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1、动态干涉测量技术动态干涉测量技术 南京理工大学南京理工大学 陈磊陈磊 2014年年12月月30日日 参考文献参考文献 D. Malacara. Optical Shop Testing.3rd Ed.,John Wiley & Sons,Inc,2007 J.C.Wyant. Optics 513 - Optical Testing and Testing Instrumentation. 钱克矛钱克矛.光学干涉计量中的位相测量方法研究光学干涉计量中的位相测量方法研究. 中国科技中国科技 大学博士学位论文，大学博士学位论文，2000.07 徐晨徐晨.动态干涉测试技术与应用研究动态干涉测试技术与
2、应用研究.南京理工大学博士南京理工大学博士 学位论文，学位论文，2009.12 J.H.Burge. Fabrication and testing of large free-form surfaces. University of Arizona 主要内容主要内容 概述 高速采集，单幅干涉图处理 时域处理 自适应主动抗震干涉仪 软件补偿技术 空域处理 动态移相干涉仪 概述概述 移相干涉仪移相干涉仪 对环境要求严格的一些测试项目对环境要求严格的一些测试项目 环境对干涉测量的影响环境对干涉测量的影响 气流的影响气流的影响 空气折射率分布的影响空气折射率分布的影响 震动的影响震动的影响 抑制环境
3、干扰的措施抑制环境干扰的措施 干涉图强度分布干涉图强度分布 )(),(cos),(),(),(tyxyxIyxItyxIadId(x，y) - 干涉场的背景光强分布干涉场的背景光强分布 Ia(x，y) - 干涉条纹调制度干涉条纹调制度 (x，y) - 被测波面的相位分布被测波面的相位分布 (t) - 参考波面的相位参考波面的相位 iadiIIIcos对于干涉图中任意一点对于干涉图中任意一点 移相干涉术移相干涉术 I0 = a+ bcos( ) = a+ bcos I1 = a+ bcos( + /2) = a - bsin I2 = a+ bcos( + ) = a - bcos I3 = a
4、+ bcos( +3 /2) = a+ bsin 2013atanIIII移相器严格步进移相器严格步进/2，对环境要求严格对环境要求严格 实际应用所提出的问题实际应用所提出的问题 薄型镜面的检验薄型镜面的检验 大镜面的检验大镜面的检验 Cleaning and handling the glass The finished glass membrane 甚大口径的望远镜镜面甚大口径的望远镜镜面 LBT 2 x 8.4m (2005) GMT 7 x 8.4m (2018) 长干涉腔长测量长干涉腔长测量 气流的影响气流的影响 空气梯度对干涉测量的影响空气梯度对干涉测量的影响 干涉腔有空气折射率温
5、度梯度分布时的波面测试结果干涉腔有空气折射率温度梯度分布时的波面测试结果 干涉腔空气折射率均匀分布时的波面测试结果干涉腔空气折射率均匀分布时的波面测试结果 震动严重时的测试结果震动严重时的测试结果 震动较小时震动较小时 的波面图的波面图 震动严重时震动严重时 的波面图的波面图 没有震动时没有震动时 的波面图的波面图 隔震平台最常用的方法隔震平台最常用的方法 CXM100CXM100移相式干涉仪移相式干涉仪 南京理工大学制造南京理工大学制造 大型光学平台大型光学平台 大口径光学元件的测量塔大口径光学元件的测量塔 法国法国 SAGEM-REOSC，塔高，塔高30m, P5030，配，配 EFL12
6、0 镜头，检测半镜头，检测半 径径80m的子镜的子镜 Test tower at Steward Observatory Mirror Lab Existing tower New tower New tower 28 meters tall, 80 tons of steel floated on 400 ton concrete pad accommodates other UA projects (LBT, LSST) lowest resonance of 4.8 Hz with 9 ton 3.75-m fold sphere + cell 封闭腔抑制气流影响封闭腔抑制气流影响 干涉
7、图高速采集法干涉图高速采集法 条纹法 FFT法 虚光栅莫尔条纹法 空间载频移相法 条纹追踪法条纹追踪法 手动给定起始条纹极值点手动给定起始条纹极值点 位置，然后由程序追踪。位置，然后由程序追踪。 条纹追踪的判据为：条纹追踪的判据为： (1) (1) 中心像素的邻域光强中心像素的邻域光强 之和最大（或最小）之和最大（或最小） (2) (2) 光强梯度最小（或最光强梯度最小（或最 大）大） 条纹细化法条纹细化法 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 原干涉图原干涉图 细化与修像细化与修像 标记标记 采样采样 滤波滤波 二值化二值化 采样线采样线 条纹法的优缺点条纹法的优缺点 FFTFFT法法
8、 yfxfiyxcyfxfiyxcyxayxiyxyx2exp),(*2exp),(),(),(FFT 频域滤波频域滤波 FFT-1 )exp(21),(ibyxc),(22cos(),(),(),(21yxyfxfyxbyxayxi优缺点优缺点 虚光栅莫尔条纹法虚光栅莫尔条纹法 空间载频干涉图空间载频干涉图 虚光栅莫尔图虚光栅莫尔图 带通滤波带通滤波 四幅位相相差四幅位相相差 90度的干涉图度的干涉图 位相展开位相展开 用移相法自动处理单幅干涉图用移相法自动处理单幅干涉图 用于瞬态测量用于瞬态测量 空间载频移相法空间载频移相法 2013tanIIIIaI0 = a+ bcos() = a+
9、bcos I1 = a+ bcos(+/2) = a - bsin I2 = a+ bcos(+) = a - bcos I3 = a+ bcos(+3/2) = a+ bsin I0 I1 I2 I3 x I 已经实用化，如：已经实用化，如：IntelliWave 主动抗震干涉技术主动抗震干涉技术 震动补偿的主要思想 光强-相位法 电光调制法 声光调制法 声光外差测震法 半导体激光器光反馈法 同步检波锁相干涉仪 震动补偿的思想震动补偿的思想 探测光程改变 反馈补偿信号，由PZT驱动参考反射镜补偿 Single Mode Laser BS Controller Pupil Image Plan
10、e Reference Mirror “Point” Phase Sensor PZT DRIVER Lens Vibration Vibration Signal Anti-Vibration Signal PZT (Limited bandwidth) 光强光强- -相位法主动抗震装置相位法主动抗震装置 吴栋移相干涉仪自适应抗振技术研究吴栋移相干涉仪自适应抗振技术研究 博士学位论文博士学位论文 ，南京：南京理工大学，南京：南京理工大学，20042004 偏振移相方案偏振移相方案 位相延迟器 检偏器 波片 机械式的补偿器，巴比涅机械式的补偿器，巴比涅-索列尔补偿器索列尔补偿器 电光晶体补偿器
11、电光晶体补偿器 液晶调相液晶调相 电光晶体调制方案电光晶体调制方案 亚利桑那大学的方案亚利桑那大学的方案 EO 光程差光程差 Single Mode Laser EO Modulator PBS QWP Diverger Optics HWP P S Controller & Driver Pupil Image Plane Reference Mirror Test Mirror Point Phase Sensor Pol 偏振干涉仪偏振干涉仪 AVCS干涉仪干涉仪 AVCS-Active Vibration Compensated Stabilized J.Hayes. Active V
12、ibration Compensated Stabilized (AVCS) Interferometry 软件补偿算法软件补偿算法 滤波法滤波法 随机移相法随机移相法 VC（震动）补偿法（震动）补偿法 CSI（载频压缩）法（载频压缩）法 PTI（相位倾斜干涉）法（相位倾斜干涉）法 通过滤波消除震动影响通过滤波消除震动影响 有震源有震源 数据处理数据处理 环境震动的影响环境震动的影响 波面波动的频率是条纹频率的两倍，波面波动的频率是条纹频率的两倍， 移相器有移相误差时，现象相同。移相器有移相误差时，现象相同。 随机移相算法计算实例随机移相算法计算实例 4帧移相干涉图中，任意帧移相干涉图中，任意
13、2帧帧 之间移相量未知，不能用任之间移相量未知，不能用任 何传统移相算法求解。何传统移相算法求解。 使用随机移相算法，得到各使用随机移相算法，得到各 帧之间的相对移相量为：帧之间的相对移相量为： 54.2 70.9 80.8 I1 I2 I3 I4 解调波面： 以一种较为实用的随机移相算法以一种较为实用的随机移相算法Kong-Wang迭代法为基础迭代法为基础 振动补偿算法振动补偿算法(Vibration Compensation) Leslie. L. Deck. Applied Optics, 48(20), 2009. 对干涉图上所有的有效对干涉图上所有的有效 点，以其估计相位点，以其估计
14、相位 (x)(x)为为 横坐标，其光强横坐标，其光强I(x)I(x)为纵坐为纵坐 标，建立曲线（多值函数）。标，建立曲线（多值函数）。 如果如果 中不含振动误差，中不含振动误差， 则曲线为理想正弦曲线，反则曲线为理想正弦曲线，反 之则为畸变的正弦曲线。之则为畸变的正弦曲线。 3301exp( )exp (21) ( )exp(21) ( ) /(21)kk kkixgikxgikxk通过对误差相位通过对误差相位 的奇次谐波分量进行修正，可得到不含振动误差的相位的奇次谐波分量进行修正，可得到不含振动误差的相位 。 其中修正系数其中修正系数gkgk由“相位误差图”的频谱分析求出。由“相位误差图”的
15、频谱分析求出。 相位误差图相位误差图 振动补偿算法实例振动补偿算法实例 移相干涉图的一帧移相干涉图的一帧 四步法相位计算结果四步法相位计算结果 VCVC算法修正后的结果算法修正后的结果 算法的优点：算法的优点： 干涉图有效孔径可以是任意形状的。干涉图有效孔径可以是任意形状的。 干涉图中只需要多于一根条纹即可进行运算。干涉图中只需要多于一根条纹即可进行运算。 算法的缺点：算法的缺点： 干涉图中的背景、对比度不均匀影响计算结果。干涉图中的背景、对比度不均匀影响计算结果。 振动引起的移相误差只能是单一频率的谐波形式。振动引起的移相误差只能是单一频率的谐波形式。 Example of VC measurement of flat ZYGO动态干涉仪动态干涉仪DynaFiz 关键特征关键特征: : 在空气湍流和极端振动的环境下进行动态测量。 优化的光学系
