案可以对频率小于 5 0Hz、幅度小于 1/2光波波长的低频环境振动进行有效补偿 ,得到了稳定的条纹干涉图 。

干涉仪自适应抗振的空间移相术

根据时域移相算法的概念 ,提出了一种空间移相术 ,它能够检测因外界振动导致条纹抖动而引起的干涉图样的空间相位变化 .运用这种技术在Twyman Green移相式干涉仪中建立了一套自适应抗振系统 ,它可以实时测量振动引起的相位变化大小 ,并通过反馈器件PZT实时校正干涉条纹的相位 ,使得干涉条纹稳定以保证光学测量的正常进行 ,与此同时PZT还作为移相器件 .

新型移相量块干涉仪的研制

研制了一台用于0.5~100 mm量块测量的新型移相量块干涉仪,分别以波长为633 nm和543 nm的两台稳频激光器作为测量光源,通过一根单模光纤引入到干涉仪内。高精密移相器实现5步移相干涉测量,CCD相机采集干涉条纹并计算干涉条纹小数,被测量块长度采用多波长的小数重合法计算。移相量块干涉仪的测量不确定度达到U=0.015μm+0.07×10^(-6)L(L为量块长度,mm)。

光学移相干涉仪抗振系统的鲁棒控制系统仿真分析

将被动抗振和主动抗振相结合的混合控制技术应用于解决光学移相干涉仪抗振系统的不确定性问题,其中主动抗振采用鲁棒控制策略.该方法克服了由模型和干扰所引起的不确定性,使得控制系统能够有效地抑制抗振模型的不确定性和外部振动的干扰.仿真结果表明,该方法使光学移相干涉仪在振动的干扰下具有较好的鲁棒稳定性和控制准确度.

任意正弦调制的正弦移相干涉波面测量方法

针对正弦移相干涉(SinPSI)中位相调制无法精确控制的问题,提出了一种从时域频谱提取波面信息的任意正弦调制SinPSI方法(ASM-SinPSI)。首先,根据SinPSI信号频谱的第一、三个谱峰强度关系确定调制幅度,并采用空间随机点的方法避免了分母零值的问题,然后从SinPSI信号的前三个谱峰中获得波面位相的正切数值与符号信息,最后以反正切计算波面位相。数值仿真表明:在未知调制信息情况下,ASM-SinPSI的波面位相提取误差为0.016 rad。在调制幅度为1.6、2、2.5、3 rad时的测量实验中,ASM-SinPSI均可精确提取波面位相,与真实波面偏差的最大值为0.058 7 rad。在1.5～3.5 rad区间内的任意调制幅度下,ASM-SinPSI无需精确预知调制信息即可高精度提取波面位相,放宽了对移相器的严苛要求。

利用全息相衬干涉显微术研究EDTA对KDP晶体生长习性的影响

利用全息相衬干涉显微术 (HPCIM)研究了EDTA对KDP晶体 (10 0 )柱面和 (10 1)锥面生长习性的影响。通过界面边界层宽度的变化 ,可以直观地观测到在溶液中添加少量的EDTA后 ,促使KDP晶体沿柱面和锥面的生长 ,特别是对柱面的影响更为显著 ,并对此作了解释。最佳的EDTA浓度范围有待于进一步研究。

基于二维干涉式APES算法的分布式相参阵盲DOA估计

结合干涉雷达的天线结构和二维波达方向(direction of arrival,DOA)估计方法,提出一种基于二维干涉式幅相估计的分布式相参阵盲DOA估计算法。利用二维干涉式幅相估计算法的空间谱和模型阶数选择准则获得目标个数和目标方向余弦的粗估计;使用子阵间的相位中心偏移来获得目标方向余弦的精估计;针对分布孔径带来的测角模糊问题,采用双尺度解模糊算法实现分布式阵列的高精度方向估计。仿真结果验证了分布式相参阵的高精度测角性能及所提算法的有效性,也验证了分布阵DOA估计中存在基线模糊门限。

193nm移相点衍射干涉仪的测量误差分析

为了提高移相点衍射干涉仪对193nm投影光刻系统的检测精度,本文对其主要测量误差进行了探讨。在简要介绍了193nm移相点衍射干涉仪的基本结构和测量原理之后,总结了可能对测量结果产生影响的各种误差及其产生的原因。通过理论分析和数值模拟的方法分别对参考波前误差、相移误差、探测器非线性误差以及光源波动、环境变化引起的随机误差等进行了具体分析,从而得到各种测量误差的大小、存在形式以及与干涉仪结构参数的依赖关系,并提出了相应的避免或减小误差的方法。

可见光移相点衍射干涉仪的测试误差分析

为了实现对极紫外光刻投影物镜非球面反射镜的超高精度检测,引入了可见光移相点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并采用自行设计的十三步移相算法和传统五步移相算法对可见光移相点衍射干涉仪的测试误差进行了详细的理论分析及仿真计算,分析结果证明了十三步算法优越性的同时,也给出了要实现干涉仪的超高检测精度应该限定的测试组件的性能参数。为了验证可见光移相点衍射干涉仪及十三步算法的切实可行性,搭建了原理实验装置,通过40次重复测量取平均值的方法获得被检元件面形。实验结果表明:十三步算法和五步算法的结果相近,但十三步算法的重复性优于五步算法。采用十三步算法,在所构建的实验装置上实现了RMS值优于λ/10 000(λ=632.8 nm)的检测重复性。