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 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
数值孔径（NA）作为投影物镜的基本参数，决定了投影物镜的成像分辨率。在利用双光栅Ronchi剪切干涉仪测量投影物镜波像差时，NA也是实现波像差高精度检测的一项基本参数。提出了一种基于Ronchi剪切干涉像面光栅轴向离焦的投影物镜NA测量方法，理论推导了像面光栅离焦时空间光程差的数学表达式，通过测量轴向两个不同位置处的剪切波前并提取倾斜项系数，利用两个轴向位置的距离以及倾斜项系数的差值计算得到投影物镜NA值。在此基础上，开展了仿真分析和实验，以NA设计值为0.3的投影物镜为测量对象，实验测得NA为0.292，测量误差小于0.004。同时开展了几何光学测量方法的对比实验，进一步验证了所提方法的有效性。该方法利用波像差检测装置测得的剪切波前实现投影物镜NA的在线测量，不需要使用额外的装置或器件。
测量 数值孔径测量 投影物镜 Ronchi剪切干涉 剪切波前 光程差 中国激光
2023, 50(13): 1304006
光子学报
2022, 51(11): 1118001
1 广东理工职业学院 工程技术学院, 广州 510091
2 广东理工职业学院 教务处, 广州 510091
3 河北工程大学 数理科学与工程学院, 河北 邯郸 056038
为了解决数字全息显微术相位重建中的欠采样问题, 引用一种基于横向剪切干涉术的改进型最小二乘法相位展开算法, 并与基于离散余弦变换的原始最小二乘法算法以及质量图导向路径算法进行比较。采用欠采样高斯函数进行计算机模拟, 并进行了实验验证, 结果表明了横向剪切干涉术方法的有效性。上述改进型最小二乘法相位展开算法在解决包裹相位图中的欠采样问题更有效, 从而能够更精准地重建物体的相位信息。
信息光学 数字全息显微术 横向剪切干涉 欠采样 相位展开 information optics digital holography microscopy lateral shearing interferometry undersampling phase unwrapping
电子剪切散斑干涉是在电子散斑干涉基础上发展起来的一种测量位移导数的新方法, 尤其适合于无损检测实时测量。由于噪声干扰, 测量得到的相位差图有大量噪点需要滤波去除。滤波处理计算量大, 采用CPU计算需要很长时间完成。为缩短滤波时间, 实现实时滤波处理, 对四步相移法和Butterworth低通滤波、正余弦均值滤波和复数均值滤波算法, 利用GPU并行计算能力强和存储带宽高的特性, 开发了基于GPU加速计算的解相位差和滤波算法。对比基于CPU的解相位差和滤波计算, GPU加速计算将图像总体处理时间约1.9 s(i7 6500U)降低到了239~366 ms(GeForce 940MX)或86~116 ms(Quadro P3000), 且正余弦均值滤波和复数均值滤波算法均可以通过降低滤波次数缩短滤波时间, 从而保证在性能较弱的GPU上也能将计算时间压缩到0.2 s内, 满足实时图像处理的需求。
电子剪切散斑干涉, 图像处理, 滤波, GPU加速计算 electronic speckle pattern shearing interferometry image processing filtering GPU accelerated calculation
Author Affiliations
Abstract
1 Shenzhen Key Laboratory of Micro-Nano Photonic Information Technology, College of Electronic Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
2 International Collaborative Laboratory of 2D Materials for Optoelectronics Science and Technology, Engineering Technology Research Center for 2D Material Information Function Devices and Systems of Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
This paper presents a complete two-step phase-shifting (TSPS) spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction (SPIDER) to improve the reconstruction of ultrafast optical fields. Here, complete TSPS acts as a balanced detection that can not only remove the effect of the dc term of the interferogram, but also reduce measurement noises, and thereby improve the capability of SPIDER to measure the pulses with narrow spectra or complex spectral structures. Some prisms are chosen to replace some environment-sensitive optical components, especially reflective optics to improve operating stability and improve signal-to-noise ratio further. Our experiments show that the available shear can be decreased to 1.5% of the spectral width, which is only about $1/3$ compared with traditional SPIDER.
electric-field reconstruction shearing interferometry spectral phase ultrashort laser pulse High Power Laser Science and Engineering
2019, 7(1): 01000e13
浙江大学光电信息工程学系现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
提出了一种可用于四波横向剪切干涉波前检测的随机编码混合光栅。由期望得到的四波前衍射频谱出发，根据夫琅禾费衍射原理并结合光通量约束的随机编码方法得到了由振幅编码光栅和棋盘式相位光栅构成的随机编码混合光栅，与改进的哈特曼模板(MHM)相比，其衍射场中只有四个级次，更好地实现了四波横向剪切干涉。分析确定了入射光束口径、光栅栅距以及观察距离等系统参数。分别给出了随机编码混合光栅和MHM 的远场衍射光场分布及四波横向剪切干涉图，对比发现随机编码混合光栅的远场衍射光场中只有四个等光强的光斑存在，其四波横向剪切干涉图稳定，可以实现任意畸变的波前检测。
测量 随机编码混合光栅 夫琅禾费衍射 四波横向剪切干涉 中国激光
2015, 42(10): 1008006
1 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710032
由于相移式横向剪切干涉不需要标准参考波面，因此它可以缩小干涉腔长、甚至实现绝对的共光路干涉，从而最大程度上降低了空气扰动和振动的影响，但实验室设计的相移式横向剪切干涉测量装置中的分束棱镜、剪切平板和五棱镜的制造误差仍然造成了发生错位的两波面间产生非共光路误差。通过剪切干涉测量装置中调整误差和非共光路误差的对比分析，提出了非共光路误差的计算方法，并在测试结果中进行非共光路误差的补偿。实验结果发现补偿非共光路误差后的面形误差与ZYGO干涉仪的测量结果非常接近。
非共光路误差 横向剪切干涉 误差补偿 non-common path error lateral shearing interferometry error compensation
齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院, 黑龙江 齐齐哈尔 161006
单幅干涉条纹相位恢复算法中通过两次希尔伯特变换获得正弦分量和余弦分量，然后求出水平方向和垂直方向的相位斜率，再采用积分的方法对相位进行恢复，即可得到全场相位分布。然而，相位变化过快时得到的相位斜率不连续，此时就不能直接采用该方法进行相位恢复。针对这一弊端，将剪切干涉计量原理引入到相位恢复算法中，对包裹相位建立二维复光场，获得连续相位斜率的离散偏导，提出用三次积分法即可恢复原始相位。实验验证该方法不仅能够有效地解决相位变换过快和相位截断的影响，而且能较精确地恢复原始相位。
测量 相位恢复 希尔伯特变换 剪切干涉 中国激光
2015, 42(12): 1208003
西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 西安 710032
为了使相移式横向剪切干涉法能够广泛应用于大口径非球面的在线检测, 通过计算机仿真研究横向剪切干涉测量的非球面面形, 实现其二维波面的重建.分别对仿真中获得的被测非球面在x方向和y方向的两个差分波前中剪切量大小和采样点个数的选取进行分析, 利用最小二乘法求取波差值, 采用Zernike 多项式拟合法进行波前重建, 在保证高准确度测量情况下, 对一被测抛物面面形进行计算机仿真实验, 结果表明: 最适合的剪切量是其被测口径的十分之一大小, 此时只需要对其选取49个离散数据采样点, 采用泽尼克多项式拟合就可得到二维波面的形貌.该结论为相移式横向剪切干涉的二维波前重建提供了理论指导, 同时, 也为大口径非球面在线测量的实际应用提供了技术支撑.
光学检测 横向剪切干涉 最小二乘法 Zernike拟合 剪切量 大口径抛物面 仿真实验 Optical measurement Lateral shearing interferometry Least square method Zernike fitting Shearing displacement Oarge parabolic mirror Simulation experiment
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
Ronchi剪切干涉采用扩展光源调制光场空间相干性，具有干涉仪结构简单、共光路、零条纹检测等优点，适合用于光刻机投影物镜波像差原位检测。基于Ronchi剪切干涉的投影物镜波像差检测技术及系统，根据光栅衍射和空间相干性理论推导了Ronchi剪切干涉场的表达式。针对Ronchi剪切干涉仪多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响，提出了一种十步相移算法，有效地消除±9 级以内多级衍射的影响，理论上相位提取误差峰谷(PV)值为0.0046 λ ，均方根(RMS)值为0.0019 λ ，实验数据验证了理论推导的正确性和相位提取算法的有效性。
测量 Ronchi剪切干涉 相位提取 波像差检测 光刻投影物镜
