（光学工程专业论文）数字波面干涉仪及其标准化研究.pdf

摘要 y5 7 1 447 标准化工作在干涉仪的研究和生产过程中有着重要的作用。干涉仪标准是急 需解决的工作。论文主要讨论了干涉仪标准的若干问题，研究了目前已有的干涉 仪及其标准化状况，分析了计量保证方案对干涉仪标准的指导意义。提出了干涉 仪标准和检定规程的框架。以数字波面干涉仪为例，制定了干涉仪的标准和检定 规程，并研究了提高干涉仪性能的数据处理方式。 关键词：干涉仪，标准，规程，计量保证方案 a b s t r a c t s t a n d a r d i z a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo ft h e i n t e r f e r o m e t e r s ，i f sa nu r g et a s kt ow o r k o u ts t a n d a r d i z a t i o no fi n t e r f e r o m e t e r s d e v e l o p e db yo u rt e a c h i n ga n dr e s e a r c hg r o u p t h i sp a p e rs t u d i e ss o m eq u e s t i o n st o f i l ei n t e r f e r o m e t e r ss t a n d a r d i z a t i o na tt h ep r e s e n tm o m e n ta n da n a l y s e sm e a s u r e m e n t a s s u r a n c em a p sg u i d i n gd e v e l o p m e n tt os t a n d a r d i z a t i o no fi n t e r f e r o m e t e r s t h e p a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ef r a m e so fs t a n d a r d i z a t i o no fi n t e r f e r o m e t e r sa n do f e x a m i n i n gr u l e sa n dt ow o r k o u tt h es t a n d a r d i z a t i o na n de x a m p l i n gr u l e so fm u m e f i a l p h a s es h i f f i n gi n t e r f e r o m e t e r t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h em o d eo fd a t ap r o c e s s i n go n h o wt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fi n t e r f e r o m e t e r s k e yw o r d s ：i m e r f e r o m e t e r s t a n d a r d i z a t i o n r u l e sm a p 硕士学位论文数字波面干涉仪及其标准化研究 1 绪论 1 1 干涉仪发展简述 在干涉仪中，进行波面测量或面形比较测量是应用最广泛的类型之一。早先的干涉 仪只含有光机系统，采用目视法测试评估干涉图像的质量，其测量精度低，只能满足最 原始的平整度测试要求。上世纪六十年代开始，激光的引入使得发生干涉仪不再严格的 要求等光程，而且还使我们可以拍摄到更为清晰的干涉图。为了从干涉图中提取完整的 面形信息，人们开始用计算机来分析处理干涉图的条纹信息。但是由于条纹法扫描干涉 条纹时采样密度小、相位误差大这些问题，限制了干涉仪的测量精度。为了克服这些问 题，出现了移相式数字波面干涉仪，其采用光机电算一体化的测试技术，直接给出波面 的点阵数据。同时随着计算机和图像采集系统的引入，干涉仪的测量实现了自动化、实 时性和智能化，拓宽了测量范围。为了进一步提高干涉仪的测试精度，绝对检验技术又 获得了蓬勃发展。由于移相干涉仪本身的高分辨率和面形点阵的获取，因此成为主流的 类型，而且移相干涉技术的出现也将绝对检验技术由线一线测量推进到点一点运算。 1 。2 国内对干涉仪的广泛需求 现代的干涉技术是从经典干涉技术发展起来的。几十年间，新原理、新器件、新技 术不断被引入，型式越来越复杂，功能越来越多、应用越来越广泛。而不同的应用领域 的干涉仪对干涉仪的要求也有很大的不同： 1 ) 计量部门对高精度测量仪器的要求 计量部门主要用高精度干涉仪的进行标准平晶检定和传递，因此精度要求普 遍高于九2 0 ，最高等级的计量基准必须以绝对检验来获得，精度可达到 5 0 ，2 0 0 。 2 ) 国防军工企业新光电产品的测试要求 随着新型光电系统的研发，普遍需要高质量的光学系统，例如：4 5 所制版机 需要九2 0 以上的大口径、高质量镜头、“神光”计划需要大批量2 5 0 x 3 5 0 m m 的 高精度反射镜、l a m o s t 项目需要约q b 6 0 0 m m 的大反射镜拼接成台米的望远镜 主镜等。这些测试必须用不低于 2 0 的干涉仪测量其平面、球面面形及系统波 差。 3 ) 企业应客户要求需要数字化的测试数据 随着国际光学冷加工业的不断内迁，企业需要有与国际接轨的测试仪器来保 障加工精度，并向客户提供必要的数据。如激光棒用干涉仪测试其波前畸变、晶 母 士学位论文 数宁波血十涉仪及其标准化研究 体材料用干涉仪测量其均匀性、高速硬盘玻璃基片用干涉仪测量其面形、平行度 等。 4 ) 电子等新兴行业的测试需求 这些测试的精度要求相差极大，如投影机、扫描仪、数码冲印设备等设备内 部反射镜用于涉仪测量其平整度，精度仅在 2 左右，丽镜头类的测试精度则要 求稍高。 因此，干涉仪的国内市场已经形成，除了作为计量保障的高精度干涉仪外，能够方 便地被生产线上工人使用的干涉仪需求更大。 1 3 干涉仪标准检定规程的必要性和紧迫性 国内从5 0 、6 0 年代开始进口干涉仪，并进行研究、仿制，如上海光机所的中1 5 0 m m 平面干涉仪，中国计量科学研究所的中1 0 0 m m 平面干涉仪，南京理工大学的中8 0 m m 、 中1 5 0 m m 棱镜透镜干涉仪系列曾批量生产。8 0 年代开始各单位开始数字化研究，目前 的研制技术已经相当深入，也有2 3 家具有批量生产的能力，同时几乎所有的国际品 牌干涉仪都有进口。但是目前国内干涉仪的标准制度还不完善，干涉仪标准研究远远不 能适应干涉仪的研制和使用现状，特别是数字波面干涉仪没有合适的标准与检验规程可 以使用。 我国目前干涉仪的相关的标准有“j j g 3 3 6 1 9 8 3 平面等厚干涉仪( 试行) ”、 “j j g 7 6 5 1 9 9 2 平面标准器”、“j j g 2 8 2 0 0 0 平晶”、“j b t 7 4 0 1 1 9 9 4 平面平晶”、 “j b t 7 4 0 2 1 9 9 4 平行平晶”。上述检定规程涉及的方法均为目视判读，已经远不能适 应目前国内外干涉技术和仪器的发展需求。目前国际要求以整个面形的峰谷值、均方根 值为指标。上述标准检定规程均未涉及到。因此制定新的干涉仪标准检定规程，是目 前急需解决的问题。 新的干涉仪标准，应该不仅能指导干涉仪的研制和生产，同时也是干涉仪的质量保 证。而检定规程则是保障生产企业光学产品质量一致性的重要法规。 1 。4 本论文的主要工作 本论文的主要工作就是研究干涉仪的发展与现状，掌握目前干涉仪的标准，最终能 编制出数字波面干涉仪的标准，并参与国防科工委组织编制的新干涉仪检定规程，完成 草案的编写工作。 论文的主要工作可分为以下几步： 1 了解干涉仪生产和使用的现状和目前正在使用的干涉仪相关标准及捡定规程， 以便对于涉仪及其标准有大体的把握，大体确定干涉仪标准的基本框架。 2 熟悉干涉仪结构、装校和检验方法与流程。参与q b 2 5 4 m m 、中1 0 0 i r o n 等各型 2 颈 学位论文数1 波商十涉仪发其标准亿研究 号干涉仪的实际装校工作，熟悉干涉仪的各个主要部件如光源、探测器、移相 器等；了解各主要系统的设计指标如光学系统象差、控制系统功能、移相器驱 动控制的精度与校准方法等 3 通过实验分析，并确定验证环境因素、控制条件、干涉仪的结构稳定性和抗振 特性等对干涉仪的影响，为计量裣定规程的编制提供基础数据。 4 分析干涉仪实际应用需要，确定干涉仪标准的主要参数、规格范围、分档密度 及各项质量指标，如光源、孔径、波长、光学质量、标准平晶、标准镜头综合 孔径等，分析于涉检验软件所需要的基本功能和附加功能，完成干涉仪标准和 计量检定规程( 草案) 的编写工作。 硕l 学位论文数，波血十涉仪发j e 标准化i l i | _ 究 2 数字波面干涉仪 光于涉技术作为一种精密、有效的计量测试技术，是产品检测和质量监控的一个 重要手段，光学零件和系统的干涉检测技术一直为光学工作者所广泛应用着。随着光学 及相关技术的不断发展，光学零件和系统的检验方法也在不断改进，从经典的牛顿光圈 检验法一直到今天的计算机全息技术和干涉条纹扫描技术。其中当代最新技术计算 机技术、激光技术、电子技术、半导体技术等的最新成果不断加入其中，发展出了现代 数字波面干涉仪。作为最精密有效的测试仪器之一，从光学零件的加工检验到光学系统 的装校、校正与测试，干涉仪已经成为一种易于操作、可靠、高精度、智能化的必不可 少的测试检验装置，它在光学零件和系统的高精度制造和大批量生产中有着不可替代的 作用。 2 。1 干涉仪的历史与发展 2 1 1 早先的干涉仪 六十年代期间，三个主要的方面极大地影响了干涉计量术：1 ) 激光器的发明和引 用；2 ) 隔振手段的应用和提高：3 ) 计算机引入干涉图的分析。激光的引入使得发生干 涉不再严格的要求等光程，而且还使我们可以拍摄到清晰的干涉图。不等光程的干涉术 又引发了两个问题，一个是振动成为影响干涉仪条纹稳定的主要因素，于是就发明并引 进了隔振系统；另一个问题是既然得到了精确的干涉图，则从干涉图中提取完整的面形 信息成为下个目标，于是在一些研究单位及大的光学加工工厂，人们开始用计算机来 分析处理干涉图的条纹信息。 七十年代干涉计量术获得了大范围的普及，干涉仪越来越被用户所认可。市面上有 了两种类型的商品化的激光干涉仪：泰曼一格林干涉仪和斐索干涉仪。泰曼一格林干涉 仪有其固有的通用性；而斐索干涉仪由于其共光路特性而结构简单、价格低、体积小。 此时干涉仪大致采用四种方法来判读条纹： 目视判读。由有经验的测试人员根据条纹弯曲程度来判断波面情况； 照相法。将干涉条纹拍成照片，然后用直尺等量出条纹间距和弯曲程度，再计算出 光圈数； 测微目镜法。在干涉仪目视观察处装上带分划板的测微目镜，来测量条纹间距和弯 曲程度，再计算出光圈数； 条纹法。用摄像机和采集卡结合，将干涉图像转换为数字图像，利用计算机图像处 理技术跟踪条纹，采集数据并进行计算。 上述方法中，目视法精度最低，并且缺乏客观性。而条纹法精度高，但当时计算机 4 颂，l 学位论文 数。，波血十涉仪及儿标准化研究 等设备价格昂贵，软件编制困难，计算速度慢，只有极少部分干涉仪配置。因此带测微 目镜的干涉仪在计量部门大量使用，我国目前使用的干涉仪检定规程( 试行) 就是针对 这一类干涉仪编写的。 八十年代开始，电子技术、计算技术、控制技术、材料技术得到了长足的发展，出 现了各种实时数字波面干涉测量仪器【4 ”。干涉仪的主要光学结构虽然与以前相似，但 原理与算法却发生了革命性的变化，移相干涉术、锁相干涉术、外差干涉术等相继获得 实现。其中采用压电晶的移相干涉术因方便、快速、准确成为新的数字波面干涉仪的主 流。 之后，高性能的c c d 使分辨率获得极大的提高，各种光机设计技术使得干涉仪的结 构越来越可靠，机电一体化技术和软件技术使干涉仪成为一个“黑匣子”，即使完全不 懂干涉的人可能够完全操作它。 九十年代以后，科技的发展对检测精度提出了越来越高的要求，这就需要相应地提 高干涉仪的测量精度。原先的相对测量方式已经满足不了测量的高精度要求。为此各种 绝对检验方法发展了起来，平面绝对检验由使用液面为基准或针对一条直线的绝对检验 发展到整个面的绝对检验( 三面四次互检方法) ，球面和柱面绝对检验也陆续实用化了。 2 1 2 数字波面干涉技术 数字波面干涉技术m 1 最初使用的是条纹法，即对干涉图象采取拍照、光学扫描照 相，然后从密度仪读数、计算机处理以得到更灵敏的波前测量，这些系统可能不够准确 或甚不方便，原因在于： 1 ) 照相过程的非线形，引入在各点上的畸变，以至不能对准干涉条纹的极大处； 2 ) 为缩小于涉条纹间隔，而使参考面倾斜所引起的畸变，或其它横向测量误差均 会转换为相位误差； 3 ) 很难用平均波前来消除大气干扰和干涉条纹漂移的影响； 4 ) 难于对于涉仪的缺陷作确定和补偿； 5 ) 细分过程须更多的努力和操作时间，不适用同常的一般应用。 为克服上述缺点，国内外研制成数字波面干涉仪，它应用于干涉条纹移相扫描技术 及计算机软件，以平均多次波前来消除干扰和噪声。干涉仪的误差明确地可先在波前测 量出并加以补偿，仪器实现了对光学元件的表面轮廓、平面度、光学传递函数及非球面 的检测，系统可自动取样，在显示屏上实时显示出三维透视图或波面轮廓的等高线，便 于日常检测和处理控制。 数字波面干涉技术采用泰曼或斐索光路，利用光电转换系统将干涉图转换为数字 图像，在计算机中存储和处理。 硕 ：学位论文数字波面十涉仪及其标准化研究 数字波面干涉仪的硬件组成如下图所示 图2 1 数字波面干涉仪的硬件组成 数字波面干涉仪是光、机、电、算相结合、融硬、软件于一体的高精度、实时快 速的智能化仪器。它能够按照移相干涉术等一系列数学物理模型，复原波面，输出波面 的面形偏差( 光程差) ，峰谷值( p v ) 、标准偏差( r m s ) ，并形象直观地给出波面二维等面 图、三维立体图及测试干涉图像。 因此，现在的干涉仪已经成为高新技术计量工具，其应用范围越来越广泛。同时， 现在的技术特征拓宽了干涉仪的通用性。最初的干涉仪都是为了某种特定的计量和测试 目的而设计，而现在设计的干涉仪，其功能广，除了具备一些必要的测试功能外，还有 一些辅助功能，用户可以根据自身的需要，自由选择测试范围。 2 1 3 目前干涉仪的特点和发展趋势 现代干涉仪的基本特征是采用激光做光源并且综合应用了光学和电子学的最新成 就，现代干涉仪的性能比经典干涉仪有了显著的进步，表现在量程大、分辨率高、抗干 扰能力强、测试精度高、操作方便等方便。 总体而言，干涉仪具有以下的几点特征： 1 光、机、电一体化： 2 实现了实时、智能化控制； 3 应用范围广； 4 通用性强； 5 测量精度高； 6 测量速度快，距离远； 7 抗干扰能力强； 干涉仪正向智能化方向发展，其发展趋势主要表现在 1 7 】： 1 ) 光源除了可见光和红外，今后，微波、紫外、x 射线都会得到相应的应用，以 适应绝对距离测量、纳米测量的需要。半导体激光器的性能将得到不断的改善， 取代某些气体激光器的应用领域，甚至有更新的光源( 如光子晶体器件) 出现。 6 硕士学位论文数字波面干涉仪驶其标准化研究 2 ) 探测器光频在1 0 1 4 数量级，为测量信号提供了充足的带宽。但是，目前探测 器的响应频率只达到1 0 9 量级，使光频的优点不能充分发挥。因此，必然有很 大的投入来提高探测器的响应频率。一旦探测器的频率得到显著提高，用时间 和光束直接表达距离将会十分简单，干涉仪的结构和性能必然随之变化。 3 ) 信号处理系统在适应环境、消除噪声、误差修正处理、测量数据速度和可靠性 方面有明显提高。前述的设计原则会被更广泛和自觉的应用。 4 ) 光学系统光学系统的集成和小型化将会明显进展。波导、光纤、二元光学器 件、半导体激光器、非线形光学器件等的集成将得到应用。 2 。2 典型干涉仪的应用领域 2 2 1 干涉仪的类型 现代干涉技术发展较快，应用广泛，如测长、测面、测流场、测振动等等，就以本 规程所要涉及的测面形的干涉来说，就有多种不同原理与技术。 一些传统的干涉仪使用相干光( 通常是单色光) 即可进行测量，但是由于光源相干性 差，因此操作的人员不但须对干涉理论有所认识，而且也要对仪器有良好的熟练度。 1 9 6 0 年高相干性( c o h e r e n c e ) 光源的激光问世后，干涉仪才开始蓬勃地发展。干涉仪可 按照形成干涉的光束数目分为双光束及多光束两大类，双光束干涉仪所产生的条纹其亮 度多呈正弦曲线的分布情形，例如泰曼一格林( ? w y m a ng r e e n ) 干涉仪、菲索( f i z e a u ) 干涉仪、马赫一泽得干涉仪( m a c h z e n d e r ) 、剪切( s h e a r i n g ) 干涉仪及迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪，皆属于此种双光束干涉方式。而多光束干涉仪之条纹亮度情形也是周期性的， 但却呈狭窄的亮带，如梳状脉冲波形( d i r a cc o m b ) ，有名的f a b r y p e r o t 干涉仪即属此类。 多光束干涉仪通常是由非常多的光束干涉而形成，至于三光束或四光束的干涉仪通常视 为双光束干涉仪的同类，因为它们的干涉条纹特性很相近。 干涉另一种分类方式是依据光波分割的情形亦即分为波前分割与振幅分割两种形 式。波前分割是指光束的波前经过了同一平面的一系列狭缝而产生分割，例如以双棱镜 或光栅来把一道光分成二部分。振幅分割则是以部分反射装置来区分其振幅大小成两部 分，例如光束经过了类似分光镜的界面而分成两道光。 干涉仪的其他分类方法还有： 按光学基本原理可分为等倾干涉、等厚干涉、错位于涉等： 按等厚干涉的光路结构又可分为泰曼光路和斐索光路； 按数字化测试原理有激光光外差干涉、锁相干涉、空间载频外差干涉、移相干涉等； 按移相干涉的波面复原原理又有四步法、c a r t e 法、c a r t e 平均法、重叠平均法等多 种方法。 在于涉仪的发展历史中，等倾干涉仪一度与等厚干涉仪处于同样重要的位置，而现 硕l 学位论文数宁波面十沙仪及：i l ；标准化研究 在由于移相技术的出现，等厚干涉仪已逐渐取代了等倾干涉仪。平面等厚干涉仪是采用 等厚光波干涉原理，测量物体表面平面度的干涉仪。现有的国家干涉仪标准，仍未涉及 移相法的等厚干涉仪，因此测试精度等级低。 2 2 2目前几种典型的干涉仪 典型的干涉仪按其水平和国际知名度可分为三个档次，第一是w y k o ( v e c c o ) 公 司、z y g o 公司和p h a s es h i f t 公司等国际知名公司，一般来讲，由其生产的干涉仪测出 得数据，用户一般不再要求进行复查。这些公司的产品价格也高，一般主机为4 至5 万美元，加附件则高达十多万美元；第二是一些有着丰富生产经验的厂家，如同本的富 士能、o l y m p u s 、台湾的k l a s e r 等，产品价格在2 至3 万美元之间。国内生产干涉仪 的企业产业化时间短，但以高的性能朋。格比，也拥有很大一部分市场。 1w y k op a t4 1 0 0 6 1 0 0 干涉仪 图2 2 w y k op a t 4 1 0 0 6 1 0 0 w y k or i t 4 1 0 0 6 1 0 0 激光干涉仪具有精密、非接触表面的特点，并且能测量光学元 件和组件的透射波前，其绝对精度的峰谷值优于 2 0 0 ，均方根的重复性优于 1 0 0 0 0 。 该仪器自动化程度高，含有能改善测量稳定性、七倍连续变焦、自动聚焦和自动调 整象元尺寸的遥控器，用户能够自己选择相应的孑l 径。同时，仪器含有的w y k o v e r s i o n 3 2 是工业中最先进的数据分析系统，能提供1 3 0 0 多个分析参数、几何和衍射光学分析、 以及交互性的二维和三维显示。w y k op a t 4 1 0 0 6 1 0 0 性能参数如下表所示： 表2 1w y k op a t4 1 0 0 6 1 0 0 性能参数 8 预 学位论文 数字波呵十涉仪搜其标准化研究 结构类型f i z e a u 平面干涉仪 孔径尺寸 1 0 1 6 r a m 或1 5 2 4 m m 激光源6 3 3 n m 或1 0 6 u m 任选 摄象机r s 一1 7 0 数值型c c d 精确度 好于 2 0 0 仪器精密度好于x 3 0 0 0 峰谷值的重复性 好于 1 0 0 0 均方根值的重复性 好于 1 0 0 0 0 2 z y g og p i 一1 0 0 1 0 0 0 图2 3 z y g oo p i - - 1 0 0 1 0 0 0 该干涉仪采用模块化设计，用户可以自由的干涉仪、条纹分析系统、和其它组件 的最佳组合，z y g og p i - - 1 0 0 1 0 0 0 重复性好，抗干扰性强，而且易于操作。z y g op i - - 1 0 0 1 0 0 0 的性能参数如下表 项目性能参数 结构类型f i z e a u 孔径尺寸 1 0 0 m m 光源 1r a w h e n el a s e r 9 硕l 二学位论文 数字波面十涉仪及其标准化研究 摄像机r s 1 7 0 数值型c c d 好丁x1 2 0 p v ( 平面测量) 精确度 好于 1 0 p v ( 球面测量) 仪器精密度好于x 8 5 0 均方根值的重复性好t - x 1 0 0 0 放大率 6 2 5 x 3 小型移相式干涉仪 图2 4 小型移相式数字波面干涉仪 该干涉仪为国产仪器，主要用于测量平面、球面类型的光学元、部件及系统的波相 差：如平面、球面反射镜的面形，光学( 或晶体) 的透射波面畸变、激光棒透射波前畸变、 直角棱镜的直角偏差，锥体棱镜的单角及综合误差，光学系统的波差等。 该干涉仪的主要性能指标： 表2 3 小型移相干涉仪主要性能指标( 单位为光源波长 ) 项目性能参数 移相器伸艮量l ，5 精程( 可测量被测1 ，i = 的最大峰谷值) 5 0 空间分辨力采样点阵密度3 2 x 3 2 5 1 2 5 1 2 采样时间 1 0 s 次 重复性 l 1 0 0 时间稳定性 1 5 0 2 , 2 3目前国内干涉仪生产的差距 国内使用进口干涉仪的主要是研究所、高校、外企三大类。研究所主要是有大型项 0 硕士学位论文数字波面干涉仪及其标准化研究 目需要、而高校靠“2 1 l 工程”等的支持，他们主要进口z y g o 、v e c c o 等知名品牌， 认可企业所出具的证书，除了个别自己研究干涉技术的外，一般不再对进口仪器进行检 验。外企和部分有大量出口订单的企业所进口的干涉仪，则各种品牌都有，中档的比较 多，大部分企业的产品要求不高，因此只要国外订货方认可即可，也不进行检验。 国内干涉仪的生产落后于国外主要不在于移相原理的研究，而在于周边的支持上。 如机械加工能力，由于干涉仪生产批量小，因此大厂不愿意做，小作坊又做不好。一些 标准部件如激光器、c c d 探测器等与国外也有一定的差距，另外光电一体化技术也与 国外知名品牌有差距。这些问题也是造成了国内标准化程度低，质量保证体系薄弱的原 因之一。 2 3 提高干涉仪精度的绝对检验技术 干涉仪的精度是干涉仪性能的重要指标，也是干涉仪具有竞争性的关键点。提高 干涉仪的精度，是每一型号的干涉仪最需解决的问题。 2 3 1 平面绝对检验技术 一般的光学面形检验方法是相对测量法，测量结果是实际表面相对于干涉仪标准参 考面的偏差。当测量精度要求在九2 0 以下时，干涉仪的系统误差以及参考表面误差可 以不考虑，但当要求更高精度的测量对，必须消除系统误差及参考表面误差，于是提出 了绝对检验法，它在原理上不引入干涉仪系统误差和参考表面误差，可得到光学面形的 绝对质量。 平面绝对检验发展起来的有液面基准法，伪剪切法和三面互检法【刈。 液面基准法是1 8 9 3 年l o r d r a y l e i g h 提出的以液面平晶作为干涉测量的平面基准， 后来成为目视判断光学系统质量的一种公认方法一直沿用至今。虽然液面基准法的精度 非常高，但是液面基准制作困难，对环境条件，如温度、气流、振动等要求很高，所以 液面基准法不被广泛应用。国内中国计量测试研究院、国防第一计量测试研究中心、国 防光学计量一级站、南京理工大学等拥有液面基准干涉仪。 1 9 8 4 年e b k e e n a n 提出了伪剪切干涉测量技术，它的测量方程表达式较为简洁， 同时也可给出干涉仪系统的误差( 主要是标准参考平面的误差) 。但是这种方法在统一 原始波面时，存在误差积累的问题，因此作为建立平面基准的方法，这种方法未被广泛 承认。 硕士学位论文数字波断十涉仪及其标准化研究 三面互检法三个被测平面，每两个组成一对放在牛顿干涉仪( 接触法) 或放在平面 干涉仪( 非接触法) 中进行测量。这样通过多次组合，从干涉条纹图案中得到一系列的 由于各自平面面形误差而造成的空气间隙厚度，最后从这一系列数据中可以求得每个平 面的平面度偏差。 令令$ k f x ，v ) l ( x v )m r x v 1 a ：三个平面：k 、l 、m 蛋目留压爿压d 匝甜 y ， 二 i | |y 孓 叫x ，v ig f x v le ( x ，v ) b ：三个测试结果：d 、g 、e 图2 5 平面三面互检法原理图 如图2 5 ，假设三个平面的光学表面的误差函数分别为七化叫、z 化砂、m 化纠，而 三次检验所测量得到的检验波前误差函数为d 扛，、e 以、g 伍圳，则有下列公式成立： 烈z ，y ) + z ( 五y ) = d y ) 肌_ y ) + ，( 葺力= 以五力( 2 1 ) r e ( x , y ) + 以墨y ) = g ( x , y )j 式中l ( - x , 叫、k ( - x , 纠是被测平面l 、k 的翻转，d 仁纠、e 仁纠、g 伍纠是可以从干涉图中 直接判读出来。 式( 2 1 ) 中只有三个等式却有四个未知数女阮圳、t ( - x , y ) 、“、m r ，因此不 能有完全解，这是由于其中一个面在测试过程中需要翻转引起的。由于有这么多的未知 数，所以对于所有的光学平面来说，无法采取逐点解的办法。这个问题是这种检验方法 的固有特性所造成的。但可先求出y 轴( 即f 0 ) 方向上的面形偏差，即在y 轴方向上 只剩下三个未知量后r d 】纠、，似和mr d 】圳，这就存在着一个直接解，由式( 2 1 _ 1 ) 很容 易求得被测平面k 、l 、m 的y 轴方向面形偏差，如下式： 唧川= 型业等孚塑塑 f ( o 川= 塑业等趔 女( 。，y ) = ! ! g 王_ 2 尘二二! ；i ! 幽 将k 逆时针转1 8 0 。与l 干涉得到f 为： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 1 2 硕士学位论文数字波面干涉仪及其标准化研究 由g 、e 、f 很容易求得被测平面k 、l 、m 的x 轴方向面形偏差，如下式 卅( z ，o ) = 些业丛掣! 盟 廿邶) = 业型掣 k ( - x , 0 ) = 塑业掣 ( 2 4 ) 以上显示了三面四次互检法的检验原理。这种无须参考平面的测量方法特别适用在 高质量的平面( 平晶) 的检验。 2 3 2 球面绝对检验技术 球面绝对检验是对被测球面进行多组相对测试，然后对这几幅干涉国应用数学的方 法进行组合运算，从而消除测试中齐明透镜参考表面面形、标准镜头像差等误差，提高 测量精度。球面绝对检验有两种方法，一是三次检测方法，一是二次检测方法。这两种 方法都是利用z e m i k e 多项式的奇偶对称的不同特性，把被测球面的面形波差与干涉系 统和透镜带入豹渡差分离出来。三次检测方法的测量精度高，是现在球面绝对检验的主 流。下面主要介绍了三次检测方法的基本的原理。 埘赣 干涉仪 齐明遂镜被测球面 图2 6 球面三次检测原理图 球面绝对检验的三次检测方法是利用z e r n i k e 多项式奇偶对称的不同特性实现的。 上图是一个三次检测方法的筒图( 斐索球面干涉系统) ，其中l 是干涉系统( 干涉仪的 简化) ，l 是齐明透镜，a 是齐明透镜的参考面，c 是猫眼( c a t se y e ) 位置，t 是被测 球面反射镜。可以构成干涉的反射波前有四个：由齐明透镜参考表面a 产生的反射波 前( 厂，p ) ，在猫眼位置产生的反射波前暇p ，口) 。被测球面在常规位置产生的反射波前 孵p ，曰) ，在旋转位置产生的反射波前孵p ，口) 。通过三次测试获得三个双光束干涉图分 别是a 与后三个反射波前的干涉结果。 经过适当的数学转化，可以由下面这一相当简洁的公式来计算被测球面的面形( 波 l 颧i j 学位论文 数字波面十移仪及苴标准化研究 面) 的绝对检验结果： t ( r ，占) = _ t ( ，口) + 彳，( ，口+ 石) 】一 4 p ，口) + 如p ，目+ 石强 ( 2 5 ) m2 矿一一，1 m 2 = 缈一7 ( 2 6 ) 必，= 。一( t ( r ，口) 则是被检测球面的面形误差。 三次检测方法的测试精度高，非但需要非常精密的调整机构，对被测球面的调整要 求也非常严格： 1 ) 齐明透镜的光轴必须与干涉仪出射准直光束的光轴平行；齐明透镜光轴必须与 被测球面光轴重合；齐明透镜的焦点必须与被测球面的曲率中心重合。 2 ) 被测球面对称于其夹持器的旋转轴，被测球面的曲率中心必须位于夹持器的旋 转轴上。否则被测球面在常规测试和旋转p 角度测试时干涉图的空间位置将会不一 样。 3 ) 被测球面与齐明透镜的相对孔径应一样，这样猫眼位置的干涉图将和另外两种 测试的干涉图大小一样。实际上因为齐明透镜要适应各种被测球面的测试，其相对 孔径一般大于被测球面，此时猫眼位置的干涉图将大于被测球面的干涉图，在进行 三幅干涉图的运算时必须考虑到这一个因素。 2 3 3 柱面的绝对检验技术 柱面绝对检验是与球面绝对检验相似的3 次检验，利用一个空心直角棱镜来进行猫 眼测试。主要误差来源之一是空心直角棱镜的角度误差。因此又称为带已知空心直角棱 镜的柱面绝对检验。 下图表示了柱面绝对检验的原理框图： ， 兰瑜虻支匈， 二二卿卫仁当 习 二二唧0 旺二二瑚 ， 二 鲺霄旺翊 h 瑾0 旺二面 珂卫吟日 二 唧0 口 4 硕士学位论文数字波面十涉仪及其标准化研究 与球面绝对检验不同的是柱面绝对检验的干涉图为矩形，不能进行z e m i k e 多项 式拟合，因此其旋转与点一点运算要使用重采样技术。 2 4 本章小结 本章主要阐述了干涉仪的发展和现状，介绍了目前三种典型的干涉仪，通过国内外 干涉仪状况的对比，简述了国内干涉仪研制和生产的差距。本章最后介绍了提高干涉仪 测量精度的绝对检测技术，包括平面绝对检验和球面柱面绝对检验，这些技术可以极大 提高干涉仪的测试精度。在本教研室的多年研究过程中，已经将获得的大部分成果应用 于干涉仪中。 硕士学位论文数字波面十涉仪及其标准化研究 3 干涉仪的性能分析 在本章中，将通过对干涉仪的性能分析和装校技术研究来分析干涉仪结构特点，并 通过大量实验来获得标准化所需要的数据，并归纳出 3 1 1 硬件主要构成 干涉仪是由光、机、电和计算机软件控制这几部分组成的，每一部分的元件都必需 符合干涉仪构成的标准规定。 干涉仪主机是干涉仪的主要部件，它提供一束准直的平行光束作测试，接收返回的 相干光束，并转换成视频信号输出。内部光路一般分为光源扩束、测试、接收、初调等 几个部分。另外，数字波面干涉仪还安装p z t 移相器。 光机部分的附件比较多，主要有： 标准平面透镜( 透射) 测试参考反射镜 标准透镜组 标准球面反射凹凸面 各种调整架 驱动及测长系统( 如光栅尺或独立测长干涉仪) 防振平台 在主机之外，数字波面干涉仪还有不少电器、计算机配套设备，如p z t 驱动高压电 源、图像采集卡、p z t 控制卡、计算机、打印机、监视器和遥控器等。 以上是移相式干涉仪硬件部分的主要组成。 下表以国内外小型干涉仪为例，对比了它们的硬件( 包括软件功能) 的技术指标。 表3 1 国内夕1 - 4 , 型数字波面干涉仪技术指标比对 仪器瑞士f i s b a 日本o l y m p u s 日本富士能 中国“微小干涉仪” 型号参数 g p h a s ef s t 3 0 k i f 1 0 af 1 2 5 1 干涉仪类型泰曼格林型 斐索型( 立式)斐索型( 立式)斐索型u r l - 两用) 主机孔径小，可 孔径 女2 5 4 r a m d 0 2 5 m m击2 54 m m 扩束至1 0 3 0 m m 半导体激光器 光源 h e - n e 激光h e n e 激光h e n e 激光 ( 6 3 5 n m ) 数字波面求取 移相干涉术无 无移相器、单幅 移相干涉术 方法f f t 法 仪器光学质量参考面k 15参考面x 2 0 优t x 3 0 ( p v ) 硕士学位论文 数字波面干涉仪及其标准化研究 重复性 x 2 7 2 ( p v ) 不确定度 ) 。9 5 ( 2o ) 光学变倍系统无 无两个定倍率1 1 0 连续变倍 配有标准球面无、拍0 m m 口径 透组否? 有有有 以上有 主机体积 ( m m 3 ) 2 3 0 4 4 0 l8 0 3 】5 5 0 5 1 l o2 4 0 3 8 0 1 5 0 主机重量 约5 2 k g约2 5 k g约2 0 k g w i n 9 5 移相干 单幅静态条纹分 w i n s 移相干涉图 涉图分析软件，分析软件，可给出波 可给出二维波 析软件，可测量 软件系统功能p - v ，r m s ，泽尼克 面三维波面图、二 面圈、二维图干无 多项式系数 维圈、干涉图、象 涉图质指标 3 2 干涉仪的软件包 3 2 1 软件包的基本界面 干涉仪的研制和控制日趋智能化，下面以微小干涉仪为典型例子，阐述了干涉仪软 件的功能要求。 该软件包，建立了移相干涉术的数字模型，多幅静态干涉图采样，经图像采集卡将 光强干涉图转化为数字化干涉图，由微型计算机按照移相干涉术等一系列数学物理模 型，复原波面，输出波面的面形偏差( 光程差) ，峰谷值( p v ) 、标准偏差( r m s ) ，并形象直 观地给出波面二维等面图、三维立体图及测试干涉图像，对干涉仪的工作过程、采样数 据等进行自动化处理。 干涉仪自动处理软件的界面如下所示： 图3 1 干涉仪自动处理软件 硕士学位论文数字波面十涉仪及其标准化研究 软件包对数据进 毽：篓是，l r ，一出( 屏幕显示 预处理 i 软件集成控! l 与打印) 磊磊” ：二掣一! 一通讯u ! 鋈霎蠢喜矿l _ 一- 1 竺曼竺竺 上 定量检验结果：波面( 平面) 面形、峰谷值、标准偏差、 网格坐标下的平面偏差值 图3 2 数据处理流程 软件包的辅助功能主要包括：标定样品尺寸；对图象进行采样；自动识别采样边界； 角度计算；激光棒测试；移相计算；参数浏览等。 3 2 2 软件算法与软件内核 软件算法的内核，主要是将获得的多幅移相干涉图复原成波面数据，并保证其中 的高精度。因此，首先是要得到足够的移相精度，然后是高精度的波面复原。这其中涉 及以下几个方面。 3 2 2 1 消除移相器的误差 近2 0 年来，移相干涉技术( p h a s es h i f l i n gi n t e r f e r o m e t r y ) 被广泛用于各种现代干 涉仪器中，它的测试精度高，是光学高精度计量测试的有效方法。由压电陶瓷堆及其机 构构成的移相器是移相干涉仪中的主要部件，移相器移相误差成为影响移相干涉仪复原 波面精度的重要因素之一。 在实际测试中，要求压电陶瓷堆随施加电压做线性位移，而压电陶瓷堆本身位移非 线性，那么就需要对其位移量进行测量并对非线性进行校正。 对移相器的最终要求是在实际应用中，每步进一次，相位移为n 4 ，对应的位移为 8 如果移相不准确则会给实际测量带来严重误差。因此对移相n 4 进行标定是检 验移相器质量的重要环节。本教研室组建了一套菲索型平面干涉仪，通过快速傅里叶变 换的方法测得移相器的位移量并通过最小二乘拟合方法校正其非线性后，利用傅里叶频 域滤波的方法，对每步移相的条纹分布进行滤波，得到条纹分布图，从而能够对移相器 相位移进行精确标定，通过实时在线校正使每次移相相位变化3 i 4 、大量实验表明这种 方法的标定精度可达0 5 ，满足干涉仪移相要求。 在实际测量中，移相器会产生相当大非线性误差以及由温度和振动引起的随机误 差。教研组编制的软件包，采用傅立叶变换移相法对相位进行分析计算，使移相器的非 硕士学位论文 数字波面干涉仪及其标准化研究 线性和随机误差降到最低。 除了傅立叶变换移相法，配套软件包还编制有迭代最小二乘拟合法对相位进行分 析。这种方法算法相对比较简单。这些技术和算法，构成了移相器误差自动标定技术。 3 2 2 2 波面的复原口川 为了显示测量的高精度，除了要能消除线性和非线性的位相测量算法以外，还必须 精确的复原采样到的数字波面。波面的复原要解决以下几个关键问题： 一对采样图象边界进行自动识别 精确调整后，光学系统得到的于涉图象经c c d 摄象转换成模拟信号，再经过图象采 集卡a d 转换得到数字化的干涉图象，它记录的被测波面的原始信息，是后面进行波 面复原数据处理的依据。因此为了实现高精度测量，精确地提取干涉图样中的有效信息 是非常有用的，漏掉有效信息点或带进伪信息点都会给波面复原精度带来较大的误差。 以前常用的一种确定干涉图样有效数据区域的方法是根据干涉图样的大小人为设 定一矩形框。这种方法简单易行，对一般规则的圆域干涉图样是适用的( 对椭圆干涉就 会产生一定的误差) ，而对带孔球面( l l 立n 天文光学中的卡塞格林系统，即折反系统) 、锥 体棱镜、量块等产生的不规则( 有跃变、有遮栏等) 干涉图象，或者是比较模糊的干涉图 样就根本不适用了。本干涉仪软件包解决了这个问题，能够自动确定干涉图象有效数据 区域。 其具体原理是：利用移相干涉技术得到多幅干涉图象。对干涉图象中的每一点进行 重叠差分，相加。所谓数据点的有效和无效，就是此数据是否是被测面形发生干涉后得 到的。因此如果是无效点，在移相过程中光强 不会发生变化，差分为零，而有效点在移相过 程中光强发生明显的变化，循环差分，取绝对 值相加后的差分将远远大于零，然后根据各点 差分值绘制出直方图，确定二值化闽们值，大 于阈值的为有效点，小于的就为无效点。其程 序框图如右图。 二统一波面 对干涉图进行有效数据自动识别以后，下 一步的工作就是进行波面复原，以前，对一般 的规则圆域干涉图样，我们采用行扫描方法进 行波面复原，但它对带孔球面( 卡塞格林系统 中的反射球面镜) 、量块等产射于内的不规则 ( 有遮拦、有突变等) 干涉图样就根本不适用 l 读取数据i 熏叠差分，取绝对值相加 士 f 求直方圈 i 直方图差分，确定二值化的阀值 上 图象平滑 图3 3 图象采样自动识别流程图 9 硕士学位论文数字波面十涉仪及其标准化研究 了。为了解决这些特殊情况下波面统一的问题，我们提出了一种适用于各种情况的算法， 叫“种子“算法。 它的基本原理是在所有的波面数据中找到一个理想数据点( 即“种子“点) ，以它为 基点，向它的四周八个点扩展，确定她们的级次，然后再以这八个点为基点，向它们的 四周扩展，如此循环，知道把所有的有效点的级次都确定出来，它就像流水一样，遇到 遮拦或突变就绕过去，所以又称流水算法。 三对奇点进行处理。 奇点恢复算法的基本原理是在波面统一前，确定奇点并予以消除。在波面统一后， 再进行奇点恢复。算法的具体步骤如下：第一步，对采用移相算法复原后的数据进行奇 点确定，根据是不满足位相跃变条件但相邻两点间明显不连续；第二步，在进行波面统 一后，根据就近原则对奇点进行恢复，综合得到整个波面的复原数据。 数据处理的流程如下图： 数据初始化 士 日种子算法进行波面统一 v i 确定基点 丫 移相算法求波碇位相 多 图3 4 基点处理流程图 归纳起来，软件包的功能主要有如下功能： 1 采集功能，含有干涉图的获取、对比调节、变倍调焦、干涉图有效区域的确定、 干涉图区长度的标定、干涉图的存取这些功能 2 参数设定，其中包括设定采样密度，自动识别边界 2 0 中军甲 硕士学位论文 数字被面十沙仪及其标准化研究 3 移相计算 4 显示结果 5 参数浏览 这些是干涉仪软件必须具有的功能，软件中自带的辅助功能有：角度的计算，激光 捧的测量，对奇点进行处理等，可以由用户自己选择使用。 3 3 干涉仪光学性能评价 干涉仪的质量问题直是干涉仪问题的核心。评干涉仪质量的技术指标主要有以下 三个方面：干涉仪的测量精度，干涉仪的范围，干涉仪的可信度。 在相同精度的条件下，干涉仪的测量范围越广，其功能越强。而干涉仪的可信度， 和仪器的标准化程度息息相关。标准越严格，标准化程度越高，干涉仪的可靠性也就越 高。 干涉仪的测量精度是干涉仪性能指标的核心，直接决定着干涉仪的质量和竞争性。 目前国际上以干涉仪测试波面整个面形的峰谷值，均方根值为干涉仪精度的检定指标。 影响干涉仪测量精度的因素有：光学质量；重复性( 用p v 值度量) 和不确定度( 用r m s 值度量) 。 3 3 1 光学质量评价基准 移相式干涉仪需要以更高精度的平面或球面作为基准面，从而测得系统的光学质 量。我们在测试实验中，采用了如下的基准： 对于平面系统，可以液体平面作为测量的基准平面。由于地球的曲率半径影响，液 2 面凸起的矢高为 2 面r - ，其中r 为地球表面的曲率半径，取