双通道时空混合相移干涉系统及相关问题研究

A two-channel spatiotemporal hybrid phase-shifting interferometry system with the simultaneous spatial phase-shifting and temporal phase-shifting function, which can eliminate the phase shifts error induced by the environmental disturbance and perform the dynamic phase measurement, is proposed in this project. Combining the two-channel interferometry system with the simultaneous spatial phase-shifting function and two-step phase-shifting algorithm, the dynamic phase measurement can be performed. Combining the two-channel interferometry system with the simultaneous temporal phase-shifting and spatial phase-shifting function, the temporal phase shifts can be calibrated in real time during the phase measurement. Utilizing the principal of interference and diffraction, as well as the microscopy, the spatial alignment accuracy of two image sensors can reach sub-micron level. For an arbitrary interferogram with random fringe distribution and arbitrary fringe number, the dynamic phase measurement with high-precision can be implemented by improving two-step phase-shifting algorithm. Moreover, the temporal phase shifts also can be calibrated in real time by improving the 1-norm algorithm. Based on the comprehensive function of two-channel spatiotemporal hybrid phase-shifting interferometry system, it will supply a new platform for the other phase-shifting phase measurement research.

针对传统相移光学相位干涉测量中精度易受环境干扰、难以实现动态相位测量的问题，提出一种同时具有同时空域相移和时域相移功能的双干涉通道相移相位测量方法和系统。利用双干涉通道的同时空域相移功能与两步相移算法结合，实现动态相位测量；利用双干涉通道的同时空域相移功能与时域相移功能结合，实现在实际相位测量过程中时域相移量的在线实时高精度标定，从而监测和抑制环境干扰的影响。利用干涉、衍射原理和显微测量方法，使两个图像传感器阵列面之间的空间匹配精度达到亚微米。在干涉图中条纹任意分布和不限定数量的情况下，通过两步相移算法的改进，实现相位的动态高精度测量，通过1-范数相移量标定方法的改进，实现时域相移量的在线实时高精度标定。利用系统的综合功能，为研究相移相位测量中存在的其他问题提供平台，拓展其应用领域，为系统的进一步改进积累经验。

国家自然科学基金面上项目“双通道时空混合相移干涉系统及相关问题研究”于2011年8月获得批准，项目编号61475048，资助经费88万元，研究期限：2015年1月至2018年12月。项目以实现光学相位动态高精度测量为目的，重点进行双通道时空混合相移干涉系统及其相关方法与技术问题研究，同时开展了多波长相移干涉测量和白光扫描干涉测量方法研究，取得了丰富的结果。. 项目研究了一种可用于动态相位测量的正交偏振光双通道时空混合相移干涉测量系统，既能保持相移干涉测量技术优点，又能实现动态相移干涉测量。解决双通道相移干涉测量系统中两个图像传感器之间的高精度空间匹配、相位匹配及时间同步方法和技术。全面研究和掌握了固定相位延迟的晶体波片实现相移的方法和技术，全面研究和掌握了液晶可调相位延迟器的相移特性和空域剪切特性。.在研究出一系列新的两步相移算法基础上，提出了一系列归一化正交相移算法，大大提高了运算速度和相位恢复精度，大大降低了相移干涉相位测量中对相移量的要求和环境干扰的影响。将归一化正交相移算法应用到了空域载频相移相位测量中，同样大大提高了运算速度和相位恢复精度。.利用上述实验系统和算法，进行了各种应用研究。对生物细胞生长过程、液体微滴蒸发过程中的形貌变化、液体表面油膜扩展过程、溶液蒸发过程中的折射率变化等动态相位变化过程进行了测量研究，为这些问题的研究提供了新的手段。将归一化正交相移算法应用到了双波长相移相位测量中，在大大提高了运算速度和相位恢复精度同时，降低了测量系统和测量过程的复杂程度。. 围绕项目的研究， 在国际本领域主流期刊上发表与项目研究内容直接相关的学术论文29篇；获得发明专利授权7件，获得软件著作权登记2件；课题组13人次参加了3个国内和1个国际学术会议；培养人才38人，包括：博士研究生5人（已毕业1人）、硕士研究生32人（已毕业20人）、博士后研究人员1人（已出站）。