本发明专利技术属于光学测试技术。为实时监测和控制相位调制度，实现对光学透镜表面形貌、光学透镜波像差，光学传递函数等的高精度动态测量，本发明专利技术采取的技术方案是，相位调制同步积分相移干涉测量方法及装置，包括下列步骤：采用激光器驱动器驱动激光器产生激光，依次经过聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器PD，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理；根据相位信息只是与CCD相机测量信号，相位调制度z，CCD相机曝光信号和相位调制信号之间的相差θ，功率调制系数m有关的公式，进行相位调制度的测量和稳定、相差θ的同步控制。本发明专利技术主要应用于光学测试。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学测试技术，涉及先进光学仪器制造，具体是涉及相位调制同步积分相移干涉测量方法及装置。
技术介绍
光学干涉检测分为一般意义上的干涉(如等倾干涉和等厚干涉)，外差干涉和准外差干涉。一般干涉由于精度不高，稳定性差，很难用于光学表面检测。外差干涉需要频差稳定度高的光源，处理测量数据量很大，缺乏全场测量能力，多用于高精度点信息测量。准外差干涉又称为相移干涉，它通过步进或者连续相移，在抑制环境干扰的同时也降低了对光源的要求，随着光电子技术和集成电路技术的发展，高精度全场相移干涉测量得以实现。 相移方式包括压电晶体法，光电晶体法，偏振相移法，多普勒频移法，磁光法，液晶法和旋转平晶法等，但都存在滞后，非线性和机械振动等缺点。激光器内调制相移技术克服了上述缺点，得到广泛应用。它利用激光器的输出光频变化的特性进行相应相位调节，具有方法简单，对振动不敏感，降低环境要求等优点，但也存在频率漂移，输出光强变化等缺点。步进相移由来已久，通过最小二乘法求解相位方法直观，但对相移误差敏感，其测量精度主要由相移器决定。连续相位调节为克服频谱泄漏和光强变化，以正弦相位调制为主，同时也派生出各种算法。Osami Sasaki等人在1986年提出正弦相位调制同步积分算法 (integrating-bucket method)并应用于干涉测量。通过压电陶瓷正弦相位调制和CCD 相机同步积分，控制系统参数，得到物体表面的相位分布图，精度达到1. 0-1. 5nm。Arnaud Dubois在2001年提出4步同步积分算法，将一个周期等分为四段，在四段内分别对光强进行积分，同时分析了散粒噪声和量化噪声对测量精度的影响，通过优化，精度达到了 lnm。Takamasa Suzuki等在2002年使用双波长激光器配合同步积分算法测台阶的高度，相对测量精度优于1.5%。Yu-LimgLo等在2006年将同步积分算法应用到全场外差式偏光镜系统中对主轴和相位延迟进行测量W]，他们采用锯齿波代替了正弦波作为调制信号，由此提出了 3步同步积分算法，仅需要积分三次即可得到相位的正切值，条纹稳定度和测量精度都接近4步同步积分算法，减少了计算量。Yuankai K. Tao等在2008年采用N 步同步积分算法并在积分限中加入了 C⑶相机的延迟时间。2010年，Dongmei Guo将同步积分算法应用到自混合干涉仪中W]，使用4步同步积分算法，加入闭环相位控制，精度达到了 0. 15nm。上述结果表明正弦相位调制连续相移法抗干扰性能强，能实现动态测量，精度达到亚纳米级，但是在相位调制度的测量和稳定上少有研究，而这正是正弦相位调制的关键。Osami Sasaki， Hirokazu Okazaki， Makoto Sakai，“Sinusoidal phase modulating interferometer using the integrating-bucket method”， APPLIED OPTIC， 1987，Vol. 26，No. 6 :1089-1093Arnaud Dubois，“Phase—map measurements by interferometry withsinusoidal phase modulation and four integrating buckets", J. Opt. Soc. . Am. A, 2001, Vol. 18，No. 8 :1972-1979.Takamasa Suzuki,Takayuki Yazawa,Osami Sasaki, "Two-wavelength laser diode interferometer with time-sharing sinusoidal phase modulation，，， APPLIED OPTICS, 2002, Vol. 41, No. 10 :1972-1976.Yu-Lung Lo, Hung-Wei Chih, Cheng-Yen Yeh, Tsung-Chih Yu, "Full-field heterodyne polariscope with an image signal processing method for principal axis and phase retardation measurements，，，APPLIED OPTICS, 2006, Vol. 45, No. 31 8006-8012.Yuankai K. Tao, Mingtao Zhao, Joseph A. Izatt. "High-speed complex conjugate resolved retinal spectral domain optical coherence tomography using sinusoidal phase modulation”，OPTICS LETTERS，2009，Vol. 32，No. 20 :2918-2920. Dongme i Guo, Ming Wang, "Self-mixing inter f erometry based on sinusoidal phase modulation and integrating-bucket method，，，Optics Communications,2010，283 :2186-2192.
技术实现思路
为克服现有技术的不足，在传统相移干涉技术的基础上，发展新的相移干涉测量技术。把相位调制度测量控制技术引入正弦相位调制同步积分相移干涉测量技术中，实时监测和控制相位调制度，实现带调制度反馈的正弦相位调制同步积分算法，实现对光学透镜表面形貌，光学透镜波像差，光学传递函数等的高精度动态测量。为达上述目的，本专利技术采取的技术方案是，相位调制同步积分相移干涉测量方法，包括下列步骤采用激光器驱动器驱动激光器产生激光，依次经过聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器PD，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理；根据相位信息只是与CCD相机测量信号，相位调制度z，CCD相机曝光信号和相位调制信号之间的相差θ，功率调制系数m有关的如下公式α = arctg(Μ Σ S_N Σ C)/(P Σ C-Q Σ s)，由上述公式，进行相位调制度的测量和稳定、相差θ的同步控制；进行相位调制度的测量和稳定具体为干涉信号如下S (t) = A + Bcos = A + Bcos ( α ) -Bsin ( α ) 将S (t)通过中心频率为ω的带通滤波器后，与幅值为G1的信号G1 cos (cot+θ )) 相乘，经低通滤波，得到V1 = -BG1Sin(Q)J1(Z)；将S(t)通过中心频率为2ω的带通滤波器后，与幅值为(}2的信号 G2Cos (2 ω t+2 θ )相乘，经低通滤波，得到 V2 = -BG2Cos ( α ) J2 (ζ)；将S(t)通过中心频率为3ω的带通滤波器后，与幅值为的信号 G3Cos (3 ω t+3 θ )相乘，经低通滤波，得到 V3 = BQsin ( α ) J3本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种相位调制同步积分相移干涉测量方法，其特征是，包括以下步骤：采用激光器驱动器驱动激光器产生激光，依次经过聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器ＰＤ，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理；根据相位信息只是与ＣＣＤ相机测量信号，相位调制度ｚ，ＣＣＤ相机曝光信号和相位调制信号之间的相差θ，功率调制系数ｍ有关的如下公式：α＝ａｒｃｔｇ（Ｍ∑ｓ－Ｎ∑Ｃ）／（Ｐ∑Ｃ－Ｑ∑ｓ），由上述公式，进行相位调制度的测量和稳定、相差θ的同步控制；进行相位调制度的测量和稳定具体为：干涉信号如下：Ｓ（ｔ）＝Ａ＋Ｂｃｏｓ［ｚｃｏｓ（ωｔ＋θ）＋α］＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（α）［Ｊ０（ｚ）－２Ｊ２（ｚ）ｃｏｓ（２ωｔ＋２θ）＋．．．］－Ｂｓｉｎ（α）［２Ｊ１（ｚ）ｃｏｓ（ωｔ＋θ）－２Ｊ３（ｚ）ｃｏｓ（３ωｔ＋３θ）．．．］将Ｓ（ｔ）通过中心频率为ω的带通滤波器后，与幅值为Ｇ１的信号Ｇ１ ｃｏｓ（ωｔ＋θ））相乘，经低通滤波，得到Ｖ１＝－ＢＧ１ｓｉｎ（α）Ｊ１（ｚ）；将Ｓ（ｔ）通过中心频率为２ω的带通滤波器后，与幅值为Ｇ２的信号Ｇ２ｃｏｓ（２ωｔ＋２θ）相乘，经低通滤波，得到Ｖ２＝－ＢＧ２ｃｏｓ（α）Ｊ２（ｚ）；将Ｓ（ｔ）通过中心频率为３ω的带通滤波器后，与幅值为Ｇ３的信号Ｇ３ｃｏｓ（３ωｔ＋３θ）相乘，经低通滤波，得到Ｖ３＝ＢＧ３ｓｉｎ（α）Ｊ３（ｚ）；由于Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３为常数，由Ｖ１、Ｖ２和Ｖ３得进而迭代寻优求出相位调制度ｚ值，同时通过观察Ｖ２实现对信号量大小的监测；相差θ的同步控制具体为：通过ＣＰＵ控制单元产生控制信号，控制直接数字频率合成器ＤＤＳ输出可变频率的方波和正弦波，分别用于ＣＣＤ相机曝光信号和相位调制信号，使得二者精确同步，同时通过寄存器设置，控制ＣＣＤ相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：段发阶，张超，胡博，吕昌荣，何智刚，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12
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