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第1章 牛顿干涉仪、菲佐干涉仪和海丁格干涉仪1

1.1 引言1

1.2 牛顿干涉仪1

1.2.1 光源尺寸的考虑5

1.2.2 几种合适的光源7

1.2.3 制作平面样板的材料7

1.2.4 估计最大误差的简单方法8

1.2.5 球面的测量9

1.2.6 非球面的测量10

1.2.7 不透明表面平面度测量11

1.3 菲佐干涉仪12

1.3.1 基本的菲佐干涉仪12

1.3.2 光源相干性要求14

1.3.3 准直透镜质量要求14

1.3.4 液体基准面15

1.3.5 激光作为光源的菲佐干涉仪16

1.3.6 多光束菲佐干涉仪16

1.3.7 近似平行板的测量17

1.3.8 检测大口玻璃和熔融石英试样的不均匀性18

1.3.9 测量杆、块和平板面的平行度和平面度19

1.3.10 三面直角棱镜和直角棱镜的测量19

1.3.11 菲佐干涉仪检测曲面20

1.3.12 检测凹面和凸面21

1.4 海丁格干涉仪24

1.4.1 海丁格干涉仪的应用25

1.4.2 用激光作为海丁格干涉仪光源25

1.4.3 海丁格干涉仪的其他应用26

1.5 平面的绝对测量28

参考文献31

第2章 泰曼-格林干涉仪33

2.1 引言33

2.2 分光镜34

2.2.1 分光镜平板导致的光程差35

2.2.2 平板分光镜的精度要求36

2.2.3 偏振分光棱镜37

2.2.4 非偏振分光棱镜39

2.3 相干性要求40

2.3.1 空间相干性40

2.3.2 时间相干性43

2.4 泰曼-格林干涉仪的应用44

2.4.1 棱镜和衍射光栅的检测45

2.4.2 透镜的检测49

2.4.3 显微物镜的检测50

2.5 干涉仪内部畸变的补偿51

2.6 非等程干涉仪52

2.6.1 几种特殊设计53

2.6.2 提高条纹稳定性54

2.7 开放光路干涉仪55

2.7.1 马赫-泽德干涉仪55

2.7.2 倾斜入射干涉仪56

2.8 泰曼-格林光路结构的变形57

2.8.1 多幅成像干涉仪57

2.8.2 使用衍射分光镜的干涉仪57

2.8.3 相位共轭干涉仪57

2.9 泰曼-格林干涉图及其分析59

参考文献66

第3章 共光路干涉仪70

3.1 引言70

3.2 使用两块匹配散射板的伯奇干涉仪70

3.2.1 菲涅耳波带片干涉仪73

3.2.2 伯奇和菲涅耳波带片干涉仪检测非球面73

3.2.3 伯奇和菲涅耳波带片干涉仪测量相移74

3.3 双折射分光镜75

3.3.1 萨瓦偏光镜75

3.3.2 渥拉斯顿棱镜76

3.3.3 双焦系统77

3.4 横向剪切干涉仪77

3.4.1 萨瓦偏光镜的使用77

3.4.2 渥拉斯顿棱镜的使用80

3.5 双焦干涉仪81

3.6 桑德斯棱镜干涉仪82

3.7 点衍射干涉仪83

3.8 采用共光路干涉仪的泽尼克检测85

参考文献86

第4章 横向剪切干涉仪89

4.1 引言89

4.2 光源的相干性90

4.3 横向剪切干涉计量的理论简介90

4.3.1 球面和平面波前的干涉图样91

4.3.2 横向剪切干涉中初级像差的干涉图样93

4.4 未知波前的估计97

4.5 平行光横向剪切干涉仪（白光补偿）99

4.5.1 基于雅明（Jamin）干涉仪的横向剪切干涉装置99

4.5.2 基于迈克耳逊干涉仪的横向剪切干涉装置100

4.5.3 基于循环式干涉仪的横向剪切装置101

4.5.4 基于马赫-泽德干涉仪的横向剪切装置103

4.6 会聚光横向剪切干涉仪（白光补偿）103

4.6.1 基于迈克耳逊干涉仪的横向剪切装置103

4.6.2 基于马赫-泽德干涉仪的横向剪切装置105

4.7 使用激光的横向剪切干涉仪107

4.8 其他类型的横向剪切干涉仪113

4.8.1 基于衍射原理的横向剪切干涉仪113

4.8.2 基于偏振原理的横向剪切干涉仪116

4.9 矢量剪切干涉仪118

4.9.1 剪切干涉计量118

4.9.2 定向剪切干涉仪119

4.9.3 模拟干涉图样120

4.9.4 实验结果123

4.9.5 矢量剪切干涉仪和其他干涉仪的相似点和差别126

参考文献129

第5章 径向、旋转和反转剪切干涉仪134

5.1 引言134

5.2 径向剪切干涉仪135

5.2.1 径向剪切干涉图样的波前评估136

5.2.2 单光程径向剪切干涉仪137

5.2.3 双光程径向剪切干涉仪139

5.2.4 激光径向剪切干涉仪142

5.2.5 厚透镜径向剪切干涉仪146

5.3 旋转剪切干涉仪147

5.3.1 光源大小未补偿的旋转剪切干涉仪149

5.3.2 光源补偿的旋转剪切干涉仪152

5.4 反转剪切干涉仪152

参考文献155

第6章 多光束干涉仪158

6.1 发展简史158

6.2 多光束干涉计量技术的精度160

6.3 多光束菲佐干涉仪161

6.3.1 干涉条纹的形成161

6.3.2 菲佐干涉测量法165

6.4 等色序条纹167

6.5 多光束干涉测量中如何减少干涉条纹的间隔169

6.6 平行平面法布里珀罗干涉仪170

6.6.1 薄膜厚度的测量170

6.6.2 表面平面度偏差170

6.7 用法布里-珀罗干涉仪产生的托兰斯基干涉条纹173

6.8 检验曲面用的多光束干涉仪175

6.9 耦合干涉仪和串联干涉仪176

6.9.1 耦合干涉仪176

6.9.2 串联干涉仪178

6.10 全息多光束干涉仪178

6.11 法布里-珀罗干涉条纹近代的发展和应用178

6.12 结束语181

参考文献182

第7章 多通道干涉仪188

7.1 双通道干涉仪188

7.1.1 像差分离188

7.1.2 相干条件的抑制189

7.1.3 提高精度的双通道干涉仪191

7.2 多通道干涉仪193

参考文献197

第8章 傅科刀口法、细丝法及调相法199

8.1 引言199

8.2 傅科检验法和刀口检验法199

8.2.1 说明199

8.2.2 几何原理202

8.2.3 物理原理208

8.3 细丝检验法211

8.4 普拉兹克-盖维俄拉检验法215

8.5 调相检验法218

8.5.1 泽尼克检验及其与斯马特干涉仪的关系218

8.5.2 利奥特检验法220

8.5.3 沃尔特检验法221

8.6 朗奇-康芒检验法223

8.7 结束语225

参考文献226

第9章 朗奇（Ronchi）检验法229

9.1 引言229

9.2 几何原理230

9.2.1 初级像差的朗奇图231

9.2.2 非球面的朗奇图236

9.2.3 补偿朗奇光栅237

9.3 波面形状的测定239

9.3.1 普通情况241

9.3.2 旋转对称的表面243

9.4 物理原理244

9.4.1 数学分析244

9.4.2 条纹的对比度和锐度247

9.4.3 物理原理与几何原理的关系249

9.5 朗奇检验法的实际应用250

9.6 其他几种相关的检验252

9.6.1 同心圆环格栅252

9.6.2 扫描朗奇检验法253

9.6.3 边带朗奇检验法253

9.6.4 洛厄检验法254

9.6.5 朗奇-哈特曼和零哈特曼检验法255

9.7 结束语256

参考文献256

第10章 哈特曼光阑检验、哈特曼-夏克光阑检验及其他光阑检验264

10.1 引言264

10.2 实例266

10.3 矩形光阑的哈特曼检验267

10.4 波面恢复269

10.4.1 去倾斜与离焦269

10.4.2 梯形积分法271

10.4.3 索斯韦尔算法273

10.4.4 多项式拟合274

10.4.5 其他方法274

10.5 四孔光阑的哈特曼检验275

10.5.1 呈十字形的四孔275

10.5.2 呈X形的四孔277

10.6 眼镜的哈特曼检验277

10.7 采用非矩形光阑的哈特曼检验278

10.7.1 哈特曼径向光阑278

10.7.2 螺旋式光阑280

10.8 哈特曼-夏克检验280

10.9 交叉圆柱镜测试282

10.10 光源阵列或者网格测试283

10.10.1 会聚透镜检验284

10.10.2 凹面和凸面的检验285

10.11 迈克耳逊-加德纳-贝尼特检验法288

10.12 其他进展状况290

参考文献290

第11章 星点检验法293

11.1 引言293

11.2 小像差星点检验294

11.2.1 无像差爱里斑294

11.2.2 离焦爱里斑296

11.2.3 复合光299

11.2.4 中心遮拦系统299

11.2.5 小像差相关结论和现象299

11.2.6 高斯光束300

11.2.7 极小汇聚角（小菲涅耳数）301

11.3 小像差实测结果301

11.3.1 目视星点检测所观测到的现象302

11.3.2 星点检验的光源302

11.3.3 星点检验光学系统简图304

11.3.4 显微镜物镜305

11.4 大像差星点检验306

11.4.1 球差307

11.4.2 纵向色差308

11.4.3 轴对称性308

11.4.4 像散和彗差308

11.4.5 畸变309

11.4.6 非零位检验309

11.5 由测得的斜率和曲率恢复波前310

11.5.1 拉普拉斯变换和局部平均曲率310

11.5.2 傅里叶变换迭代计算波前310

11.5.3 光强传递方程312

11.6 根据光强传递方程由两幅离焦像求解波前313

11.7 根据傅里叶迭代变换由一幅离焦像求解波前316

11.8 根据菲涅耳变换迭代由两幅或三幅离焦像求解波前316

参考文献318

第12章 非球面波前和镜面的检验321

12.1 引言321

12.2 一些检验非球面波前的方法323

12.3 在非零位检测中干涉图的成像324

12.4 一些零位检测的光路326

12.4.1 平面和凹球面326

12.4.2 望远镜折射式物镜327

12.4.3 凹抛物面镜327

12.4.4 凹椭球面或球面328

12.5 凸双曲面的检测329

12.5.1 海德类型检验329

12.5.2 采用折射方式检验331

12.6 检测圆柱面333

12.7 早期的补偿器336

12.7.1 柯德补偿器、伯奇补偿器和罗斯补偿器336

12.7.2 多尔补偿器338

12.8 奥夫纳补偿器340

12.8.1 折射式奥夫纳补偿器340

12.8.2 谢弗补偿器342

12.8.3 折射式补偿器总结343

12.9 反射式补偿器343

12.9.1 反射式奥夫纳补偿器345

12.9.2 反射式自适应补偿器347

12.10 用于二次凹面的其他补偿检验法347

12.11 使用实全息图的干涉仪350

12.11.1 全息波前存储351

12.11.2 全息检测板351

12.12 应用综合全息图的干涉仪352

12.12.1 CGH的制作352

12.12.2 应用综合全息图的干涉仪354

12.12.3 离轴CGH非球面补偿器356

12.12.4 同轴CGH的非球面补偿器358

12.12.5 CGH与补偿光学元件的组合使用359

12.13 利用双波长全息图检验非球面361

12.14 波前拼接362

12.14.1 环形划分363

12.14.2 圆形划分363

12.14.3 动态倾斜开关363

参考文献364

第13章 泽尼克多项式与波前拟合369

13.1 简介369

13.2 具有圆形光瞳的旋转对称系统的像差369

13.2.1 幂级数展开法369

13.2.2 初级像差函数或赛德尔像差函数371

13.2.3 二级像差函数或者施瓦兹希尔像差函数373

13.2.4 泽尼克圆多项式展开373

13.2.5 最小波像差方差时用泽尼克圆多项式表示平衡像差376

13.2.6 幂级数系数和泽尼克多项式展开项系数的关系377

13.2.7 赛德尔像差到泽尼克像差的转换378

13.2.8 泽尼克像差到赛德尔像差的转换382

13.3 含圆形光瞳而不含旋转对称轴的像差函数383

13.3.1 泽尼克圆多项式展开383

13.3.2 指数n、m和j的关系386

13.3.3 泽尼克圆多项式像差的波面高度图、干涉图和点扩展图386

13.3.4 初阶泽尼克像差及其与赛德尔像差的关系387

13.4 泽尼克环多项式作为环形光瞳系统的平衡像差390

13.4.1 平衡像差390

13.4.2 泽尼克环多项式390

13.4.3 泽尼克环多项式像差的波面高度分布图、干涉图和点扩展函数图396

13.5 利用离散波前误差数据计算泽尼克系数397

13.5.1 简介397

13.5.2 正交系数和像差变量398

13.5.3 正交多项式399

13.5.4 泽尼克系数400

13.5.5 数字化举例400

13.6 总结403

参考文献404

第14章 相移干涉测量406

14.1 导言406

14.2 基本原理406

14.3 PSI的优势408

14.4 相移的方法409

14.5 探测波前相位413

14.6 数据采集415

14.6.1 时域方法415

14.6.2 空域方法418

14.7 PSI算法421

14.7.1 三步算法421

14.7.2 最小二乘算法423

14.7.3 卡雷算法425

14.7.4 平均算法426

14.7.5 哈里哈伦算法427

14.7.6 2+1算法429

14.7.7 生成算法的方法430

14.7.8 评估算法的方法433

14.7.9 算法总结437

14.8 相移校准442

14.9 误差源444

14.9.1 相移误差445

14.9.2 探测器的非线性446

14.9.3 光源稳定性449

14.9.4 量化误差449

14.9.5 振动误差450

14.9.6 空气湍流452

14.9.7 有害条纹和其他相干效应452

14.9.8 干涉仪的光学误差453

14.10 探测器和空间采样454

14.10.1 固体传感器454

14.10.2 空间采样455

14.11 品质函数457

14.11.1 调制458

14.11.2 残差459

14.11.3 滤波461

14.12 相位解包裹462

14.12.1 一维解包裹463

14.12.2 二维相位解包裹464

14.12.3 路径跟踪算法465

14.12.4 与路径无关的方法466

14.13 非球面及扩展量程的PSI技术467

14.13.1 混叠467

14.13.2 子奈奎斯特干涉法469

14.13.3 双波长PSI471

14.13.4 子孔径拼接473

14.14 其他分析方法474

14.14.1 零交叉分析方法474

14.14.2 同步检波474

14.14.3 外差干涉测量法475

14.14.4 锁相干涉测量法476

14.14.5 空间同步检波和傅里叶方法476

14.15 计算机处理和输出478

14.16 实现和应用480

14.16.1 商品化的测量仪器480

14.16.2 干涉仪构造482

14.16.3 绝对测量483

14.16.4 光源485

14.16.5 线性基准486

14.17 PSI技术的发展趋势486

参考文献487

第15章 表面轮廓仪、多波长及白光干涉测量497

15.1 表面轮廓仪介绍497

15.1.1 接触式轮廓仪497

15.1.2 光学轮廓仪497

15.1.3 干涉型光学轮廓仪498

15.1.4 确定系统性能的术语和问题498

15.2 接触式轮廓仪499

15.2.1 探针轮廓仪499

15.2.2 扫描探针显微镜502

15.2.3 AFM和探针轮廓仪的比较510

15.3 光学轮廓仪512

15.3.1 光学聚焦传感器512

15.3.2 共焦显微镜513

15.4 干涉光学轮廓仪518

15.5 双波长和多波长技术524

15.5.1 双波长相位测量524

15.5.2 多波长相位测量526

15.5.3 减少测量时间529

15.6 白光干涉光学轮廓仪529

15.6.1 白光干涉529

15.6.2 图像构成530

15.6.3 白光干涉图的信号处理531

15.6.4 光源533

15.6.5 白光条纹色散533

15.6.6 干涉光学轮廓仪的其他名称538

15.7 波长扫描干涉仪539

15.7.1 波长可调谐光源539

15.7.2 图像构成540

15.7.3 信号分析542

15.7.4 薄膜和平板厚度的测量544

15.8 光谱分辨白光干涉测量544

15.8.1 图像构成544

15.8.2 信号分析546

15.8.3 光谱干涉测量的其他名称547

15.9 偏振干涉测量548

15.9.1 微分干涉差显微镜（诺马斯基）548

15.9.2 几何相移549

15.10 光学测距方法552

15.10.1 干涉测距552

15.10.2 光学三角测量552

15.10.3 渡越时间（TOF）552

15.11 总结552

参考文献553

第16章 散射表面光学检测564

16.1 莫尔条纹与条纹投影技术564

16.1.1 简介564

16.1.2 什么是莫尔条纹565

16.1.3 莫尔条纹与干涉图568

16.1.4 历史回顾573

16.1.5 条纹投影技术574

16.1.6 阴影莫尔条纹576

16.1.7 投影莫尔条纹法578

16.1.8 双角度全息术579

16.1.9 共同特征580

16.1.10 与传统干涉仪的比较结果580

16.1.11 编码与结构光投影580

16.1.12 应用581

16.1.13 总结581

16.2 全息与散斑测试582

16.2.1 引言582

16.2.2 用于非相消检测的全息干涉术583

16.2.3 散斑干涉术与数字全息技术587

参考文献594

第17章 角度、棱镜、曲率半径和焦距的测量600

17.1 引言600

17.2 角度测量600

17.2.1 圆度盘和测角器600

17.2.2 自准直仪601

17.2.3 干涉法测量角度603

17.3 棱镜的测量603

17.4 曲率半径的测量606

17.4.1 机械方法测量曲率半径606

17.4.2 光学方法测量曲率半径608

17.5 焦距测量610

17.5.1 光具座610

17.5.2 焦距计610

17.5.3 焦距测量的其他方法611

参考文献612

第18章 光学面及其特性的数学描述616

18.1 光学面的定义616

18.1.1 二次曲面的参数617

18.1.2 几个有用的z的展开式618

18.1.3 表面法线的像差619

18.2 由非球面产生的焦散面620

18.3 球面的初始像差621

18.3.1 非球面的球差621

18.3.2 凹面镜的彗差622

18.3.3 凹面镜的像散622

18.4 像散面623

18.4.1 超环面623

18.4.2 椭球面和扁圆球面的像散624

18.4.3 球柱面626

18.4.4 被测像散面和参考像散面626

18.4.5 像散面之间的对比关系627

18.5 离轴二次曲面628

参考文献630