白光干涉零光程差位置四步测量法及其精度分析

为研究现代干涉技术的应用,提出一种测量绝对长度和位移大小的白光干涉中零光程差位置测量方法.在测量中以双光束干涉条纹间距的四分之一大小为采样间隔,以四步测量法作为数据处理方法确定干涉条纹的局部调制度.采用重心法确定干涉条纹调制度的最大值位置,并以此作为零光程差位置.对光电测量系统中的机械精度与光电测量精度对测量结果的影响进行了定量计算.使用本方法,在1%的光强测量精度下可达到10nm的位置定位精度.

干涉图零光程差位置的确定方法

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨运行以来发现,受噪声、采样误差、条纹计数错误等影响,干涉图零光程点会发生定位偏差.干涉条纹平移引起的相位误差与波数成线性关系,对残余相位进行线性回归分析可以得到零光程差位置的偏移量.利用在轨实测数据,应用残余相位方法,分析了零光程点定位偏差校正前后对相位谱及辐射光谱的影响.该方法已经应用于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪的在轨数据预处理中,并取得了很好的应用效果.

可实现零光程差的红外静态斜楔干涉具研究

针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差,进而影响光谱反演的准确性和复杂性。文中提出一种可以实现零光程差的斜楔干涉具,通过对传统斜楔倾斜面的改进,使其可以实现被测光包含零光程差的干涉信号,理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式,并推导得出对应的光谱反演公式;采用硒化锌(ZnSe)材料设计了该斜楔,对其干涉信号、光程差和光谱反演进行了仿真研究,并采用10.64μm激光器对其进行实验分析,实验结果显示该斜楔干涉信号清晰,光程差可以实现1 450μm,反演光谱的误差为0.1%。

风云三号D星红外高光谱大气探测仪零光程差检测

红外高光谱大气探测仪是我国第二代极轨气象卫星风云三号D星搭载的大气探测仪器。干涉图零光程差位置的确定是干涉图叠加和傅里叶变换的前提,在实际应用中由于仪器自身和环境因素的影响使其确定困难。本文根据红外高光谱大气探测仪的在轨实测数据,分析了零光程差偏差对数据反演的影响,分别以最大相关法和定标光谱虚部最小法,检测干涉图的零光程差位置。干涉图校准后黑体和冷空光谱的相位差在π附近。定标光谱虚部在0附近,仅表征噪声。该方法能够很好地用于风云三号D星红外高光谱大气探测仪的数据预处理。

白光干涉零光程差位置的五步测量法

给出了采用5步法测量白光干涉中零光程差位置的理论推导。提出在测量中以双光束干涉条纹间距的1/4大小作为干涉光强空间采样间隔;以被测点附近5点测量数据作为一组基本数据来确定干涉条纹的局部调制度;采用重心法确定干涉条纹调制度的最大值位置,并以此作为零光程差位置。对不同干涉光强分布公式生成的模拟测量数据进行了理论分析;对光电测量系统中的机械精度与光电测量精度对测量结果的影响进行了定量计算。通过计算得到,本方法的最大零光程位置测量误差不超过1/4干涉光中心波长。

风云三号D星红外高光谱大气探测器相位校正改进

为了提高风云三号D星(FY-3D)上搭载的高光谱红外大气探测仪(HIRAS)的辐射定标精度,对HIRAS数据预处理中使用的相位校正模块做了改进。相位校正是预处理流程中的基本处理步骤之一,用于确定干涉图的零光程差位置(ZPD),ZPD是傅里叶变换的中心同时也是傅里叶变换的前提,对反演光谱具有重要影响,但目前业务中使用的相位校正方法只能将ZPD精确到整数采样点,本文基于仪器相位方法将对地观测、黑体观测和冷空观测的光谱相位相互比较,提取出线性相位分量,从而将ZPD精度提升到亚采样级。HIRAS与JPSS-1/CrIS比对结果显示,改进后的相位校正方法使三波段的平均偏差分别下降约0.1 K,0.4 K和0.8 K,三波段的偏差标准差分别下降约0.06 K,0.2 K和1.5 K,同时偏差对目标温度的依赖性也有所降低。改进后的相位校正方法弥补了原相位校正模块的缺点,有效减小HIRAS的辐射不确定度。

扫描白光干涉技术在硅片检焦过程中的应用

晶圆检测设备常采用机器视觉方法采集晶圆图像,但基于光谱共焦位移传感器的调焦系统测量精度低、鲁棒性差,基于三角测量原理的调焦系统虽精度足够高,但硅片表面图案与沟槽会影响探测光路从而导致系统无法工作。针对这些问题,提出一种基于扫描白光干涉技术的调焦系统,以实现对于不同工艺属性硅片焦面位置的快速精准测量。此检焦系统首先进行相机最佳焦面位置与PZT零光程差位置之间垂向距离的标定,使得在检焦测量时可将零光程差位置作为检出对象,极大地提高了检出速度,并且在零光程差位置定位时,根据干涉波形的形状自适应选择定位算法,提高了检焦系统的工艺适应性。实验结果表明,对于单峰波形和双峰且双峰半分离波形,重心法处理得到的焦面位置的平均绝对误差分别为20 nm和56.1 nm,而包络法则有38 nm和56.2 nm,并且重心法处理耗时在1 ms之内,包络法则需25 ms左右,故选用重心法作为零光程差定位算法。对于双峰且双峰完全融合波形和双峰且双峰完全分离波形,重心法处理得到的焦面位置的平均绝对误差分别为20.3 nm和17.8 nm,而包络法则有13.2 nm和15.8 nm,故选用包络法作为零光程差定位算法。模板匹配法对于4种波形的处理精度最高,在模板形状确定的情况下使用。文中所提系统的焦面测量结果最大平均绝对误差仅为57 nm,最小可达到8 nm,有较强的实际应用意义。

新型等效斜楔设计

针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差,并且对被测光的空间相干性要求较高,进而影响光谱反演的准确性和复杂性问题,提出了一种新型等效斜楔干涉具,该等效斜楔由两种折射率不同的材料构成,两个反射面完全垂直,干涉的两束光是由同一束光分开而得,因此对光的空间相干性无太高要求,并且可以实现零光程差。理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式和光谱反演公式,并且设计了该等效斜楔,其最大光程差可达168.3μm,对光谱测量过程进行了仿真分析,结合最大光程差和所测光谱波段分析了线阵CCD的像元数要求。采用532 nm单纵模激光器和632.8 nm氦氖激光器进行了实验分析,实验结果得到中心波长误差小于0.2%。

基于白光透射反射干涉的形貌重构方法验证

利用扫描白光干涉的测量方法,通过透射反射干涉的方式,对覆盖不同层数透明薄膜GaAs台阶结构进行透射测试,实现了对覆盖透明薄膜的GaAs台阶结构三维形貌还原方法的验证.该测量方法是在Pizeo的驱动下,通过改变测量臂和参考臂之间的光程差,使其不同高度的表面到达零光程差位置,并由CCD记录整个扫描过程中干涉条纹的变化状况,进而提取被测件的三维形貌信息.该测试技术具有非接触、无破损、高灵敏度和快速测量的特点.可为膜后形貌的三维重构提供借鉴方法.

光的干涉在水平调节及长度测量中的新应用

本文应用迈克耳孙干涉仪形成等倾干涉图样的原理,提出了快速、精确调整望远镜光轴和分光计中心轴垂直的方法,使用该方法在很大程度上缩短了调节时间并且提高了测量的准确性;将该调节思想与调零光程差的方法相结合,应用到杨氏弹性模量的测量中,提高了测量的精确性.

基于白光干涉测量技术的微器件三维形貌重构

垂直扫描法可以重构微系统中微纳结构的表面形貌,更适合具有台阶结构的微纳结构,其分辨率高、解算速度快、精度较高.本文利用基于白光干涉技术的垂直扫描法,对微器件的台阶形貌在微系统测试仪下所得的干涉图进行分析,并重构台阶结构的表面形貌,微系统测试仪所取的干涉图符合垂直扫描法的要求,即光强峰值附近没有达到饱和,得出了清晰的三维形貌图,解算出的台阶高度和实际台阶高度一致,其横向分辨率为1.6μm,纵向分辨率为0.05μm.

重力对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响

分析了太空失重对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响。针对动镜系统受重力影响的两个关键因素,提出了解决措施,并设计了实验室验证方法。考虑空间和地面重力环境的不同,分析了动镜未被驱动时重力对初始定位的影响和动镜被驱动后重力对运动机构回复力矩的影响。设计了精密初始机械限位使动镜从固定起始点开始运动控制,并且采用闭环PID控制与在轨可调整期望运动规律相结合的控制方法来校正动镜机构等效扭转刚度的变化。最后,提出了将整个动镜机构倒置的方式进行地面验证,并设计了动镜正、负位移不对称性偏差以及匀速区速度波动的性能测量方法。实验结果表明,正置和倒置时动镜正、负位移的不对称性偏差可以控制在6μm以内,其匀速区的速度波动均方根值分别为1.4%和1.1%。实验显示提出的解决方法简单可靠,性能指标满足傅里叶光谱仪的要求,为动镜系统的空间应用提供了技术途径。

基础实验试题C:迈克耳孙干涉仪及其应用

介绍了第7届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题C的实验内容、实验原理及部分参考答案,并对实验竞赛结果进行评析.基础实验试题C包括利用迈克耳孙干涉仪测量空气的折射率、透明薄玻璃片的厚度和待测液体的质量分数3道试题.其涵盖的理论推导具有相似性,通过引导学生从理解基础的干涉原理出发,合理选用实验方法,推证测量公式,自拟实验方案并进行实验测量.试题整体由易至难,考查了学生对基础干涉理论知识的理解和运用能力以及基本的实验操作能力.

透明台阶的白光干涉测量方法研究

Veeco NT3300表面轮廓仪是基于白光干涉原理的一种非接触测量设备,它的垂直扫描干涉模式可以实现对物体表面形貌的非接触测量。在利用垂直扫描干涉模式对光刻胶形成的透明台阶测量时,设置不同的测量参数会导致较大的测量误差,通过对垂直扫描干涉模式的原理和测量系统的分析,找到了误差产生的原因,并通过合理的测量参数的设置,实现了对透明台阶的准确测量,满足了应用需求。

扫描白光干涉测量技术的算法比较

干涉条纹零光程差位置的确定是扫描白光干涉测量的关键技术之一。介绍了扫描白光干涉法测量物体轮廓的原理,讨论了确定白光干涉条纹零级条纹位置的几种方法,并对随机生成的表面进行了大量的数字模拟测量和分析比较,得出了各种算法对测量准确度的影响。研究结果对白光干涉的应用研究提供了可靠的理论根据。

一种基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统

介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。

光纤白光干涉仪等臂长技术研究

介绍了几种光纤干涉仪等臂长技术,比较了各自的优缺点和适用范围,对光纤干涉仪的平衡有较大的参考价值。

大景深彩虹全息

根据对零光程差法彩虹全息的线全息宽度的分析，提出利用零光程差彩虹全息术获得大景深彩虹全息图的方法。