近代光学测试技术- 动态干涉测试技术
2016-10-28 动态干涉测试技术
I3
I4
以一种较为实用的随机移相算法Kong-Wang迭代法为基础
振动补偿算法(Vibration Compensation)
相位误差图
对干涉图上所有的有效 点，以其估计相位φ'(x)为 横坐标，其光强I(x)为纵坐 标，建立曲线（多值函数）。 如果φ′中不含振动误差， 则曲线为理想正弦曲线，反 之则为畸变的正弦曲线。
震动较小时 的波面图
震动严重时 的波面图
隔震平台－最常用的方法
CXM100移相式干涉仪 南京理工大学制造
5
2016.11.02
大型光学平台
一体化的干涉仪
白光干涉显微镜
立式激光干涉仪
干涉仪的简单防震措施
Optical Shop Testing， 3rd Ed. P77 被测波前旋转180°，所有反对 称项抵消，包括震动引入的倾 斜、偏转。 对称项保留
I i I d I a cos i
移相干涉术
I0 = a+ bcos() = a+ bcos I1 = a+ bcos( +/2) = a - bsin I2 = a+ bcos( +) = a - bcos I3 = a+ bcos( +3/2) = a+ bsin
P
HWP
Test Mirror
偏振干涉仪
Controller & Driver
Point Phase Sensor
EO 光程差
11
2016.11.02
AVቤተ መጻሕፍቲ ባይዱS干涉仪
AVCS-Active Vibration Compensated Stabilized
光学实验中的干涉与衍射技术详解
光学实验中的干涉与衍射技术详解光学实验是物理学中重要的一部分，干涉与衍射技术作为其中的重要内容，在科研和实践中发挥着重要作用。
本文将详解光学实验中的干涉与衍射技术，旨在帮助读者深入理解其原理与应用。
干涉是光学实验中常见的现象，它是指两个或多个光波在空间中相遇所产生的波动现象。
干涉现象的产生源于光波的性质，当两束光波相遇时，它们会叠加形成新的波动模式。
干涉实验常用的装置有杨氏双缝装置和麦克斯韦干涉仪等。
在干涉实验中，干涉条纹是观察干涉现象的主要依据。
干涉条纹的形成是由光波的相位差决定的。
相位差是指波的起始位置的相对差异，它可以通过光程差来表示。
光程差是指从光源到观察点所经过的光路的长度差，它直接影响到干涉条纹的明暗程度和位置。
当两束光的相位差为奇数倍的半波长时，它们将相互抵消，产生暗条纹；当相位差为偶数倍的半波长时，它们将相互加强，产生亮条纹。
干涉实验还可以用来测量波长和光度等物理量。
例如，在杨氏双缝实验中，根据光程差和光波频率的关系，可以通过测量干涉条纹的间距来计算出光波的波长。
这种基于干涉的测量方法在科研和工程中有着广泛的应用，如测量微小位移、材料的折射率和厚度等。
衍射现象是光学实验中另一重要的现象，它是指光波遇到障碍物或孔径时发生的波动现象。
衍射现象的产生源于光波的波动性质，当光波通过一个孔径或物体边缘时，它将弯曲并向周围辐射。
常见的衍射实验装置有菲涅耳双圆孔干涉仪和多缝衍射实验装置。
衍射实验中，衍射图样是研究衍射现象的重要依据。
衍射图样的形状和大小与孔径或物体边缘的形状和大小有关。
例如，在菲涅耳双圆孔干涉仪中，当光波通过两个小圆孔时，会出现一系列明暗相间的衍射环。
这些衍射环的直径和亮度分布可以用来研究孔径的大小和光波的衍射特性。
衍射实验在科研和应用中有着广泛的用途。
其中，衍射成像是衍射技术的重要应用之一。
由于衍射的波动性质，当光波通过一个孔径时，它会弯曲和辐射，从而形成衍射图样。
这种衍射图样可以用来实现不同的成像效果，如狭缝成像、衍射光栅成像和霍洛图等。
光干涉检测技术
光干涉检测技术
光干涉检测技术是一种基于光的干涉原理进行测量和分析的技术，它可以用来测量物体的表面形貌、折射率、厚度、介电常数等参数。
光干涉检测技术具有高精度、高灵敏度、非接触等特点，因此在科学研究、工业生产和医疗诊断等领域得到了广泛应用。
光干涉检测技术的基本原理是，当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，它们的光程差会引起光强的变化，产生干涉现象。
干涉现象表现为光强的加强或减弱，取决于光程差是偶数倍还是奇数倍。
通过测量干涉条纹的移动和光强变化，可以计算出物体的形貌、折射率、厚度等参数。
在实际应用中，常见的光干涉检测技术包括干涉显微镜、干涉仪、激光干涉仪等。
这些技术可以用于测量表面粗糙度、晶格常数、薄膜厚度等参数，也可以用于研究光学现象和物理现象。
总之，光干涉检测技术是一种高精度、高灵敏度的光学测量技术，具有广泛的应用前景。
随着光学技术和计算机技术的不断发展，光干涉检测技术将会得到更广泛的应用和推广。
光学干涉：利用光波的干涉现象进行测量
光学干涉：利用光波的干涉现象进行测量光学干涉是一种利用光波的干涉现象进行测量的方法。
在这种方法中，通过观察光波的干涉条纹模式，可以得到待测物体的某些性质的信息。
在本文中，我将详细介绍光学干涉的原理、实验的准备和过程，以及该方法在科学研究和应用中的专业性角度。
光学干涉的原理可以通过两个关键定律来解释：菲涅尔原理和互补原理。
总结而言，这两个原理都指出光波在不同路径上的干涉会产生明暗相间的干涉条纹。
首先是菲涅尔原理，该原理说明了光波通过一个缝隙或其他纤细的区域时会发生衍射。
当光波通过两个或多个阵列的缝隙时，光波会在不同的路径上发生衍射，并在某些地方产生干涉、增强或减弱。
这样的干涉模式，即干涉条纹，可以通过观察和测量来获取物体的相关信息。
接下来是互补原理，该原理说明了两个不同光源的光波相互干涉时会产生明暗相间的条纹。
这种干涉是由于两个光源的波长不同，当它们在空间中重叠时，会发生相位差，从而形成干涉现象。
通过观察和测量这些干涉条纹，可以研究和测量光源的性质以及中间介质的光学特性。
在进行光学干涉实验之前，我们首先需要做一些准备工作。
这包括选择适当的光源、准备干涉装置、调整和校准实验装置等。
光源的选择是非常关键的，常见的光源有激光器和白光源。
对于一些特殊的应用，我们可以使用光谱辐射源来观察物体的光谱特性。
在实验中，光源经过干涉装置（如双缝装置或分束器）后，会形成干涉条纹。
观察和记录这些条纹的模式是实验的重要步骤。
对条纹模式的研究可以揭示出物体的尺寸、形状以及光学特性等方面的信息。
在实验中经常使用的一种方法是扫描干涉仪。
该仪器通过改变光路差来观察干涉条纹的变化。
通过记录不同条件下的条纹模式，可以计算出待测物体的相关参数。
例如，根据干涉条纹的宽度和间距，可以计算出物体的厚度和折射率，从而实现测量和分析物体的物理特性。
光学干涉在科学研究和应用领域具有广泛的应用。
在材料科学中，通过干涉条纹的形态和变化，可以研究材料的表面形态、薄膜的厚度以及材料的变形等信息。
第4章 光学干涉测量技术
武汉大学 电子信息学院
25
§4.1 干涉测量基础
（二）干涉条纹的处理方法 1、数字波面的获取 干涉仪检测光学元件面形，对获得的干涉图进行数字化转换，并 由计算机替代人眼进行判读，即为数字干涉法。在对模拟干涉图像进 行数字化转换后，需要提取干涉图上的条纹信息，即确定干涉条纹的 中心点坐标及干涉级次。一般处理过程需要如下几个步骤： (1)背景滤除：对原始图像进行预处理； (2)二值化：使干涉图变为二值化图像； (3)细化：保留条纹中心曲线，从而提取出条纹上点的坐标； (4)修像：去除细化图像中的干扰信息，修改间断点； (5)标记：对干涉条纹进行跟踪、标记不同条纹的干涉级次； (6)采样：用等间距采样现贯穿干涉图像区间，均匀设置采样点。 采样结束后即完成了对数字化干涉图像的图像处理过程，获得了 离散的、采样点基本均布的波面数据集合（x,y,p）。在经过后续的波 面拟合计算等可以得到波面数字分布。
光学测试技术
第四章 光学干涉测量技术
2013年5月26日
干涉技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。近年来，随 着数字图像处理技术的不断发展，使干涉测量这种以光波长作为 测量尺度和测量基准的技术得到更为广泛的应用。 在光学材料特性参数测试方面，用干涉法测量材料折射率精度 可达10-6；对材料光学均匀性的测量精度则可达10-7； 用干涉法可测量光学元件特征参数，用球面干涉仪测量球面曲 率半径精度达1μm，测量球面面形精度为1/100λ；用干涉法测量 平面面形精度为1/1000λ；用干涉法测量角度时测量精度可达 0.05″以上； 在光学薄膜厚度测试方面，用干涉法测厚的精度可达0.1nm； 在光学系统成像质量检验方面，利用干涉法可测定光学系统的 波像差，精度可达1/20λ，并可利用干涉图的数字化及后续处理 解算出成像系统的点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数以 及各种单色像差。
第四章 光学干涉测量技术(武大)
光学干涉测量技术的优 缺点
光学干涉测量技术的优点
高精度测量：干涉测量技术具有极高的精度，能够实现纳米级甚至更精确的测量。 宽测量范围：干涉测量技术可以测量大范围的距离和角度，具有较广的适用范围。
抗干扰能力强：干涉测量技术不易受到环境噪声和其他电磁干扰的影响，测量稳定性高。
实时性：干涉测量技术可以实现实时测量，能够快缺点
对光源相干性要求高 对环境振动和稳定性要求较高 测量精度受多种因素影响 设备成本较高，操作复杂
光学干涉测量技术的发展趋势
微型化：随着微纳加工技术的进步，光学干涉测量系统的尺寸不断缩小，提高了测量精度和便携性。 智能化：集成人工智能和机器学习算法，实现光学干涉测量系统的自动化和智能化，提高测量效率和准确性。 多光谱多模式：开发多光谱、多模式的光学干涉测量技术，拓展测量范围和应用领域，满足不同领域的需求。 实时化：提高光学干涉测量技术的实时性，实现动态测量和实时反馈，提高测量效率和可靠性。
光学干涉测量技术是一种利用光的干涉现象进行长度、表面形貌、折射率等物理量测量的技术。
单击此处添加标题
它利用了光的波动性质，通过将待测物理量转化为干涉图的变化，从而实现了高精度、高分辨 率的测量。
单击此处添加标题
光学干涉测量技术具有非接触、高精度、高分辨率、高灵敏度等优点，因此在科学研究、工业 检测、医疗诊断等领域得到了广泛应用。
感谢您的耐心观看
汇报人：
干涉条纹的分析方法
干涉条纹的生成原理 条纹的形状和间距分析 条纹的移动和变化规律 条纹的定量分析和计算方法
光学干涉测量技术的分 类
时间相干性干涉测量技术
定义：利用时间相干性原理，通过测量光波的时间变化来获取干涉图样的 技术。
原理：利用光的波动性质，通过干涉现象测量光波的相位差，从而确定物 体的几何形状和物理性质。
近代光学测试技术
近代光学测试技术随着激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现与发展，光学测试技术无论从测试方法、原理、准确度、效率，还是适用的领域范围都得到了巨大的发展，是现在科学技术与社会生产快速发展的重要技术支撑和高新技术之一。
光学测试技术的复杂性随着科学的发展而日渐增加，大量需要处理的数据更加远离使用者的直观感觉。
因此必须发展面向科学实践的、能对现代光学测试技术产生深入的了解其中运用先进的实验手段和方法来开展内燃机缸内燃烧过程的研究，获得缸内燃咦产焰的有关信息(例如温度场·浓度场·速度场)，具有十分重要的学术价值和广阔的应用前景。
内燃机缸内燃烧的光学测试方法是目前最有效的研究手段之一，在国内外得到越来越广泛的运用。
采用这种方法来研究内燃机的燃烧过程，能够进一步加深对燃烧过程的理解，为燃烧系统的评价和改进提供依据，对于指导内燃机燃烧系统的设计，提高内燃机工业整体水平具有重要的现实意义。
在内燃机燃烧的各种光学测试方法中，主要有双色法(Two一ColorMethod)、全息法(Holo脚phMeth-od)、吸收光谱法(Abso甲tionSpeetroseopyMeth-od)、激光诱导荧光法(肠ser一IndueedFluores-cenceSpectroscopy，简称LIF法)、喇曼散射光谱法(RamanSeatteringSpeetroseopy)和相干反斯托克斯光谱法(CoherentAnti一StokesRamanscattering，简称CARS法)等。
这些光学测试方法的应用，使内燃机缸内燃烧的研究向微观化、定量化和可视化方向发展[z]。
双色法双色法是一种传统的测高温的方法。
热辐射是自然界中普遍存在的现象，一切物体，只要其温度高于绝对零度，都要不同程度地产生辐射。
双色法的基本原理在于，通过测量两个波长的发光强度拟合黑体辐射曲线，从而可以推断物体的温度。
近代光学测试技术
方法及应用： ○光扫描技术的其他应用；三维扫描技术；无定向激光扫描； 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 9．激光多普勒技术 基础原理： ●激光多普勒技术；激光多普勒测速技术原理及特点； 激光多普勒信号处理系统 ○流速方向判别和多维测量）； 方法及应用： ●激光多普勒技术的应用；管道内水流的测量；激光测量二相流；血液流动的研究 ○丙烷气火焰流速的测量；大气风速测量；固体表面速度的测量；振动的测量 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 10．光学纳米技术 基础原理： ●纳米传感技术；扫描测试系统；扫描隧道显微镜；原子力显微镜； 方法及应用： ●纳米测量技术的应用； ○纳米测量的几个问题 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 11．拓展知识 基础原理：： ●同步辐射光技术原理； 方法及应用： ●同步辐射光的应用 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定
大连海事大学 《近代光学测试技术》课程教学大纲
Syllabus for INTRODUCTION OF MODERN OPTICAL MEASURING & TESTING TECHNIQUE
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
移相干涉的抗震算法－CSI方法
第1幅图
……
第2幅图
……
移相干涉图
……
重组干涉图
傅里叶变换
移相干涉图中存在 载频，重组干涉图 频谱中的误差谱与 相位谱相互分离， 可将误差消除
背景 滤波窗g(fx,fy)
fx
误差谱 相位谱
李博，陈磊 等。 Carrier squeezing interferometry… Optics Letters,36(6),2011.3
Example of VC measurement of flat
ZYGO动态干涉仪DynaFiz
关键特征: • 在空气湍流和极端振动的环境下进行动态测量。 • 优化的光学系统提供了清晰可见的中间空间频率特征。 • LivePhase™ 软件可以进行实时Zernike分析。 • Movie模式获取随时间变化的波前。 • 高功率，长寿命稳频氦氖激光器。
由重组干涉图恢复相位的过程
傅里叶变换
频谱S(fx,fy)
反正切计算恢复相位
其中g为滤波窗
恢复到原始尺寸
几种算法计算结果对比
含有振动误差 的移相干涉图 的一帧
四步法结果
de Groot七步法结果
CSI法结果
时域抗振-CSI用于Φ600干涉仪
四步法计算结果
减
CSI计算结果
等于
相位偏差
CSI用于Φ600干涉仪测试结果
长干涉腔长测量
气流的影响
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
震动严重时的测试结果
没有震动时 的波面图
震动较小时 的波面图
震动严重时 的波面图
隔震平台－最常用的方法
CXM100移相式干涉仪 南京理工大学制造
大型光学平台
封闭腔－抑制气流影响
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
手动给定起始条纹极值点 位置，然后由程序追踪。 条纹追踪的判据为： (1) 中心像素的邻域光强 之和最大（或最小） (2) 光强梯度最小（或最 大）
条纹细化法
原干涉图
2 3 1
滤波
软件补偿算法
滤波法 随机移相法 VC（震动）补偿法 CSI（载频压缩）法 PTI（相位倾斜干涉）法
通过滤波消除震动影响
有震源
数据处理
环境震动的影响
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。
随机移相算法计算实例
4帧移相干涉图中，任意2帧 之间移相量未知，不能用任 何传统移相算法求解。 使用随机移相算法，得到各 帧之间的相对移相量为： 54.2° 70.9° 80.8°
(b)
通过Radon变换后得到的、、 d，即可由右式求出平面Pn的各 个系数。
n 2 | cos | / d
n sign( / 2 ) 2 sin / d
n n cos n sin
求解位相
将下式的COS函数用两角和公式展开
I1 I2 解调波面：
I3
I4
以一种较为实用的随机移相算法Kong-Wang迭代法为基础
振动补偿算法(Vibration Compensation)
相位误差图
对干涉图上所有的有效 点，以其估计相位φ'(x)为 横坐标，其光强I(x)为纵坐 标，建立曲线（多值函数）。 如果φ′中不含振动误差， 则曲线为理想正弦曲线，反 之则为畸变的正弦曲线。
P
HWP
Test Mirror
偏振干涉仪
Controller & Driver
Point Phase Sensor
EO 光程差
AVCS干涉仪
AVCS-Active Vibration Compensated Stabilized
J.Hayes. Active Vibration Compensated Stabilized (AVCS) Interferometry
动态干涉测量技术
南京理工大学 陈磊 2014年12月30日
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.光学干涉计量中的位相测量方法研究. 中国科技 大学博士学位论文，2000.07 徐晨.动态干涉测试技术与应用研究.南京理工大学博士 学位论文，2009.12 J.H.Burge. Fabrication and testing of large free-form surfaces. University of Arizona
PTI方法的原理
当没有环境震动偏摆时，干涉条纹光强可以表示为：
I ( x, y) a( x, y) b( x, y) cos ( x, y)
当环境震动引起被测件偏摆时，
I n ( x, y) a( x, y) b( x, y) cos ( x, y) Pn ( x, y)
PZT DRIVER
PZT
Reference Mirror Vibration
Single Mode Laser
BS Lens Pupil Image Plane
Controller
“Point” Phase Sensor
Anti-Vibration Signal
Vibration Signal
光强-相位法主动抗震装置
i( x, y) a( x, y) b( x, y) cos(2f1 x 2f 2 y ( x, y))
频域滤波
FFT-1 优缺点
虚光栅莫尔条纹法
空间载频干涉图 虚光栅莫尔图 带通滤波
用移相法自动处理单幅干涉图
位相展开
四幅位相相差 90度的干涉图
用于瞬态测量
空间载频移相法
CSI计算结果
RMS: 0.0155λ
四步法计算结果
RMS: 0.0455λ
李金鹏，陈磊 等. 基于载频交叠重构干涉术的大口径干涉仪相移误差校正方法. 光学学报，33（3），2013
相位倾斜干涉方法 (PTI)
PTI（Phase Tilting Interferometry）
李建欣,朱日宏,陈磊,何勇. Phase-tilting Interferometry for Optical Testing. Optics Letters, 2013, 38(15): 2838-2841.
很明显Dn中包含两组条纹：一组与原条纹相似，另一组为平行条纹。我们 现在的目标是识别平行条纹，求出Pn。
用Radon变换求Pn
y A
-300 -200 -100
•ρ
O
0 100 200 300 0 50
•P1 •P0 •d •θ
(degrees)
x
100
150
(a) (a) 两干涉图相减后的二值化图像. (b) Radon变换后的峰值图像.
大口径光学元件的测量塔
法国 SAGEM-REOSC ，塔高30m, P5030，配 EFL120 镜头，检测半 径80m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
移相器严格步进/2，对环境要求严格
实际应用所提出的问题
薄型镜面的检验
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
LBT 2 x 8.4m (2005)
GMT 7 x 8.4m (2018)
已经实用化，如：IntelliWave
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
探测光程改变 反馈补偿信号，由PZT驱动参考反射镜补偿
(Limited bandwidth)
4 5 6 7 8 9 10
二值化 采样线
细化与修像
标记
采样
条纹法的优缺点
FFT法
FFT
i( x, y) a( x, y) c( x, y) exp i 2 f x x f y y c * ( x, y) exp i 2 f x x f y y
1 c( x, y ) b exp(i ) 2
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
移相干涉仪 对环境要求严格的一些测试项目 环境对干涉测量的影响
气流的影响 空气折射率分布的影响 震动的影响
抑制环境干扰的措施
干涉图强度分布
Leslie. L. Deck. Applied Optics, 48(20), 2009.