移相干涉测量术及其应用.doc

移相干涉测量术及其应用2OO6,27(2)应用光学JournalofAppliedOptics文章编号:10022082(2006)02008504移相干涉测量术及其应用朱日宏,陈磊,王(南京理工大学电子工程与光青,高志山,何勇电技术学院,南京210094)摘要:为了对移相式数-5-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-5-波面干涉仪,阐述移相干涉术的四,5-重叠平均算法,压电晶体移相器(PZT)的结构,3PZT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.关键词:移相干涉术;光学测量;干涉仪中图分类号:0436.1文献标志码:APhaseshiftinterferometryanditsapplicationZHURihong.CHENLei,WANGQing,GAOZhishan,HEYong(NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)Abstract:Inordertocomprehendtheapplicationofthephaseshiftdigitalinterferometryinmeasurementofoptica1components,thebasicprincipleofthephaseshiftinterferometry(PSI)isintroduced.Theoverlappingaveraging4-framealgorithm,theconfigurationofpiezoelectrictransducer(PZT),thecombinationmethodforthreePZTs,thecorrectionmethodforcalibrationerrorandnonlinearerrorofphaseshifter,thewavesurfacephaseunwrappingadaptiveaIgorithm,andevaluatingspecificationofwavesurfacephasearedescribed.Theapplicationofthemodernopticalinterferometryinthemeasurementofcommonopticalelements,IRopticalelements,largeapertureopticalelementsandasphericopticalcomponentsisintroducedaccordingtothedigitalphaseshiftwavesurfaceinterferometer?ItlSclearlyDointedoutthatthedevelopingtrendoftheopticalinterferometrymovestowardshighphaseresolution,highspatialresolution,widewaverangeandhighspeedtransientmeasurement,anditwillfindeverincreasingapplicationsinthetransientwavefrontmeasurement,microtructdynamicanalysisformicromechanicsandSOon.Kevw0rds:phase-shiftinterferometry;opticalmeasurement;interferometer收稿日期:20060206;修回日期:20060209作者简介:朱日宏(1964一),男,江苏大丰人,南京理工大学教授,博士生导师,主要从事光学测量,光学图像处理和光电检测方面的研究.Email:zhurihongvip.sina.corn?86?应用光学2006,27(2)朱日宏,等:移相干涉测量术及其应用引言随着激光技术,光电探测技术,计算机技术,图像处理技术和精密机械等技术的发展,近代光干涉测量技术已得到长足发展.激光技术的发展,解决了干涉的光源问题,从紫外到红外的不同波段都有相应的激光光源,可研制出适应不同波段测量的干涉仪.光电探测技术的发展,提高了干涉仪测量的空间分辩率和相位分辩率,为干涉仪的数字化提供了手段.自从Buring等人1974年提出移相干涉术PSI(PhaseShiftingInterferometry)以来,从干涉图中高精度提取相位信息已成为可能.在传统干涉仪上,引入移相干涉技术,把传统光机型的目视干涉仪,改造成数字自动化的测量仪,大大提高了干涉仪的测量精度,扩展了干涉仪的测量功能,为光学元件的高精度加工提供了有效的测量装置.下面结合我们的研究工作,对移相式数字干涉仪研制的关键技术和移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用进行介绍.l移相干涉技术近代光干涉测量技术与传统的光干涉测量技术的本质区别在于对干涉图的识别方法.干涉仪在对光学元件进行测量时,其误差包含在干涉图中,传统的光机型干涉仪只能得到干涉图的照片,工作人员必须根据自己的经验来估读,现在有很多工厂仍然采用这种方法,其缺点是人为因素大,不适合高精加工的测量要求,最有经验的技术员也只能估到0.2个光圈.近代干涉测量方法,利用阵列探测器可采集到数字化的干涉图,通过不同的波面求解算法准确计算出干涉图中所包含的波面信息,排除了人为的因素,测量精度可达到1/50波长.同时,通过数字波面还可计算各种像差和波面评价指标.在近代光干涉技术中的波面求解算法很多,有空间载频外差干涉术,条纹扫描法,外差干涉术,移相干涉术等.移相干涉术是使用最普遍稳定性最好的方法.下面对移相干涉术的基本原理和关键技术进行介绍.1.1移相干涉术的基本原理常用的斐索型及泰曼型干涉仪,都是以标准波面为参考面的双光双束干涉仪,其干涉的光强分布都可表示为(z,v)一a(z,v)+b(z,y)cos(z,v)+)(一1,2,N)(1)式中,(z,)为被测波面的相位分布函数;日(z,)为干涉条纹的背景光强;b(z,)为干涉条纹的调制度;僻为参考波面可变相位.从(1)式可见,当取为0,时,由下式可直接计算出(z,)(z,)一arctan14-12(2)上式即为着名的四步法.1.2移相干涉术各种算法移相干涉术的精要就是通过移相得到多幅干涉图,由多幅干涉图可直接求解相位分布.从(2)式可见,四步法要求4幅干涉的相位差为,但是目前的所有移相器都存在移相误差,即非线性和标定误差.为了解决移相器误差的影响,几十年来对移相器误差不敏感的算法一直在研究之中.四步平均法,Carre法,五步法等等分别被先后提出,对移相器误差都有一定的抑制作用.我们在研究移相干涉术的过程中,提出了重叠平均法4.在我们研制的数字波面干涉仪中已编制成实用化的软件进行了应用.1.3移相器移相干涉术的移相是要通过移相器来实现的.移相的方法有很多种,现在还在不断地发展.偏振法,波长移相法和压电晶体移相法是目前国际上的通用方法.其中,压电晶体移相法是最通用的移相方法.它是利用压电晶体的逆压电效应,通过控制压电晶体上的电压来控制压电晶体的位移,其精度达到0.01m,完全满足了移相的精度要求.要用压电晶体制成移相器应解决2个方面的问题:第一是适应其高精度,高灵敏度的精密机械结构,第二是用于测量与校正高精度位移的算法.我们在多年的压电晶体移相器的研究中发明了弹性变形式移相器,并利用此技术组合了大载荷高灵敏度的移相器.图1所示为移相器的单元结构,图2为组合式移相器结构.图1压电晶体移相器的单元结构Fig.1Singleconfigurationofpiezoelectriccrystalphaseshifter应用光学2006,27(2)朱日宏,等:移相干涉测量术及其应用?87?图2组合式移相器的结构Fig.2C0nfigurati0nofcombinedphaseshifter移相步长的大小和位移的非线性校正是移相器在移相干涉仪中的关键技术,如何实时准确测量和校正移相的位移,是保证移相干涉正常工作的基础.我们在多年研制移相干涉仪的实践中总结出了利用空间载频外差法校正移相的方法J,并已编制成实用化的软件在我们研制的干涉仪中应用.2数字波面干涉技术的其它关键技术2.1相位解包算法由于干涉条纹的周期性,干涉图分析的各种算法只能求出未解包的相位分布,相位解包算法是数字波面计算研究的热点问题.从(2)式得到的只是波面主值分布,在一兀,+兀之间,要得到实际的相位分布,必须进行相位解包.由于实际干涉图的噪声和区域的不确定性使得相位解包变得复杂起来,所以我们采用由我们自己提出的自适应种子算法_7解决这一问题.自适应种子算法能够根据相位分布的特点,自行寻找有效的种子,对连通区域进行相位解包,同时还能够避开噪声点的干扰.此方法已在我们研制的数字波面干涉仪中应用.2.2绝对检验方法在数字波面干涉仪中,干涉仪精度的标定是至关重要的,对于通用的平面和球面数字干涉仪,主要是标定参考平面和参考球面.对于参考平面的标定,一般可通过厂家提供的标准平面来校正.但是,对于平面干涉仪,标准平面又如何标定呢?对于立式的平面干涉仪,国际通用的方法是通过液面来校准;对于卧式平面干涉,用三面互检的方法来校准.我们的数字干涉仪用平面的三面互检方法来校准.数字球面干涉仪用球面绝对检验方法来校准,我们的干涉仪也有相应的软件.2.3波面参数计算方法数字波面干涉仪可通过分析干涉图而获得数字波前分布,并可据此分析出光学元件的误差参数.对于光学元件和光学系统,可分析出反映元件面形质量的PV值和RMS值.通过Zernike多项式拟合,可分析出系统的各种像差的分量.通过对波面的计算,可求出调制传递函数(MTF),功率谱密度(PSD),点列图,点扩散函数和梯度均方根值(GRMS)等参数.3移相干涉技术的应用近十几年来,数字波面干涉仪已成为现代光学加工与研究的主要测量设备.国外成熟的数字波面干涉仪较多,在市场上所占份额最大的是美国Zygo公司的干涉仪,其分析软件功能齐全,测量精度得到国际的认可.从2O世纪8O年代开始,国内研制数字波面干涉仪的单位有浙江大学和南京理工大学.南京理工大学的数字波面干涉仪在国内已形成成熟的产品,有球面和平面2种形式,测量波长从可见光到红外.下面重点介绍数字波面干涉仪的应用.3.1普通光学元件的测量数字波面干涉仪的基本功能为测量平面和球面光学元件.测量平面光学元件时,标准参考面为平面.为了减少测量时温度对测量结果的影响,参考平面一般用石英材料.数字波面干涉仪在口径小于250mm的范围内测量的PV值不确定度可达/20(一0.6328m),均方根值可达Z/300.如果采用数字校正方法,把系统的误差存在计算机中,并且保证测量的条件时,测量平面的PV值不确定度可达/5O,均方根值可达/1000.另外利用干涉仪平面测量的功能,在分析软件的配合下,还可测量平晶的夹角,直角棱镜的角度偏差,锥体棱镜的二面角偏差和综合误差,材料的折射率均匀性参数,角度偏差的测量精度可达0.5.测量球面面形时,标准参考镜为球面标准镜头.球面标准镜头采用齐明透镜的光学结构,如图3所示.其最后一个球面的中心与系统的焦点重合,确保最后一个面的出射光线与球面垂直,最后,一一厂/图3球面标准镜头的光学结构Fig.3Opticalc0nfigurati0nofstandardsphericallenses?88?应用光学2006,27(2)朱日宏,等:移相干涉测量术及其应用一个面即为标准球面,其材料一般用进口的石英晶体.球面面形的测量,要考虑不同的相对孔径,使之相匹配.对于口径为100mm,F数为F/0.75的大相对口径的标准透镜,加工与装配比较困难,我们采用精度达2/20PV值的计算机辅助装配技术(国内首次研制成功).3.2红外光学元件的测量红外光学元件和系统在军事,航天航空和民用上有广泛的应用,其工作域为红外波段,因而用普通的可见光干涉仪无法测量其质量.我们从1995年开始研制红外数字波面干涉仪,现已在国内国防科工委光学计量一级站使用.红外干涉仪可用于红外光学材料折射率均匀性Ig,红外光学系统质量,表面粗糙度,光盘基片和非球面毛坯的测量等等.3.3大口径光学元件的测量大口径光学元件一般指的是口径大于3Omm以上的光学元件.在干涉测量中,不仅要考虑干涉仪的精度,还要考虑光学元件自身的支撑和测量气流的影响.在天文光学系统中,大口径的球面元件为多,干涉仪的放置要求轻便易调,我们研制的便携式的数字波面干涉仪即为之所用.另外,为了减少干涉时气流和振动的影响,我们研究了主动抗振干涉技术Il,可用于大口径光学元件的测量.对于神光项目,大口径的平面元件为多,故测量时要求干涉仪口径大,并要考虑其环境和支撑.3.4非球面光学元件的测量非球面的测量一直是一个难题,我们采用标准补偿透镜组与计算全息图(CGH)相结合的方案来产生非球面的标准样板.图4所示为计算全息图的非球面调整示意图.计算全息放置在光路中来满标准球非球面图4计算全息图的非球面调整示意图Fig.4CGHadjustementinaspheretesting足不同形式的非球面的测量要求,在干涉仪中引入移相数字干涉技术,使非球面面形偏差的数据能高精度自动计算出来.4近代光干涉技术的展望随着光电技术的发展,光干涉技术正沿高相位分辨率,高空间分辨率,宽波段和瞬态高速测量的方向发展.近年来发展起来的同步移相干涉术,波长调制移相干涉技术,单幅干涉图分析技术,表面微观轮廓干涉技术等等,将会在瞬态波前测量,微机械(MEMS)的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用.5结论近代光干涉技术在光学加工测量方面发挥了重要的作用.国内的研究技术与国外相比较仍有较大的差距.为了使我国的光学加工测量技术不受制于人,开展近代光干涉技术的研究是非常重要的,特别是大口径干涉仪的研究,一定要利用国内成熟的技术,研制具有自主知识产权的数字波面干涉仪,确保我国大口径高质量光学系统的研制.参考文献:1BRUNNINGJH.Digitalwavefrontmeasuringinterferometerfortestsingopticalsurfacesandleses-J.AppliedOpti