红外与激光工程
2023, 52(2): 20220593
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
针对目前尚无高精度通用倍率测量方法与装置的问题,提出了基于双光纤点衍射干涉仪的成像系统倍率高精度测量方法。通过分析双点光源间距、CCD相机空间位置与点衍射干涉场相位Zernike多项式系数之间的定量关系,得到物面光纤间距和像面光纤像点间距的纳米级精度测量值,进而完成对倍率的高精度测量。分别进行仿真分析和实验验证,证明了所提测量方法的可行性和稳定性。结果表明,倍率测量的扩展不确定度为2.64×10
-6。所提出的成像系统倍率高精度测量方法具有测量精度高和测量效率高的特点,且具备高可靠性,可以用于显微物镜、光刻投影物镜等高精度成像系统倍率的超高精度测量。
测量 倍率 Zernike多项式 点衍射干涉法
南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094
为瞬态测量近红外激光波前，提出了一种斜入射结构的反射式错位点衍射干涉仪方案。将点衍射干涉仪集成在镀有特殊膜系的平板基片上，相干光波分别在平板前后表面反射产生错位，从而在传统点衍射干涉图中引入空间线性载频。采用傅里叶变换的方法处理单幅干涉图恢复待测波前，实现了近红外波前的自动化检测。实验测量了F/10、工作波长为1 313 nm 的近红外激光波前，测量结果与Hartmann 波前传感器一致。研究了用于针孔快速对准的成像对准技术。因此，采用该方案能够实现近红外波前的瞬态测量。
光学测量 点衍射干涉仪 波前检测 瞬态 空间线性载频 optical measurement point diffraction interferometry wavefront measurement transient linear spatial carrier frequency
1 中国计量学院计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
2 桂林电子科技大学广西自动检测技术与仪器重点实验室, 广西 桂林 541004
3 桂林电子科技大学广西高校光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
为了解决目前点衍射绝对位移测量系统中位移重构算法存在的收敛率低问题，并针对实际测量中时效性和高精度要求，提出了基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法。点衍射干涉绝对位移测量系统根据点衍射干涉场相位差的分布重构出点衍射探头的三维绝对位移。所提出的快速搜索粒子群算法针对测量中大量像素点数据的高效处理需要，在三维绝对位移迭代重构过程中采取非线性增加样本点数量的搜索方法，进而在保证测量精度的同时极大提高了测量效率。分别进行了仿真分析、测量实验以及三坐标机测量比对以检验所提出测量方法的可行性与稳定性。结果表明，该方法可实现三维绝对位移的快速检测，其收敛率可达90%，且在200 mm×200 mm×300 mm 的测量区域中达到优于微米量级测量精度。所提出的三维绝对位移测量方法具有较高的测量效率和精度，且具备高抗噪能力和可靠性，对其在微加工技术和高精度测量中的应用具有重要意义。
测量 绝对位移 点衍射干涉 快速搜索粒子群算法
1 中国计量学院计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
2 桂林电子科技大学,广西自动检测技术与仪器重点实验室, 广西 桂林 541004
3 广西高校光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
利用亚波长孔径光纤点衍射可同时得到大数值孔径和高亮度的点衍射球面波前,进而解决了针孔点衍射和单模光纤点衍射中分别存在的点衍射波前能量微弱和最大孔径角小的不足.基于矢量衍射理论的时域有限差分(FDTD)方法对点衍射球面波前质量进行仿真分析,研究了亚波长孔径光纤的孔径、锥角、镀膜厚度、数值孔径范围等因素对点衍射波前误差、最大孔径角、能量透射率和强度分布均匀性的影响.仿真结果表明,当亚波长光纤孔径为0.5 μm,点衍射波前最大孔径角超过90°,能量透射率大于29%,对应数值孔径为0.60 的点衍射波前误差均方根(RMS)值优于0.0011λ.仿真结果验证了用亚波长孔径光纤点衍射实现大数值孔径和高亮度的点衍射球面波前的可行性,并为实际系统中亚波长孔径光纤的相关参数的选择提供了精确的数值依据.
测量 点衍射 亚波长孔径光纤 波前质量 时域有限差分
南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
提出了一种基于光栅点衍射干涉原理的Φ400 mm瞬态波前检测方法。该方法使用位相光栅在参考光与测试光中引入横向错位, 即在干涉图中引入线性载频, 然后利用傅里叶变换相位解调法提取待测波前。基于标量衍射理论以及傅里叶光学理论建立了瞬态波前检测方案的理论模型, 推导了线性载频公式, 研究了影响载频大小的因素; 基于基尔霍夫公式分析了针孔衍射导致的孔径角变化与能量衰减效应, 给出了位相光栅的刻蚀深度公式。实验搭建了Φ400 mm瞬态波前检测装置, 采集了对比度良好的高线性载频干涉图。采用傅里叶变换相位解调法恢复波面, 所得波面RMS值为0.105λ。与采用SID-4波前探测器测得的波面RMS值( 0.101λ)基本一致, 满足了Φ400 mm瞬态波前测量的要求。
光学测量 波前检测 瞬态波前 光栅点衍射干涉术 线性载频 optical testing wavefront evaluation instantaneous wavefront grating point diffraction interferometry linear carrier
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
为测量光学系统出射波前以及动态波前，提出一种基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术。在传统点衍射干涉仪中调整点衍射板轴向离焦量引入圆载频，通过二阶极坐标变换可以将圆载频干涉图转换为具有准线性载频特征的干涉图，从而在频域中将连续频谱转换为准离散谱，采用傅里叶变换法即可提取相位。仿真波面为利用36 项Zernike 多项式随机生成，在离焦17λ条件下相位恢复误差的均方根值为0.002λ。实验测量了F/10 标准镜头岀射波面，测量结果与SID-4波前探测器一致；实验还实现了有机玻璃材料吸收特性的动态检测。因此采用该技术能够实现光学系统的检测以及动态波面实时测量。
测量 光学测量 点衍射干涉术 圆载频 相位解调
1 中国计量学院计量测量工程学院, 浙江 杭州 310018
2 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
针对现有点衍射三维坐标测量系统中的坐标高精度解调问题，提出了一种基于Levenbery-Marquardt (L-M)算法的点衍射干涉测量方法。基于L-M算法的点衍射测量技术是以点衍射干涉理论为基础，在实现干涉场相位分布信息解调的基础上运用基于L-M算法的二重迭代算法重构出点衍射源的三维坐标。为验证所提出测量方法的可行性，同时进行了计算机仿真和测量实验，并与三坐标测量机的测量结果进行了对比。结果表明：该测量方法可在xyz三维方向上100 mm×100 mm×300 mm空间范围内实现优于微米量级的测量精度。该测量方法具有不依赖算法迭代初值、测量精度高、运算速度快、抗噪声能力强等诸多优点，在三维坐标测量及测量系统的校准中具有较好的实用性。
测量 三维坐标 点衍射干涉技术 Levenbery-Marquardt算法 二重迭代
浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室， 杭州 310027
采用时域有限差分方法，在分析点衍射波前误差的前提下，讨论了点衍射干涉系统中物镜数值孔径、针孔尺寸、检测的数值孔径对衍射光强的影响；逐步优化光学结构参数，得到不同光学结构参数之间的匹配数值表；通过比较点衍射干涉系统和Zygo干涉仪对球面镜的测量结果，得到测量面形误差的均方根之差为波长的1/1000，且获得的干涉条纹具有合适的对比度和亮度，验证了光学结构参数选择的合理性。
点衍射干涉检测 时域有限差分方法 衍射波前误差 衍射光强 光强均匀度 point diffraction interferometry testing finite difference time domain (FDTD) method diffracted wavefront error diffracted intensity intensity uniformity 强激光与粒子束
2014, 26(5): 051001
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室， 浙江 杭州 310027
小孔的直径影响小孔衍射波前的误差，进而会影响点衍射干涉(PDI)检测的精度。基于矢量衍射理论中的时域有限差分(FDTD)方法，精确分析了可见光情况下衍射小孔直径接近以及小于入射光波长时所对应的衍射波前相对于标准球面波的偏离误差。数值仿真结果表明，当小孔的直径为400 nm时，所对应的数值孔径为0.65的衍射波前的误差峰谷值小于1 nm，而误差均方根值小于0.35 nm。随着小孔尺寸的减小，其衍射波前的误差进一步减小。仿真结果原理上验证了小孔点衍射干涉方法用于实现大数值孔径球面的高精度检测的可行性，并为实际检测中点衍射小孔尺寸的选择提供了精确的数值依据。
光学测量 点衍射干涉检测 时域有限差分法 波前误差 矢量衍射
