表面形貌测量在光学元件加工制造和表面功能特性评定等方面有着非比寻常的意义。设计一种三波长轮换的表面形貌测量系统, 与传统的白光相移干涉扫描等方法相比较, 能够有效扩大测量深度以及形貌精度。多波长测量中波长带来的误差会极大的影响测量的精度, 需要准确的校准波长。围绕三波长轮换表面形貌干涉测量系统, 提出了利用平面镜干涉图校准三个滤光片波长的方法。通过对粗糙度样本的测量实验及计算结果显示: 用校准后的波长计算标准方波样板得到的表面粗糙度数据与未使用为校准波长测得的结果相比其精度提高了1.3%, 与标准数据相比较其相对误差仅为4.1%。

研究一种基于干涉法测量液晶空间光调制器(LCSLM)的相位调制特性。利用合适的光路将一束激光分成两束并分别经过LCSLM,通过改变LCSLM中局部图像的灰度值,使其中一束光的相位发生变化,另一束保持不变。经过LCSLM后,两束光形成干涉条纹并被CCD接收,再根据干涉理论分析出SLM的相位调制特性。实验结果表明该SLM调制的相位与灰度值非线性关系,该方法能有效测出任意透射式LCSLM的相位调制特性。

针对相移干涉法测量表面三维形貌时深度测量范围受波长限制这一问题, 提出一种四波长表面形貌干涉测量系统。通过滤波片的轮换, 将白光LED光源的光切换出4个不同波长的光源, 并依次进行单波长干涉。为解决多波长干涉图像数据处理, 采用基于椭圆拟合的算法, 在逐帧逐点的相位计算条件下, 运用大小尺度相结合的算法实现高精度宽范围的表面形貌测量。实验结果表明: 在深度测量范围扩大到约41倍的条件下, 测量经中国计量科学研究院采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板, 得到的表面粗糙度数据与校准数据相比, 相对误差为4.09%。说明在一定的深度范围内, 该系统能够实现表面形貌的高精度测量。

为了实现对半导体激光器温度的高精度控制, 利用热电制冷器、温度传感器与相应的散热装置, 设计了一套半导体激光器温度控制的实验系统。首先采用热力学分析方法, 对实验系统进行了理论分析, 建立了该温控实验系统数学模型与相应的传递函数;其次, 在取得了半导体激光器温度数据的条件下, 根据模型参量的特点, 提出了一种结合阶跃响应的实验曲线, 应用非线性曲线最小二乘拟合进行模型参量的辨识; 最后利用该模型参量进行了系统仿真和实验验证。结果表明,仿真曲线、拟合曲线与实验曲线结果一致, 拟合的模型参量具有较高的预测精度。这些结果对优化调整温度控制实验是有帮助的。

用光学显微干涉法进行表面形貌测量时其深度测量范围的扩大和形貌测量精度的提高是一对矛盾。为此,本文设计出了一种基于波长轮换与相移扫描相结合的三波长表面形貌测量系统,并提出了一种基于椭圆拟合与相位差大小尺度相结合的相位提取与识别算法。将这种算法运用于多波长干涉图像的数据处理,有效地提高了形貌的整体测量精度,并拓展了深度测量范围。实验结果表明: 在深度测量范围扩大近15倍的条件下,采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板得到的表面粗糙度数据与校准数据的相对误差仅为4.12%,表明该系统在一定的深度范围内能够实现表面形貌的高精度测量。另外,针对该系统设计的多波长相位识别算法对环境噪声要求不高,可以支持系统的高噪声或在线测量。

相移干涉中，采用内像素椭圆拟合方法进行相移步长估计是一种有效的方法。提高这种方法的精度关键在于从干涉图中找到两组相差π/2的像素。通过对干涉序列图中局部区域灰度均值零、极点的位置计算，选定两幅相差π/2干涉序列图。运用这两幅干涉序列图，在对每个像素点采用四种灰度判别方法的基础上，提出了一种全视场范围内最大限度寻找相位相差π/2两组像素的方法。实验表明，这种方法比传统的方法具有更高的精度与普适性。

针对开环相移驱动下的单色光干涉测量, 提出一种满足四步法的高精度相位识别的方法。首先选取干涉场中存在适当相位差的两像素点, 建立相移驱动单周期内两像素点灰度序列值之间的干涉方程组。运用椭圆拟合获取相应干涉方程组参数, 然后通过反算序列相位确定逐点驱动步长或序列相位信息。结合序列相位信息, 运用Lagrange抛物插值算法, 设计计算满足四步法的4幅干涉图, 并计算各像素点的初相位。最后, 运用多波长算法计算表面形貌并进行误差分析。实验表明: 计算得到的方波多刻线样板的Ra值为0.439 0 μm, 测量误差为0.23%,此方法降低了对测量条件的硬件与环境要求, 满足表面形貌高精度测量的要求。

采用四象限探测器接收干涉条纹进行位移测量时, 干涉条纹的形状会影响各探测器之间的相位差。本文在建立干涉条纹形状与干涉夹角关系模型的基础上, 提出了应用四象限探测器识别干涉条纹形状的方法。通过干涉条纹光强面积分运算方法, 推导了干涉条纹形状参数与探测器信号相位差之间的理论公式, 并给出了相位差与干涉夹角之间的关系。利用PZT匀速驱动参考镜的方法实现了干涉条纹的动态调制, 提高了信号相位差的识别精度。通过椭圆拟合技术实现了相位差在(0, π)的高精度识别, 并结合特定的正余弦累积运算实现了(-π, π)相位差的识别, 从而完成了偏转角度方向的测量。相对传统CCD条纹形状识别方法, 该方法扩大了角度测量范围, 且更适合动态测量。与高精度自准直仪进行的比对实验表明,该方法在±300″的测量精度为3″。

在分析传统光电转换电路的基础上,提出了一种三极管电流放大加运放电压转换的新型光电转换电路。通过建立光电检测电路的噪声模型与系统频率响应函数,从信噪比与频率响应两方面论证了这种光电转换电路的优点。实验分别对静态光强信号与高速运动干涉条纹信号的接收分析,表明这种方法无论在信噪比还是响应速度上比传统的电流型光电转换电路都有大幅度的提高。