剪切干涉仪的应用和原理
什么是剪切干涉仪
剪切干涉仪是一种测量光学路径差的仪器，通过分析干涉条纹来测量光学元件的表面形状、薄膜厚度等参数。它主要由波前分离器、偏振分束器、空间频率滤波器、干涉仪和检测器等组成。
剪切干涉仪的原理
剪切干涉仪的原理是利用了光波的干涉现象。当两束光线经过不同的路径到达一个点时，如果它们之间的光程差为波长的奇数倍，两束光线就会发生相长干涉，形成明暗条纹。而剪切干涉仪通过控制光的相位差，使得明暗条纹发生移动，从而可以推断光学元件的参数。
剪切干涉仪的应用
剪切干涉仪在工程和科学研究中有着广泛的应用，下面列举了几个常见的应用场景：
1. 光学元件表面检测
– 使用剪切干涉仪可以对光学元件的表面形状进行高精度测量，如透镜、反射镜、光栅等。
– 通过分析干涉条纹的形态，可以检测出光学元件表面的凹凸不平、误差等问题，保证光学系统的质量。
2. 光学薄膜厚度测量
– 剪切干涉仪可用于测量各种光学薄膜的厚度，如镀膜玻璃、反射镜薄膜等。
– 通过分析干涉条纹在不同光学波段上的变化，可以计算出薄膜的厚度，判断薄膜的均匀性和质量。
3. 形状检测和变形分析
– 剪切干涉仪可用于测量各种形状的物体的三维形貌，如工件、雕塑、生物组织等。
– 通过分析干涉条纹的变化和形态，可以获取物体表面的形状信息，用于质量检测、变形分析等。
4. 微小物体位移测量
– 剪切干涉仪可用于测量微小物体的位移，如微动部件的振动、材料的膨胀等。
– 通过分析干涉条纹的位移距离，可精确计算出物体的位移量，用于研究微观运动和变形情况。 剪切干涉仪的优势
剪切干涉仪相比其他测量技术具有以下优势：
• 非接触性测量：剪切干涉仪的测量过程不需要物理接触，对被测物体没有任何损伤。
• 高精度测量：剪切干涉仪能够实现纳米级甚至亚纳米级的高精度测量，适用于各种精密工艺和科学研究。
• 宽波段测量：剪切干涉仪的光学系统可以适配不同的波段，可测量多种材料和薄膜的厚度。
目次
1 范围 ................................................................................ 1
2 规范性引用文件 ...................................................................... 1
3 术语和定义 .......................................................................... 1
4 原理 ................................................................................ 2
夏克-哈特曼光电测量法 ........................................................... 2
光学系统波前像差测量 ............................................................ 3
光学零件的面形偏差的测量 ........................................................ 4
5 测量条件 ............................................................................ 6
测量环境 ........................................................................ 6
样品 ............................................................................ 6
基于衍射光学元件的多波前横向剪切干涉方法研究
波前探测一直是光学领域的重要研究课题,多波前横向剪切干涉技术作为一种新型的波前探测手段,测量精度和动态范围比较高,是一种很有研究价值与实用意义的波前探测方法,在激光光束质量评价,光学系统成像质量检测、人眼像差测量和激光通信等自适应光学领域应用前景广泛。多波前横向剪切干涉技术基于国际象棋棋盘结构的衍射光学元件,将待测波前分成四支子波前,使其产生自相干涉,在一幅干涉图中包含了两个正交方向上的波前梯度信息,只需要进一步进行相位提取和波前重建便可以获得待测波前相位图像。多波前横向剪切干涉技术使用的剪切干涉设备结构简单、便于搭建波前相位探测系统,并且可以对多种波前目标进行探测,是一种性价比非常高的波前探测技术,值得研究者们继续深入研究。本文在对国内外关于多波前横向剪切干涉技术研究进展进行整理分析的基础上,进行了大量的原理仿真以及实验研究。
对多波前横向剪切干涉技术的干涉原理、波前重建以及干涉图去噪技术进行了详细的探讨和深刻的分析,并对其在静态及动态温度场的温度分布测量研究进行了充分的验证,具体开展了以下几样工作:1、通过衍射理论对多波前横向剪切干涉过程进行了数学建模,研究了多波前横向剪切干涉技术基本原理和实现途径,从夏克-哈特曼波前传感器的衍射光学模型出发,介绍了几种多波前剪切干涉技术的模型和干涉图像理论强度分布。并且根据棋盘型相位光栅的特性,采用标量衍射理论分析了二维相位光栅的衍射效率以及可能会产生误差的各种因素。2、介绍了多波前横向剪切干涉图的相位提取算法以及傅里叶变换法在相位提取中的应用。比较了不同种相位提取滤波器的特性,理论分析表明圆形光瞳下使用Gauss窗函数作为滤波器误差最小,而矩形光瞳下使用镶嵌圆柱滤波器窗函数造成的相位提取误差最小。
接下来介绍了干涉图条纹延拓技术,其中Gerchberg外插迭代法对于高载频量的干涉条纹有着较为优秀的延拓效果。3、分析了使用干涉图像中提取的波前梯度进行波前相位拟合的傅里叶积分法和Zernike法,介绍了两种方法的理论模型和适用范围,采用对波前梯度进行镜像反对称扩展的方法,消除了重建过程中由于傅里叶变换周期基函数特性与不连续边界特点发生冲突而导致的低频误差,并且进行了仿真实验来比较两种波前相位积分方法的优点和不足。4、在四波前横向剪切干涉仪的工程应用中,分析了由于棋盘型相位光栅和探测器靶面不平行导致的装调误差,并且针对频谱图解算的标定问题,设计了一种基于移相迭代的四波前横向剪切干涉标定方法,用于精确定位干涉图频谱的一级中心,尽可能减小偏差,使得标定后残余斜率导致的波前均方根值小于1.5×10-4。并在实验测试中获得了理想的结果。
横向剪切干涉测量中准确的相位恢复算法
刘晓军;高咏生
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2004(012)005
【摘 要】提出一种剪切干涉测量中实现由相位差分准确高效恢复被测波前相位的算法.该算法是基于被测波前相位与其差分完全的点对点对应关系,及最小二乘算法原理.首先由被测波前相位与其差分完全的点对点对应关系及最小二乘原理,建立一特殊的线性等式,被测相位能通过解此等式直接获得.由于该线性等式的系数矩阵为稀疏矩阵,能转化为一新的小矩阵,以降低计算机存储空间和计算量;同时,由于该矩阵为正定矩阵,Choleski因式化分解方法能用来实现该线性等式方便的解.进行了计算机数值分析和相关试验测试,结果表明:该恢复算法可行,且计算精度高、计算复杂性低;可实现由相位差分准确恢复被测波前相位,同时具有良好的噪声误差传输特性.
【总页数】9页(P471-479)
【作 者】刘晓军;高咏生
【作者单位】华中科技大学,机械学院仪器系,湖北,武汉,430074;香港科技大学,机械工程系,香港,九龙,清水湾
【正文语种】中 文
【中图分类】O241.2
【相关文献】 1.剪切干涉测量中基于Zernike多项式的自适应波前重建 [J], 刘晓军;高咏生;章明;李柱
2.横向剪切—外差干涉测量方法 [J], 任新;张爱红
3.径向剪切干涉测量中基于Zernike多项式的波前重建 [J], 吕捷;王维民
4.横向剪切干涉测量中一种获得无耦合Zernike系数的模式复原方法 [J], 孙文瀚;王帅;何星;陈小君;许冰
5.横向剪切干涉中剪切量的选取及分析 [J], 刘丙才;田爱玲;王红军;王春慧
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