4d干涉儀原理介紹phasecamtraining201010v1

1、4D Technology CorporationCompany Profile,4D 動(dòng)態(tài)相移干涉儀 （Dynamic Interferometer) -----原理、技術(shù)與應(yīng)用Oct. 2010,www.OPTurn.com,主要內(nèi)容,相移干涉技術(shù)的原理動(dòng)態(tài)相移干涉儀原理4D PhaseCam 動(dòng)態(tài)干涉儀動(dòng)態(tài)干涉儀的應(yīng)用,2.1 相移干涉技術(shù)的原理,兩束光發(fā)生干涉，其干涉場(chǎng),,,,,

2、,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.1 相移干涉技術(shù)的原理 續(xù),I1(x,y) = I0 + I' cos [ f (x,y)] f (c1) = 0 (0°)I2(x,y) = I0 - I' sin [f (x,y) ] f (c2) = p/2 (90°)I3(x,y) = I0 - I' cos [f (x,y) ]

3、f (c3) = p (180°)I4(x,y) = I0 + I' sin [f (x,y) ] f (c4) = 3p/2 (270°),I(x,y) = I0 + I' cos[f(x,y)+ f(c)],,,對(duì)同一表面，采多幅不同相位的干涉圖，進(jìn)行計(jì)算，獲得表面的數(shù)值,,,,2.2 相移干涉技術(shù)的原理 －普通干涉儀,,,,準(zhǔn)直鏡,參考面,被測(cè)面,,,分束器,

4、激光,,,Camera,,光闌,,,,,,,,,2.2 相移干涉技術(shù)的原理 －普通干涉儀 續(xù),f(c)= f(t), 按時(shí)間順序，人為改變干涉圖的相位,f (0.03s) = 0 deg,f (0.06s) = 90deg,f (0.09s) = 180deg,f (0.12s) = 270deg,2.3 相移干涉技術(shù)的原理 －振動(dòng)的影響,CCD的幀頻(30幀/秒），導(dǎo)致普通相移干涉測(cè)量時(shí)間>120ms能不能用一幀干涉

5、圖就完成測(cè)量？,(2x,2y),(2x+1,2y),(2x,2y+1),(2x+1,2y+1),,,,Intensity PatternOn the Detector,SensorArray,4 Frame PSI:,A,D,B,C,3.1 4D 動(dòng)態(tài)干涉儀原理,所有相位圖都在同一時(shí)刻獲得 !,圓偏光 (Df) + 線偏振器 (a),cos (Df + 2a),1 與光軸平行的分量才能發(fā)生干涉2 偏振器的光軸角度決定了

6、相移結(jié)果,,,使用偏振光的相移機(jī)理,3.2 4D 動(dòng)態(tài)干涉儀原理 續(xù) －相位相關(guān)探測(cè)器,Kothiyal and Delsile, Appl. Opt. V24 n24 p4439 (1985) Kemo, et. al, Appl Opt. V41 n 13 p2448 (2002),定向微偏振器陣列,3.2 4D 動(dòng)態(tài)干涉儀原理 續(xù) －相位相關(guān)探測(cè)器,相位相關(guān)探測(cè)器,3.2 4D 動(dòng)態(tài)干涉儀原理 續(xù)－相位相關(guān)探測(cè)器,24 x

7、 17 pixel – 真實(shí)光強(qiáng)圖從每一個(gè)位相單元提取一個(gè)相同相移的像素，構(gòu)成條紋圖,4.1.1 PhaseCam泰曼－格林系列,4.1.2 PhaseCam產(chǎn)品線,P4000>>P4010>>P4020 P5030 P6000,基于泰曼型的多波長(zhǎng)、高能、ESPI、便攜型,品種最多，發(fā)展最完善，用戶最多，最穩(wěn)定,非共光路（傾斜光路）式：F1000>>F1500>>F1600

8、 共光路（真正菲索）式：F2000 F3000,4.2 FizCam產(chǎn)品線,,,,,ReferenceSurface,Collimator,Test Surface,,,BeamSplitter,Laser,,Stop,,,,,,,,,,,,4.2.1 非共光路斐索型 FizCam1000s,4.2.1 非共光路斐索型FizCam1000s 續(xù),缺點(diǎn)：非共光路：球面測(cè)量時(shí)，會(huì)引入離軸誤差；當(dāng)測(cè)量相對(duì)孔徑較大表面時(shí)，誤

9、差增大鏡頭相對(duì)光軸傾斜：導(dǎo)致光線追跡誤差，需要高質(zhì)量的光學(xué)元件進(jìn)行修正最大的問(wèn)題：光源的穩(wěn)定性 因?yàn)樾枰竽芰康墓庠?，只能采用半?dǎo)體激光器，而該類(lèi)型的激光器的相干性對(duì)溫度變化非常敏感,共光路的特征：－干涉儀、參考鏡、被測(cè)鏡共軸－參考光與樣品光 在參考面后路徑相同,非共光路引入的問(wèn)題: － Retrace error － 特別是球面測(cè)量中的誤差>> 必須用高質(zhì)量的透鏡>>

10、; 必須校準(zhǔn)（參見(jiàn)ESDI報(bào)告）,ESDI H2000 的問(wèn)題,采用引入誤差的非共光路菲索型 使用普通標(biāo)準(zhǔn)鏡頭會(huì)影響測(cè)量精度 光源相干性受環(huán)境影響而不穩(wěn)定 變倍－調(diào)焦 聯(lián)動(dòng) CCD可靠性值得懷疑 每次測(cè)量都要兩次校準(zhǔn)調(diào)整做計(jì)算 測(cè)量軟件非常繁瑣費(fèi)解+ 技術(shù)支持不利 … …,ESDI H2000 的問(wèn)題,,,,,Reference,Collimator,,,BeamSplitter,,,,,,,,,,,Stop,,

11、,,QWP,Camera,,Pixelated Mask,,,,,短相干光源,,,,HWP,QWP,,,,,,,,PBS,,,,,,,,,,,Test,,,,,,,,,,,,,,,,,4.2.2 共光路斐索型 /短相干光源FizCam2000s,共光路 動(dòng)態(tài)干涉儀,Pathmatch controls which surface is measured,S1,S2,,,4.2.2 共光路斐索型 /短相干光源FizCam2000

12、s 續(xù),,Short,Long,,,,激光器的相干長(zhǎng)度,短相干光源的優(yōu)勢(shì),4.2.2 共光路斐索型 /短相干光源FizCam2000s 續(xù),,,,,,,,光學(xué)厚度的測(cè)量,F2000 測(cè)量控制,4Sight >> F10Recalibration:掃描找到起始零點(diǎn)，一般是TF的參考面PathScan：在設(shè)定Range內(nèi)掃描找到相關(guān)表面StepSize：設(shè)定較小的值可以精確確定位置Modulation Graph:可

13、以看到掃描范圍內(nèi)的所有表面,F2000測(cè)量控制,定位不同的表面掃描范圍400 – 2000 mm,光學(xué)均勻性精確測(cè)量,4/4/2024,F2000 的遠(yuǎn)程光腔測(cè)量,Figure courtesy of K. Smith, Ball Aerospace,JWST 次鏡測(cè)試方案800mm 直徑雙曲面,,,FizCam 2000 with F/5 diverging lens,,,F2000 的遠(yuǎn)程光腔測(cè)量,4/4/2024,300m

14、m直徑凸球面的拼接測(cè)量,普通干涉儀在拼接時(shí)，受氣流影響太大,被測(cè)凸球面,共焦測(cè)量位置,4/4/2024,27,,4.2.3 F2000的應(yīng)用－2,菲索型大口徑方案,DIY 大口徑菲索干涉儀,F2000-300 12”干涉儀,F2000-300,300TF 內(nèi)應(yīng)力,FizCam 2000 動(dòng)態(tài)干涉儀 真正共光路的菲索型動(dòng)態(tài)干涉儀多元件、多表面的透過(guò)測(cè)量遠(yuǎn)程空腔測(cè)量均勻性測(cè)量裝夾應(yīng)力測(cè)量與擴(kuò)束器結(jié)合構(gòu)成大口徑干涉儀,4.2.4

15、F2000的優(yōu)勢(shì),真正的共光路菲索干涉儀He－Ne光源：穩(wěn)定的相干長(zhǎng)度動(dòng)態(tài),4.3 F3000,,,,,,,,,,,Laser,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4.3.1 F3000 原理,z (t),,z (t),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,TestSurface,,4.3.1 F3000 原理,F3000 參與干涉的光束,有4束光到達(dá)CCD前：帶有參考面信息的S-偏振光帶有樣品面信息的S-偏振光帶

16、有參考面信息的P-偏振光帶有樣品面信息的S-偏振光,,4.3.2 F3000 性能指標(biāo),4D 產(chǎn)品 系列,FizCam斐索型干涉儀4“ －32” 傾斜光束1000系列共光路 2000系列,PhaseCam泰曼－格林型干涉儀多波長(zhǎng)ESPI電子散斑適用于大口徑長(zhǎng)光程凹面的測(cè)量,160x160x85mm,NIR/IR 干涉儀193nm 干涉儀,Patent No. US 7,057,738,Patent No. US

17、6,304,330,PC6000,4/4/2024,4DTechnology Corporation,39,Award Winning Technology,10 US Patents (licensed or owned), numerous pending2003 Photonics Circle of Excellence Winner: One of the best 25 new products of the year2

18、004 R&D 100 Award for FizCam2005 R&D 100 Award for PhaseCam MW2006 NASA Goddard SFC Exceptional Achievement Award for SpeckleCam (ESPI System)2006 R&D 100 Award for SpeckleCam (ESPI System),PhaseCam 6000 C

19、onfiguration,4/4/2024,40,Features - Specifications,Small form factorFully automated, remotely controllableInterchangeable sourcesLarger beam diameter – 9mmEntrance pupil plane 50mm in front of system 1MPix camera, f

20、ixed magnification532 or 632.8nm single mode, long coherence sources,4/4/2024,41,Extended Precision Package for PhaseCam6000,PhaseCam 6000Extended Precision Package,Artifacts virtually eliminated,,Artifacts from dust,

21、 diverger optics, etc.,Extended Precision Package,Standard Illumination Source,,Quantitative Improvement,PV ~28nm,PV <5nm,“Bulls-eye” artifacts are highly attenuated in measurement,Performance Improvement vs. Spatial

22、 Frequency,Factor of two Improvement!,Factor of four improvement at higher spatial frequencies!,6. 動(dòng)態(tài)干涉儀的應(yīng)用,適合于 惡劣環(huán)境下的測(cè)量快速測(cè)量 – 測(cè)量速度受曝光時(shí)間限制，而不受CCD幀頻限制!對(duì)振動(dòng)不敏感減少了氣流的影響－多次平均適合于 挑戰(zhàn)性的測(cè)試設(shè)置大口徑光學(xué)元件或系統(tǒng) 長(zhǎng)光程真空或環(huán)境倉(cāng)內(nèi)的測(cè)試適合于

23、 高難度測(cè)試運(yùn)動(dòng)表面多波長(zhǎng)干涉儀－JWST電子散斑干涉儀ESPI－NASA生產(chǎn)環(huán)境下的測(cè)試,重要項(xiàng)目中的應(yīng)用,NASA于2005年1月發(fā)射的“深度撞擊飛行器” 7月4日成功撞擊坦普爾1號(hào)彗星 攜帶的所有光學(xué)系統(tǒng)由4D PhaseCam做質(zhì)量檢測(cè)QC.,重要項(xiàng)目中的應(yīng)用,2005年8月Ball宇航發(fā)射了火星軌道人造衛(wèi)星(MRO) 攜帶有高分辨成像科學(xué)儀(HiRISE) 其中的光學(xué)系統(tǒng)由4D Ph

24、aseCam做質(zhì)量檢測(cè).,重要項(xiàng)目中的應(yīng)用,James Webb Space Telescope (JWST)項(xiàng)目 主鏡6.5m,18塊子鏡拼接 曾試用4D PhaseCam做概念設(shè)計(jì)中鈹材料子鏡的測(cè)量 之后選定4D為重要測(cè)量?jī)x器供應(yīng)商,用于主鏡子鏡和總成,次鏡及背板結(jié)構(gòu),以及大光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量,多次反射測(cè)量,經(jīng)過(guò)鏡面多次反射后光強(qiáng)變得很弱增大了動(dòng)態(tài)測(cè)量的難度,離軸非球面的測(cè)量,超薄鏡面的檢測(cè),長(zhǎng)焦距

25、離軸非球面的測(cè)量,長(zhǎng)光程測(cè)量,口徑1.2m，半徑40m 拋物面,長(zhǎng)光程測(cè)量中的氣流場(chǎng),32m 光程, F 1.2m,4/4/2024,表面殘差 PVq=89nm：去除zernike項(xiàng)后,4/4/2024,口徑0.8m，500次測(cè)量平均消除氣流影響,加工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),氣流的均化與抑止,Confocal test of 3m radius, 300mm diameter spherical mirror - 0.0008 l rms 1s r

26、epeatability, 5 averages of 25 measurements,輕質(zhì)復(fù)合鏡：半徑20m, 口徑0.5m,振動(dòng)環(huán)境,世界上最大的望遠(yuǎn)鏡主鏡,19.2m ROC, 8.4m diameter, F/1.14 Spin Cast Primary Mirror,,環(huán)境倉(cāng)內(nèi)的低溫測(cè)試,Figure testing of 300 mm Zerodur mirrors at cryogenic temperatures, Ba

27、er & Lotz, SPIE 4822-4 July 2002,超音速?zèng)_擊波,強(qiáng)激光的熱過(guò)程,重要項(xiàng)目中的應(yīng)用,亞利桑達(dá)大學(xué) 鏡面實(shí)驗(yàn)室 2塊 8米口徑 長(zhǎng)焦距 非球面的檢測(cè),4D動(dòng)態(tài)干涉儀 小結(jié),泰曼－格林型PhaseCam P4020： P5030：光學(xué)變倍 P6000 IR/NIR 共光路菲索型 F2000：短相干光源 F3000：He-N