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1、4D Technology CorporationCompany Profile,4D 动态相移干涉仪（Dynamic Interferometer)-原理、技术与应用Oct.2010,www.OPT,主要内容,相移干涉技术的原理动态相移干涉仪原理4D PhaseCam 动态干涉仪动态干涉仪的应用,2.1 相移干涉技术的原理,两束光发生干涉，其干涉场,2.1 相移干涉技术的原理 续,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)f(c3)=p(180)I4(
2、x,y)=I0+I sin f(x,y)f(c4)=3p/2(270),I(x,y)=I0+I cosf(x,y)+f(c),对同一表面，采多幅不同相位的干涉图，进行计算，获得表面的数值,2.2 相移干涉技术的原理 普通干涉仪,准直镜,参考面,被测面,分束器,激光,Camera,光阑,2.2 相移干涉技术的原理 普通干涉仪 续,f(c)=f(t),按时间顺序，人为改变干涉图的相位,f(0.03s)=0 deg,f(0.06s)=90deg,f(0.09s)=180deg,f(0.12s)=270deg,2.3 相移干涉技术的原理 振动的影响,CCD的帧频(30帧/秒），导致普通相移干涉测量时间
3、120ms能不能用一帧干涉图就完成测量？,(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 动态干涉仪原理,所有相位图都在同一时刻获得!,圆偏光(Df)+线偏振器(a),cos(Df+2a),1 与光轴平行的分量才能发生干涉2 偏振器的光轴角度决定了 相移结果,使用偏振光的相移机理,3.2 4D 动态干涉仪原理 续 相位相关探测器,Kothiyal and Delsile,Appl.Opt.V24 n24 p4439(1
4、985)Kemo,et.al,Appl Opt.V41 n 13 p2448(2002),定向微偏振器阵列,3.2 4D 动态干涉仪原理 续 相位相关探测器,相位相关探测器,3.2 4D 动态干涉仪原理 续相位相关探测器,24 x 17 pixel 真实光强图从每一个位相单元提取一个相同相移的像素，构成条纹图,4.1.1 PhaseCam泰曼格林系列,4.1.2 PhaseCam产品线,P4000P4010P4020 P5030 P6000,基于泰曼型的多波长、高能、ESPI、便携型,品种最多，发展最完善，用户最多，最稳定,非共光路（倾斜光路）式：F1000F1500F1600 共光路（真正菲
5、索）式：F2000 F3000,4.2 FizCam产品线,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 续,缺点：非共光路：球面测量时，会引入离轴误差；当测量相对孔径较大表面时，误差增大镜头相对光轴倾斜：导致光线追迹误差，需要高质量的光学元件进行修正最大的问题：光源的稳定性 因为需要大能量的光源，只能采用半导体激光器，而该类型的激光器的相干性对温度变化非常敏感,共光路的特征：干涉仪、参考镜、被测镜共轴参考光与
6、样品光 在参考面后路径相同,非共光路引入的问题:Retrace error 特别是球面测量中的误差 必须用高质量的透镜 必须校准（参见ESDI报告）,ESDI H2000 的问题,采用引入误差的非共光路菲索型 使用普通标准镜头会影响测量精度 光源相干性受环境影响而不稳定 变倍调焦 联动 CCD可靠性值得怀疑 每次测量都要两次校准调整做计算 测量软件非常繁琐费解+技术支持不利,ESDI H2000 的问题,Reference,Collimator,BeamSplitter,Stop,QWP,Camera,Pixelated Mask,短相干光源,HWP,QWP,PBS,Test,4.2.2 共光
7、路斐索型/短相干光源FizCam2000s,共光路 动态干涉仪,Pathmatch controls which surface is measured,S1,S2,4.2.2 共光路斐索型/短相干光源FizCam2000s 续,Short,Long,激光器的相干长度,短相干光源的优势,4.2.2 共光路斐索型/短相干光源FizCam2000s 续,光学厚度的测量,F2000 测量控制,4Sight F10Recalibration:扫描找到起始零点，一般是TF的参考面PathScan：在设定Range内扫描找到相关表面StepSize：设定较小的值可以精确确定位置Modulation Gra
8、ph:可以看到扫描范围内的所有表面,F2000测量控制,定位不同的表面扫描范围400 2000 mm,光学均匀性精确测量,5/29/2023,F2000 的远程光腔测量,Figure courtesy of K.Smith,Ball Aerospace,JWST 次镜测试方案800mm 直径双曲面,FizCam 2000 with F/5 diverging lens,F2000 的远程光腔测量,5/29/2023,300mm直径凸球面的拼接测量,普通干涉仪在拼接时，受气流影响太大,被测凸球面,共焦测量位置,5/29/2023,27,4.2.3 F2000的应用2,菲索型大口径方案,DIY 大
9、口径菲索干涉仪,F2000-300 12”干涉仪,F2000-300,300TF 内应力,FizCam 2000 动态干涉仪 真正共光路的菲索型动态干涉仪多元件、多表面的透过测量远程空腔测量均匀性测量装夹应力测量与扩束器结合构成大口径干涉仪,4.2.4 F2000的优势,真正的共光路菲索干涉仪HeNe光源：稳定的相干长度动态,4.3 F3000,Laser,4.3.1 F3000 原理,z(t),z(t),TestSurface,4.3.1 F3000 原理,F3000 参与干涉的光束,有4束光到达CCD前：带有参考面信息的S-偏振光带有样品面信息的S-偏振光带有参考面信息的P-偏振光带有样品
10、面信息的S-偏振光,4.3.2 F3000 性能指标,4D 产品 系列,FizCam斐索型干涉仪4“32”倾斜光束1000系列共光路 2000系列,PhaseCam泰曼格林型干涉仪多波长ESPI电子散斑适用于大口径长光程凹面的测量,160 x160 x85mm,NIR/IR 干涉仪193nm 干涉仪,Patent No.US 7,057,738,Patent No.US 6,304,330,PC6000,5/29/2023,4DTechnology Corporation,39,Award Winning Technology,10 US Patents(licensed or owned),
11、numerous pending2003 Photonics Circle of Excellence Winner:One of the best 25 new products of the year2004 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
12、6000 Configuration,5/29/2023,40,Features-Specifications,Small form factorFully automated,remotely controllableInterchangeable sourcesLarger beam diameter 9mmEntrance pupil plane 50mm in front of system 1MPix camera,fixed magnification532 or 632.8nm single mode,long coherence sources,5/29/2023,41,Ext
13、ended Precision Package for PhaseCam6000,PhaseCam 6000Extended Precision Package,Artifacts virtually eliminated,Artifacts from dust,diverger optics,etc.,Extended Precision Package,Standard Illumination Source,Quantitative Improvement,PV 28nm,PV 5nm,“Bulls-eye”artifacts are highly attenuated in measu
14、rement,Performance Improvement vs.Spatial Frequency,Factor of two Improvement!,Factor of four improvement at higher spatial frequencies!,6.动态干涉仪的应用,适合于 恶劣环境下的测量快速测量 测量速度受曝光时间限制，而不受CCD帧频限制!对振动不敏感减少了气流的影响多次平均适合于 挑战性的测试设置大口径光学元件或系统 长光程真空或环境仓内的测试适合于 高难度测试运动表面多波长干涉仪JWST电子散斑干涉仪ESPINASA生产环境下的测试,重要项目中的应用,NA
15、SA于2005年1月发射的“深度撞击飞行器”7月4日成功撞击坦普尔1号彗星 携带的所有光学系统由4D PhaseCam做质量检测QC.,重要项目中的应用,2005年8月Ball宇航发射了火星轨道人造卫星(MRO)携带有高分辨成像科学仪(HiRISE)其中的光学系统由4D PhaseCam做质量检测.,重要项目中的应用,James Webb Space Telescope(JWST)项目 主镜6.5m,18块子镜拼接 曾试用4D PhaseCam做概念设计中铍材料子镜的测量 之后选定4D为重要测量仪器供应商,用于主镜子镜和总成,次镜及背板结构,以及大光学系统的测量,多次反射测量,经过镜面多次反射
16、后光强变得很弱增大了动态测量的难度,离轴非球面的测量,超薄镜面的检测,长焦距离轴非球面的测量,长光程测量,口径1.2m，半径40m 抛物面,长光程测量中的气流场,32m 光程,F 1.2m,5/29/2023,表面残差 PVq=89nm：去除zernike项后,5/29/2023,口径0.8m，500次测量平均消除气流影响,加工现场检测,气流的均化与抑止,Confocal test of 3m radius,300mm diameter spherical mirror-0.0008 l rms 1s repeatability,5 averages of 25 measurements,轻质
17、复合镜：半径20m,口径0.5m,振动环境,世界上最大的望远镜主镜,19.2m ROC,8.4m diameter,F/1.14 Spin Cast Primary Mirror,环境仓内的低温测试,Figure testing of 300 mm Zerodur mirrors at cryogenic temperatures,Baer&Lotz,SPIE 4822-4 July 2002,超音速冲击波,强激光的热过程,重要项目中的应用,亚利桑达大学 镜面实验室 2块 8米口径 长焦距 非球面的检测,4D动态干涉仪 小结,泰曼格林型PhaseCam P4020：P5030：光学变倍 P6000 IR/NIR 共光路菲索型 F2000：短相干光源 F3000：He-Ne长相干光源其它：WaveCam ESPI 多波长干涉仪,谢 谢,
