文 献 综 述
基于偏振移相的斐索型同步移相干涉测试技术研究
- 课题研究意义
表面形貌测量在工程和科学的许多应用中起重要作用。需要准确测量物体的三维形状以确保制造质量。光学的方法已经用作长期的计量方案。光学测量不需接触，无破坏性且高度准确。与计算机和其他电子设备相结合，它们变得更快，更可靠，更方便，更强大。在这些光学方案中，干涉测量法对于其光学和非光学表面的形状测量已经受到很多关注。关于被测表面的信息可以从表征表面的干涉条纹获得。双光束干涉条纹已长时间被用于研究光学和非光学表面的形状。相位分布作为干涉现象的结果被编码在强度分布中，并且以干涉图案的形式显示。因此，相位分布就可以从干涉图案中检索。有许多相位评估方法，方法之一是相移技术。相移是一种用于分析条纹图案的引人注目和非常强大的技术。相移根据不同图像中的像素的值来测量像素的相位。常规相移技术的主要缺点是需要捕获多于一个帧。这个问题可以通过使用偏振器阵列来解决，例如去发出单幅平行相移。单幅平行相移干涉测量术是一种可以从单个干涉图记录和重建物体的相位分布的技术。 单幅算法是可靠，快速的，并且对表面微地形测量中的振动和扰动较不敏感。已有好几种类型的单幅平行移相干涉测量法被提出了。在Fizeau干涉测量中，物体和参考波经过几乎相同的路径，因而彼此相互干涉。尽管它对并入相移移位技术带来了困难，但共轴配置使得干涉仪对环境干扰不敏感。
在本课题中，共轴路径Fizeau干涉仪与并行四步相移移机制结合; 从而实现了轴上Fizeau干涉测量的实时测量能力。采用并行四步相移方法的系统。在本研究中，使用共轴Fizeau干涉仪的进行的单幅，四步相移在高度弯曲表面比单幅离轴几何更精确。且提出的方案具有长期稳定性，因此可以高精度地测量对象。 在其他方面，所提出的利用四分之一波片产生参考波的方法要面对了两个主要的挑战。首先，从四分之一波片的两个表面产生了多次反射。为了减少多次反射，四分之一波片的表面必须涂覆有抗反射涂层。二，测试对象应不大于四分之一波片的尺寸。这是第一次将公共路径Fizeau干涉仪与平行四步移相机制相结合，在极高精度下来测量物体。
- 研究现状
- DG Abdelsalam，MS Shaalan，MM Eloker描述了用于测量名义上为lambda;/ 20的光学平面的微观形貌的反射的多光束干涉测量技术。 测量值是压电相移的结果，其使得可以覆盖指令之间的区域。 被准直激光束覆盖的测试光学平面的曝光区域约为2cm。 使用暗/平场法校正由数字检测器捕获的图像。 由于用写入光线跟踪程序产生的边缘位置的偏离来计算由于入射光束的不完全平行性和反射层的不均匀性而导致的测量的不确定性。 不确定性预算估计为lambda;/ 40的数量级。
- 南京理工大学；江苏淮阴师范学院， 左芬； 陈磊；根据偏振光的琼斯矩阵理论,分析了一种基于二维光栅分光的同步移相干涉测量系统的工作原理。从干涉系统、分光系统以及移相系统三个部分详细研究了该系统的误差产生原因和作用机理,并针对各种误差源提出了相应的解决办法,为同步移相干涉测量系统中光学元件的选择、光路的调整及其误差的补偿提供了理论依据。结果表明,干涉部分的误差影响较小,可以通过光路的设计降低分光部分的误差;移相系统的误差最大,必须要对移相误差进行标定。
- 南京理工大学电光学院 郑东晖； 陈磊； 李金鹏； 朱文华； 李建欣； 韩志刚；
为抑制动态干涉仪系统中存在的干涉图空间位置匹配误差以及移相误差,采用相位相关算法和载频交叠重构干涉术,前者以光斑边缘为匹配特征,通过配准测试光斑,实现对4幅移相干涉图在空间位置上的像素级配准;后者按列交叠重构4幅载频移相干涉图,实现相位谱与误差谱在傅里叶频谱中相分离,滤取相位谱即可抑制移相误差对测量结果的影响。实验结果显示,两种方法均可以有效抑制干涉图的位置配准误差以及移相量误差,其结果与干涉仪结果相吻合,均方根值和峰谷值分别相差0.0057lambda;和0.0235lambda;。相位相关算法不受光强畸变等因素的影响,而载频交叠重构干涉术可以同时抑制由移相器件造成的两倍频相位误差和由光强畸变引入的一倍频相位误差。
- T Yatagai，BJ Jackin，A Ono，K Kiyohara，M Noguchi，设计了使用Wollaston棱镜的具有瞬时相移能力的Fizeou干涉仪。 为了测量物体的动态相位变化，使用具有10s快门速度的高速摄像机，其具有1024times;1024个像素的相位掩模。 所使用的光源是波长532nm的激光器，其通过Wollaston棱镜被分成正交的偏振态。 通过调整参考表面的倾斜，可以使具有正交偏振状态的参考光束和物体光束重合和干涉。 然后像素化相位掩模照相机计算相位变化，并因此计算光程长度差。 成功测量用7,000帧/秒扬声器的振动和空气流。
- JE Millerd，NJ Brock--用于使用参考波前和目标波前来分离，成像和测量波前的装置。波前组合元件接收来自物体和参考波前的物体波前并将其组合成组合波前。波前分裂元件将组合波前分裂成多个子波前，使得每个子波前基本上与至少一个其它子波前相邻。波前分离元件可以移动参考波前和子波前的目标波前之间的相对相位，以产生相应的多个相移子波前。然后，波前分离元件可以干扰相移子波前的参考和物波场以产生相应的多个相移干涉图。成像元件接收并成像相移干涉图。连接到成像元件的计算机基于相移干涉图测量对象的各种参数。测量的示例包括流动参数，例如所选气体种类的浓度，温度分布，颗粒和液滴分布，密度等。除了流动参数之外，可以测量物体的位移（例如，振动）和轮廓。
- 南京理工大学电光学院； 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所； 郑东晖； 陈磊； 李博； 李金鹏； 乌兰图雅；为了研究同步移相干涉仪中延迟阵列的移相特性,采用琼斯矢量和琼斯矩阵作为偏振光和偏振光传递的参量和模型,分析推导了延迟阵列的移相量与快轴方位角误差之间的传递关系,给出了误差传递函数公式,在没有精确校准延迟阵列快轴方位角的情况下,搭建了基于延迟阵列移相的测量装置,利用该装置和Zygo GPI XP型干涉仪测量同一块球面镜,测量波面均方根值相差0.003lambda;,峰谷值相差0.033lambda;。讨论了延迟阵列方位角误差容限和延迟量误差、偏振片透光轴方位角误差对测量结果的影响。
- 中国科学技术大学张志刚；微偏振片阵列是近年来国际研究热点,其每相邻2times;2单元透偏振方向分别为0°,45°,90°和135°,单元尺寸与所要搭配使用的感光芯片像素单元尺寸一致。微偏振片阵列可以应用于实时偏振测量和实时相移测量,在国防、安保、干涉计量以及三维成像等方面具有显著的应用前景。目前相关产品主要由美国和日本制造,处于垄断地位,售价较高,而国内没有相应产品与之抗衡。课题组在国内率先开展了基于金属纳米光栅的微偏振片阵列的制备与应用研究,主要包含以下几个方面：一.综合分析了目前国际上已有的几种微偏振片阵列(基于含碘化物薄膜、基于液晶材料和基于金属纳米光栅)的优缺点,选择稳定性更好、偏振性能更优、厚度更薄、应用范围更广的基于金属纳米光栅的微偏振片阵列作为制备与研究方向,同时首次采用工艺更为简单的电子束曝光技术代替传统的干涉曝光技术制备了大阵列的320times;240的微偏振片阵列。阵列单元尺寸为7.4mu;m,微偏振片阵列整体无污染,单元无坏损,各个单元均满足标准方形结构。光栅周期140nm,占空比0.5,厚度70nm,栅线结构平直,厚度均匀,满足理想的矩形面型。为了评估微偏振片阵列的性能,测量了微偏振片阵列对红光、绿光、兰青三个波段光的最大偏振透射率分别为75.74%,78.84%和78.01%,最大消光比分别为75.0,51.8和30.2,具有优良的最大偏振透射率和消光比。二.开展了微偏振片阵列应用于实时偏振测量的研究工作。传统的偏振测量技术需要采集四幅不同方向检偏后的图像,并对图像进行处理,因此难以实现实时测量。微偏振片阵列每相邻2times;2单元透偏振方向分别为0°,45°,90°和135°,采集单帧图像即可通过插值平均的方法获得四幅不同方向检偏的图像,因此能够实现实时偏振测量。文中采用集成了微偏振片阵列的相机对偏振片盘和室外物体进行测量,不仅能够获得普通相机的图像,而且可以实时获得偏振度图像和偏振角图像,将偏振度高的物体从偏振度低的物体中突显出来,同时能够实时反映出光滑物体表面的轮廓信息。三.开展了微偏振片阵列应用于实时相位测量的研究工作。将集成了微偏振片阵列的相机应用于传统的偏振相移法中,实现了实时相位测量,测得了动态平面波、球面波以及一种特殊的涡旋光束的相位分布,对于推动相移干涉计量以及涡旋光束的研究具有重要意义。另外,作者在对微偏振片阵列与相移技术研究基础上,提出了波片相移法和波片阵列结构,并给出了波片阵列的可行性制备方法,从理论上证实了该方法能够实时测量物光波相位,可代替微偏振片阵列,使得成本大大降低。另外,作者在研究生期间还从事了其他方面的研究,包含如下：一.颊窝蛇红外成像仿生研究。通过对蛇的颊窝进行解剖,观测到颊窝膜与生物组织由内腔空气相隔,是一种无基底结构。采用有限元分析模拟显示,颊窝膜的这种无基底结构在温升上可达到有基底结构的几十倍,但同时牺牲了反差再现能力。受到颊窝无基底结构的启示,课题组将这种独特的无基底结构引入到红外探测焦平面阵列(FPA)设计上,代替传统的有基底结构FPA。采用微加工工艺制备了无基底FPA,并搭建了基于刀口滤波的光学读出红外成像平台,分别获得了无基底FPA置于空气和真空环境下人体红外像,实现了基于颊窝的无基底结构红外仿生成像。针对光学读出非制冷红外成像技术,本文提出基于刀口滤波的偏振光学读出系统,消除了CCD接收到的经光学元件表面反射形成的杂散光。理论分析表明,利用偏振光原理,杂散光不能到达CCD靶面,FPA像的平均灰度提高了50%,NETD值降低到原来的67%。实验结果表明NETD值降低到65%,与理论分析值一致,红外成像性能明显优化。二.开展了气溶胶颗粒光俘获的研究,分别采用球差透镜和毛玻璃形成用以束缚吸光性颗粒的光陷阱,实现了对大量吸光性颗粒的捕获。另外,采用红外显微镜观察被捕获颗粒的红外图像,证实了被捕获颗粒的温升现象,为光泳力理论提供了实验依据。
- Research on Phase-Shifting Characteristic of Retarder Array in Simultaneous Phase-Shifting Interferometer--为了研究同步相移干涉测量中延迟器阵列的相移特性，通过Jones矢量和Jones矩阵推导出相移和快轴方位误差之间的关系，给出误差传播公式。 球面镜由基于延迟器阵列的同步相移干涉仪测量，没有精确校准快轴方位角和Zygo GPI XP干涉仪，均方根和峰谷差分别为0.003 l和0.033 l。 讨论了偏振器的方位误差容限和相位偏移误差和偏振器的光轴方位误差的影响。
- J Kranz，J Lamprecht，A Hettwer，J Schwider--斑点干涉测量是用于非接触，高精度测量技术表面的形状，变形和振动的复杂技术。 在本文中，描述了用于定量测量平面外变形的新的单帧相移光斑干涉仪，并且呈现了第一测量。 使用二元相位光栅，一次产生六个干涉图案。 它们在单个CCD相机的一帧时间内获取，因此使由于热波动或振动引起的误差最小化。 光纤的使用允许系统在工业条件下的灵活应用和传感器头的紧凑设计。
- DG Abdelsalam，D Kim--描述可以用于基于偏振分离的双波长相移在线干涉测量的配置。 该实验在名义上具有1.34mu;m的台阶高度的样品上进行。 在本文中，已经比较了五相和七相步长算法在降低相位图中的噪声方面的有效性。 通过应用平场化方法进一步降低噪声。 记录的干涉图使用七相步进算法进行处理，以分别获得每个波长的相位图。 减去独立相位图，并获得拍频波长的相位图并将其转换为高度图。 从七相步骤算法提取的结果与从单发离轴几何结果提取的结果进行比较，结果是一致的。
- 总结
由前面的论述可知，整个测量系统在斐索移相干涉仪的基础上，利用四分之一波片作为参考镜首先获得一对正交偏振光，经过棋盘相位光栅分光，利用光阑选取对于理想光栅衍射效率一致的(plusmn;1，plusmn;1)级衍射光作为测量分光路，使之先后通过相位延迟阵列和偏振片获得4 幅移相量依次为pi;/2 的干涉图。按照传统的四步移相算法，对被测波面进行复原。
参考文献：
1．D. G. Abdelsalam, M. S. Shaalan, and M. M. Eloker, “Surface microtopography measurement of a standard flat surface by multiple-beam interference fringes at reflection,” Optic. Laser. Eng. 48, 543–547 (2010).
- Zuo Fen, Chen Lei. Errors researching for a simultaneous phase shifting interferometer[J]. Optical Technique,2009, 35(4): 536-540.
左芬, 陈磊.一种同步移相干涉测量系统的误差研究[J]. 光学技术, 2009, 35(4): 536-540.
