短相干菲索型动态干涉仪的关键技术研究

doi:7C6813BD7B123D2734F01075B6612B07

	短相干菲索型动态干涉仪的关键技术研究
	樊孝贺
学位类型	博士
导师	艾华
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	短相干菲索型动态干涉仪条纹图配准相位解包裹误差补偿
摘要	干涉仪作为一种非接触、灵敏度高、精度高的检测设备,能够快速、有效地获得光学元件面型信息,是检验光学元件最准确、有效的工具之一。传统干涉仪采用高精度窄线宽的HeNe激光器作为光源以及机械相移的方法进行干涉测量,需要对环境严格控制才能获得高精度的测试结果。为了能够在复杂环境条件下对光学系统或光学元件进行高精度测量,采用成本可控的动态干涉测量系统成为工程应用上的可选方案。本文以短相干菲索型动态干涉仪为研究对象,对空间同步移相方法、短相干光源、多路干涉条纹图的配准技术、干涉面型重构算法、干涉系统误差补偿方法进行深入研究,搭建了短相干斐索型动态干涉仪系统进行测试,总体可以获得比较理想的测试精度,为动态干涉测量提供了一种可行性方案。研究了基于圆偏振光干涉的空间同步移相方法,分析两束旋向相反且有固定相位差的圆偏振光的移相原理,设计了由QWP、NPBS和两个PBS组成的空间同步移相器,能够同步采集四幅相位依次相差90°的干涉条纹图,配备了4个2048×2048高分辨率CCD相机,实现图像的高分辨率动态采集,并且系统整体结构采用共光路的斐索型结构,因此具有很强的抗振和抗环境扰动能力。对半导体激光器的纵模特性进行研究,使用半高全宽法测得光源相干长度为0.504mm,移动高精密导轨测得光源的相干长度为0.514mm,在CCD接收的多路光束中,能够实现仅测试光与参考光的光程差小于相干长度,相干叠加产生干涉条纹,所使用短相干光源的相干长度满足系统使用要求。为了获得高对比度条纹图,使用Michelsion法和均方根法对不同工作电流下的图像对比度进行计算,工作电流为43mA时,图像对比度最高。研究了多路干涉条纹图的配准技术,首先利用长焦距显微镜头和十字叉丝特征图像完成多个CCD相机的硬件配准,消除其在沿Z轴平移、绕X轴旋转和绕Y轴旋转方向上的误差,然后利用软件配准方法计算CCD采集多个十字叉丝特征图像的相对位置并校正,实现图像在沿X轴平移、沿Y轴平移和绕Z轴旋转方向上的一致性,本方法可以实现多幅干涉条纹图的像素级配准。对干涉面型重构算法进行研究,为了解决光学元件性能和CCD感光特性差异引起的干涉条纹图灰度值不一致,基于非有效区域背景光灰度值差异对图像进行归一化处理,使用奇异点抑制效果较好的离散余弦变换最小二乘法对相位进行解包裹,所得解包裹相位连续,使用泽尼克多项式拟合相位曲面,为了消除解包裹相位中的离焦、倾斜量,将泽尼克多项式前四项系数置零,完成被测镜面型重构。针对测量结果误差较大的问题,通过理论分析和仿真实验,对分光部分光学元件的误差进行分析,提出了一种面阵误差补偿方法,并搭建误差补偿实验平台。补偿后系统测量精度提高,测量结果与ZYGO GPI XP/D干涉仪测量结果接近,验证了本文中误差补偿方法的有效性。经50次测量和计算,本系统的PV值重复性为2.66nm,RMS值重复性为0.48nm,验证本系统优越的测量重复性。该动态干涉测量系统能够在环境条件难以控制的条件下进行测试应用,并可以进一步小型化为便携式测试仪器。
页数	144
DOI	7C6813BD7B123D2734F01075B6612B07
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63863
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	樊孝贺. 短相干菲索型动态干涉仪的关键技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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短相干菲索型动态干涉仪的关键技术研究.c（4313KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文