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

2、,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.1 相移干涉技術的原理 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)],,,對同一表面，采多幅不同相位的干涉圖，進行計算，獲得表面的數(shù)值,,,,2.2 相移干涉技術的原理 －普通干涉儀,,,,準直鏡,參考面,被測面,,,分束器,

4、激光,,,Camera,,光闌,,,,,,,,,2.2 相移干涉技術的原理 －普通干涉儀 續(xù),f(c)= f(t), 按時間順序，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 相移干涉技術的原理 －振動的影響,CCD的幀頻(30幀/秒），導致普通相移干涉測量時間>120ms能不能用一幀干涉

5、圖就完成測量？,(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 動態(tài)干涉儀原理,所有相位圖都在同一時刻獲得 !,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、相移結果,,,使用偏振光的相移機理,3.2 4D 動態(tài)干涉儀原理 續(xù) －相位相關探測器,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 動態(tài)干涉儀原理 續(xù) －相位相關探測器,相位相關探測器,3.2 4D 動態(tài)干涉儀原理 續(xù)－相位相關探測器,24 x

7、 17 pixel – 真實光強圖從每一個位相單元提取一個相同相移的像素，構成條紋圖,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、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：非共光路：球面測量時，會引入離軸誤差；當測量相對孔徑較大表面時，誤

9、差增大鏡頭相對光軸傾斜：導致光線追跡誤差，需要高質(zhì)量的光學元件進行修正最大的問題：光源的穩(wěn)定性 因為需要大能量的光源，只能采用半導體激光器，而該類型的激光器的相干性對溫度變化非常敏感,共光路的特征：－干涉儀、參考鏡、被測鏡共軸－參考光與樣品光 在參考面后路徑相同,非共光路引入的問題: － Retrace error － 特別是球面測量中的誤差>> 必須用高質(zhì)量的透鏡>>

10、; 必須校準（參見ESDI報告）,ESDI H2000 的問題,采用引入誤差的非共光路菲索型 使用普通標準鏡頭會影響測量精度 光源相干性受環(huán)境影響而不穩(wěn)定 變倍－調(diào)焦 聯(lián)動 CCD可靠性值得懷疑 每次測量都要兩次校準調(diào)整做計算 測量軟件非常繁瑣費解+ 技術支持不利 … …,ESDI H2000 的問題,,,,,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,,,,激光器的相干長度,短相干光源的優(yōu)勢,4.2.2 共光路斐索型 /短相干光源FizCam2000s 續(xù),,,,,,,,光學厚度的測量,F2000 測量控制,4Sight >> F10Recalibration:掃描找到起始零點，一般是TF的參考面PathScan：在設定Range內(nèi)掃描找到相關表面StepSize：設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測量控制,定位不同的表面掃描范圍400 – 2000 mm,光學均勻性精確測量,4/4/2024,F2000 的遠程光腔測量,Figure courtesy of K. Smith, Ball Aerospace,JWST 次鏡測試方案800mm 直徑雙曲面,,,FizCam 2000 with F/5 diverging lens,,,F2000 的遠程光腔測量,4/4/2024,300m

14、m直徑凸球面的拼接測量,普通干涉儀在拼接時，受氣流影響太大,被測凸球面,共焦測量位置,4/4/2024,27,,4.2.3 F2000的應用－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)應力,FizCam 2000 動態(tài)干涉儀 真正共光路的菲索型動態(tài)干涉儀多元件、多表面的透過測量遠程空腔測量均勻性測量裝夾應力測量與擴束器結合構成大口徑干涉儀,4.2.4

15、F2000的優(yōu)勢,真正的共光路菲索干涉儀He－Ne光源：穩(wěn)定的相干長度動態(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,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ESPI電子散斑適用于大口徑長光程凹面的測量,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. 動態(tài)干涉儀的應用,適合于 惡劣環(huán)境下的測量快速測量 – 測量速度受曝光時間限制，而不受CCD幀頻限制!對振動不敏感減少了氣流的影響－多次平均適合于 挑戰(zhàn)性的測試設置大口徑光學元件或系統(tǒng) 長光程真空或環(huán)境倉內(nèi)的測試適合于

23、 高難度測試運動表面多波長干涉儀－JWST電子散斑干涉儀ESPI－NASA生產(chǎn)環(huán)境下的測試,重要項目中的應用,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號彗星 攜帶的所有光學系統(tǒng)由4D PhaseCam做質(zhì)量檢測QC.,重要項目中的應用,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儀(HiRISE) 其中的光學系統(tǒng)由4D Ph

24、aseCam做質(zhì)量檢測.,重要項目中的應用,James Webb Space Telescope (JWST)項目 主鏡6.5m,18塊子鏡拼接 曾試用4D PhaseCam做概念設計中鈹材料子鏡的測量 之后選定4D為重要測量儀器供應商,用于主鏡子鏡和總成,次鏡及背板結構,以及大光學系統(tǒng)的測量,多次反射測量,經(jīng)過鏡面多次反射后光強變得很弱增大了動態(tài)測量的難度,離軸非球面的測量,超薄鏡面的檢測,長焦距

25、離軸非球面的測量,長光程測量,口徑1.2m，半徑40m 拋物面,長光程測量中的氣流場,32m 光程, F 1.2m,4/4/2024,表面殘差 PVq=89nm：去除zernike項后,4/4/2024,口徑0.8m，500次測量平均消除氣流影響,加工現(xiàn)場檢測,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)復合鏡：半徑20m, 口徑0.5m,振動環(huán)境,世界上最大的望遠鏡主鏡,19.2m ROC, 8.4m diameter, F/1.14 Spin Cast Primary Mirror,,環(huán)境倉內(nèi)的低溫測試,Figure testing of 300 mm Zerodur mirrors at cryogenic temperatures, Ba

27、er & Lotz, SPIE 4822-4 July 2002,超音速沖擊波,強激光的熱過程,重要項目中的應用,亞利桑達大學 鏡面實驗室 2塊 8米口徑 長焦距 非球面的檢測,4D動態(tài)干涉儀 小結,泰曼－格林型PhaseCam P4020： P5030：光學變倍 P6000 IR/NIR 共光路菲索型 F2000：短相干光源 F3000：He-N