相位測(cè)量
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-22
相位測(cè)量的實(shí)例教程
精確測(cè)量是科學(xué)和技術(shù)的核心，如何使探測(cè)系統(tǒng)達(dá)到最精度能是一個(gè)重要的基本問(wèn)題。由于物理源基本是是量子化的，因此量子物理學(xué)決定了可以實(shí)現(xiàn)的最終精度。相關(guān)量子源，例如糾纏狀態(tài)，在測(cè)量中可以提供比獨(dú)立使用量子系統(tǒng)更強(qiáng)的精度。量子增強(qiáng)光學(xué)相位估計(jì)有望改進(jìn)目前使用干涉測(cè)量的所有測(cè)量精度。這種光學(xué)量子計(jì)量可以分為兩個(gè)不同的任務(wù)。在相位檢測(cè)中，一個(gè)非常具體的情況是確定關(guān)于已經(jīng)眾所周知的相位中的小偏差。原則上，使用最大路徑糾纏的NOON狀態(tài)可以為該任務(wù)提供最佳靈敏度。更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)是相位測(cè)量，有時(shí)稱為初始相位測(cè)量，目的是在沒(méi)有關(guān)于其值的先驗(yàn)信息的情況下確定未知相位φ。在這種情況下，使用光學(xué)相移自適應(yīng)量子測(cè)量，或糾纏自適應(yīng)量子測(cè)量的多次通過(guò)方法，已經(jīng)證明能夠超過(guò)散粒噪聲限制（SNL）。SNL表示通過(guò)一定數(shù)量光子相移的N個(gè)獨(dú)立樣本可實(shí)現(xiàn)的最小方差。相位測(cè)量方案不限于光學(xué)方法：例如，等效技術(shù)還使用在由磁場(chǎng)引起的單NV中心疊加態(tài)的相移測(cè)量上。
圖1 光學(xué)相位測(cè)量概念。a，用于估計(jì)未知相位φ的基本干涉設(shè)置；b，高級(jí)干涉儀的概念方案，其包括多次（p）通過(guò)的相移φ和參考臂中可控相位θ的；c，b中所示干涉儀的量子電路表示；d，用于N = 3源的海森堡極限干涉相位估計(jì)的量子電路。原則上，該協(xié)議可擴(kuò)展到更高的N；e，用于制備最佳狀態(tài)的量子電路。
一開(kāi)始光學(xué)相位測(cè)量的任務(wù)就是完全估計(jì)未知的相位，在具有開(kāi)銷(xiāo)因子的情況下，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其精度超出了SNL，甚至達(dá)到了最終界限，海森堡極限（HL）。然而，現(xiàn)有的方法甚至在原理上都不能達(dá)到最佳可能的精度，從而精確地飽和HL。近日，格里菲斯大學(xué)的科學(xué)家演示了一種解決量子計(jì)量學(xué)的一個(gè)懸而未決的基本問(wèn)題的技術(shù)：如何在最佳的HL上測(cè)量相位？它們提出了一個(gè)具體的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)以前在理論上提出的概念方案，并實(shí)施實(shí)驗(yàn)。
展開(kāi) 原文信息
原文標(biāo)題：“Phase characterisation of metalenses”
第一作者：Maoxiong Zhao,Mu Ku Chen,ZePeng Zhuang
通訊作者：Lei Shi,Jian-Wen Dong, Jian Zi & Din Ping Tsai
超表面因強(qiáng)大的光學(xué)調(diào)控性能與微型化優(yōu)勢(shì)，在光學(xué)領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值，但加工誤差帶來(lái)的相位分布偏離問(wèn)題，嚴(yán)重制約其性能表現(xiàn)。精準(zhǔn)測(cè)量相位分布作為突破這一困境的關(guān)鍵，促使科研人員在眾多測(cè)量技術(shù)中深入探索，而干涉測(cè)量法憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)脫穎而出。
超透鏡相位偏差示意圖，理想和實(shí)際的對(duì)比(來(lái)自原文)
干涉測(cè)量的核心原理基于光波疊加產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。兩束光相遇疊加時(shí)，振動(dòng)的加強(qiáng)與減弱形成明暗相間的條紋，其分布規(guī)律與光束相位緊密相連。通過(guò)構(gòu)建特定數(shù)學(xué)模型，采集并分析干涉數(shù)據(jù)，就能精準(zhǔn)獲取待測(cè)參數(shù)。在超表面相位測(cè)量場(chǎng)景中，干涉測(cè)量的重要性不言而喻。
目前主流的干涉測(cè)量模式包括同軸干涉與離軸干涉，二者各有特點(diǎn)。同軸干涉中，平行的參考光束與物光束提供恒定相位基準(zhǔn)，需同時(shí)采集多光束強(qiáng)度并進(jìn)行相移操作來(lái)計(jì)算超表面相位；離軸干涉模式下，物光與參考光呈特定夾角，參考光提供梯度相位分布，借助傅里葉變換和濾波處理，單次測(cè)量即可提取相位信息。這種單次測(cè)量的便利性，使離軸干涉在超表面相位測(cè)量中更具優(yōu)勢(shì)。
超表面干涉相位測(cè)量光路圖（來(lái)自原文）
基于離軸干涉原理，科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了專用測(cè)量裝置。激光束經(jīng)擴(kuò)束形成平面波前，經(jīng)分束器（BS1）分為物光與參考光。物光路徑利用物鏡和消色差雙合透鏡（L1）對(duì)超透鏡成像，參考光則通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡 L2 在 x 方向的位置，以特定角度入射至 CCD，實(shí)現(xiàn)離軸干涉。
展開(kāi) 而激光干涉儀是一種能夠測(cè)量機(jī)床精度的高精度測(cè)量裝置。它利用激光干涉現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，具有高精度、高分辨率、快速測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
了解機(jī)床精度的重要性
機(jī)床精度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，它是制造業(yè)中至關(guān)重要的一個(gè)指標(biāo)。在現(xiàn)代制造業(yè)中，隨著對(duì)產(chǎn)品精度要求的不斷提高，機(jī)床精度的重要性也日益凸顯。而激光干涉儀作為一種高精度測(cè)量工具，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床精度的測(cè)量中。
工作原理
激光干涉儀利用激光光束的干涉原理來(lái)測(cè)量物體的形狀和表面的高度差異。其原理是基于兩束相干光在空間交叉的地方發(fā)生干涉，形成干涉條紋，通過(guò)測(cè)量干涉條紋的變化來(lái)推斷被測(cè)量物體的參數(shù)。
測(cè)量原理
激光干涉儀的測(cè)量原理主要包括相位測(cè)量和位移測(cè)量。相位測(cè)量是通過(guò)測(cè)量干涉條紋的相位差來(lái)計(jì)算被測(cè)量物體的形狀、位置等參數(shù)；位移測(cè)量是通過(guò)測(cè)量干涉條紋的位移來(lái)確定物體的位移量。這兩種測(cè)量原理在不同應(yīng)用場(chǎng)景下有著各自的優(yōu)勢(shì)和適用性。
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
1、激光干涉儀具有非常高的測(cè)量精度和重復(fù)性。
2、激光干涉儀可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，不會(huì)對(duì)被測(cè)量物體造成損傷。
3、激光干涉儀具有實(shí)時(shí)性測(cè)量能力，能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)位置或參數(shù)，提高測(cè)量效率。
產(chǎn)品應(yīng)用
1.測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌的直線度和平行度。
導(dǎo)軌是機(jī)床中的重要零部件，直線度和平行度的誤差會(huì)直接影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性。激光干涉儀可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)軌上的干涉條紋來(lái)確定其直線度和平行度的偏差，從而指導(dǎo)后續(xù)的優(yōu)化和調(diào)整。
2.測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的平面度和垂直度。
機(jī)床工作臺(tái)的平面度和垂直度直接影響工件的加工精度和質(zhì)量。
展開(kāi) 激光同軸位移傳感器（左）與傳統(tǒng)的三角法激光位移傳感器（右）對(duì)比
基于這一結(jié)合了瞬時(shí)位移、振動(dòng)、光學(xué)相位測(cè)量和絕對(duì)位移／距離的測(cè)量的小型化激光傳感平臺(tái)，摯感光子還研發(fā)了一系列的激光傳感模塊（見(jiàn)圖）。
據(jù)OFweek激光網(wǎng)了解，摯感光子自主研發(fā)的MX－G系列激光同軸傳感器采用自主研發(fā)的非線性調(diào)頻連續(xù)波調(diào)制解調(diào)（FMCW）技術(shù)，基于光學(xué)相干接收原理，具有光功率極低（距離15cm外輸出光功率僅需5mW）、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣（可以測(cè)量從幾厘米到4米范圍內(nèi)的物體）、測(cè)量精度高（1米外的位移測(cè)量，重復(fù)精度通常小于0.01μm）、抗干擾性強(qiáng)（只對(duì)自身光源波長(zhǎng)敏感，可以抵抗任何環(huán)境光的干擾）、激光同軸設(shè)計(jì)（能夠測(cè)量傳統(tǒng)三角法傳感器難以測(cè)量的物體，如盲孔）、敏感度高等優(yōu)點(diǎn)。MX－G系列傳感器可測(cè)量的距離和范圍非常廣，卻能保持與近距離測(cè)量相同的精度，這是傳統(tǒng)的三角法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
MX－G系列激光同軸位移傳感器
摯感光子技術(shù)人員向OFweek激光網(wǎng)介紹，MX－G系列激光同軸位移傳感器的關(guān)鍵部件是其光模組。它由激光器、光電探測(cè)器（封裝內(nèi)）、集成光學(xué)芯片及光學(xué)透鏡組成。光學(xué)透鏡是可調(diào)的，并可根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行更換。標(biāo)準(zhǔn)配置的鏡片（直徑8.5mm）適用于150mm的聚焦光束，光斑半徑為0.05mm，當(dāng)測(cè)量距離為2米時(shí)光斑半徑為1mm左右。如果用戶需要，還可以支持準(zhǔn)直配置。例如安裝一個(gè)直徑為6.5mm的透鏡并支持準(zhǔn)直型測(cè)量，光斑半徑為3.5mm，可同時(shí)滿足用戶準(zhǔn)直測(cè)量和較小光斑的需求。尤為突出的一點(diǎn)是，這種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)三角法無(wú)法完成的深孔測(cè)量。
展開(kāi) SNR是通過(guò)測(cè)量聚焦效率來(lái)表征，聚焦效率被確定為聚焦在超透鏡的焦平面處入射功率的占比。
圖2 超透鏡的PSF測(cè)量的光學(xué)設(shè)置示例
偏轉(zhuǎn)特性：
超表面其中一個(gè)應(yīng)用是光束偏轉(zhuǎn)。該器件可以將光偏轉(zhuǎn)到任何所需的角度。它的特性通常包括確定偏轉(zhuǎn)角以及偏轉(zhuǎn)效率。后者被定義為所需階次的功率與其他階次的總發(fā)射功率之間的比率。兩種方法可用于實(shí)驗(yàn)表征，即直接測(cè)量和k空間測(cè)量。
超表面相位測(cè)量表征
超表面的一個(gè)核心應(yīng)用是依靠結(jié)構(gòu)單元引入相移突變來(lái)設(shè)計(jì)光的波前。因此，在制造后能夠準(zhǔn)確地表征有效相移是至關(guān)重要的。但是任何光電探測(cè)器都沒(méi)法直接測(cè)量空間相位分布，因?yàn)樗峁┑男畔⒅挥袕?qiáng)度。然而，有幾種方法可以從強(qiáng)度測(cè)量中提取相位信息。
這些方法可以分為兩類：
1）強(qiáng)度干涉法，從幾個(gè)光束的干涉圖案推斷相位輪廓；
2）相位恢復(fù)法，基于通過(guò)光束傳播和衍射的空間強(qiáng)度分布的演變來(lái)重建相位輪廓。
強(qiáng)度干涉測(cè)量方法：
強(qiáng)度干涉法是利用至少兩束光產(chǎn)生干涉，通過(guò)干涉圖樣直接推導(dǎo)出光束的相位信息。根據(jù)原理的不同，干涉測(cè)量方法可以分為兩類：
1）參考光束干涉測(cè)量法 ，其示意圖如圖3（a）所示。該方法將相干單色光束分成兩束，一束作為參考光，另一束探測(cè)超表面，兩束光再重新組合到光學(xué)傳感器上。通過(guò)測(cè)量兩束光的相位差，在減去無(wú)超表面時(shí)的相位差，并進(jìn)行校準(zhǔn)以消除參考相位項(xiàng)和其他像差的空間變化后，即可得到超表面的相位輪廓。
2）剪切波干涉測(cè)量法，其示意圖如圖3（b）所示。不使用參考光束，光通過(guò)超表面后被復(fù)制并在傳感器上干涉產(chǎn)生多光束自干涉圖案。該方法測(cè)量的相位是相對(duì)的，通過(guò)對(duì)干涉強(qiáng)度圖案進(jìn)行數(shù)值積分來(lái)恢復(fù)入射光束的相位。
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相位測(cè)量的最新內(nèi)容
五維智能感知——下一代光學(xué)的百年演進(jìn)1個(gè)月前
光譜感知需要特定吸收系數(shù)調(diào)制的光電材料，偏振感知需要高消光比的金屬線柵，相位感知需要干涉測(cè)量或相干性檢測(cè)，時(shí)間感知需要皮秒級(jí)計(jì)時(shí)電路。將上述功能集成到同一像素內(nèi)，意味著需要同時(shí)解決異質(zhì)材料集成、納米級(jí)金屬線柵制造、高反向偏壓器件隔離、皮秒級(jí)計(jì)時(shí)電路噪聲隔離等難題。根據(jù)半導(dǎo)體異質(zhì)集成工藝的代際演進(jìn)規(guī)律，從二維平面工藝到三維堆疊需要10至15年，從三維堆疊到異質(zhì)材料單片集成再需要10至15年。
微波式傳感器則通過(guò)發(fā)射和接收微波信號(hào)，分析信號(hào)在糧食中的衰減和相位變化來(lái)測(cè)量水分，具有測(cè)量準(zhǔn)確、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備成本較高。
工采網(wǎng)代理的糧食含水率傳感器 - GMS1081-C（Grain Moisture Sensor）是一款電容型高頻介電常數(shù)測(cè)量、非接觸式感知的智能液位傳感器，適用于糧食含水率、溫度的檢測(cè)。
超表面計(jì)量學(xué)的光學(xué)屬性4個(gè)月前
超表面相位測(cè)量表征
超表面的一個(gè)核心應(yīng)用是依靠結(jié)構(gòu)單元引入相移突變來(lái)設(shè)計(jì)光的波前。因此，在制造后能夠準(zhǔn)確地表征有效相移是至關(guān)重要的。但是任何光電探測(cè)器都沒(méi)法直接測(cè)量空間相位分布，因?yàn)樗峁┑男畔⒅挥袕?qiáng)度。然而，有幾種方法可以從強(qiáng)度測(cè)量中提取相位信息。
Ansys Zemax｜為離軸反射鏡中增加相位表面6個(gè)月前
另外，還可以用這種相位表面來(lái)添加測(cè)量數(shù)據(jù)到曲面上。在這篇文章里，我們會(huì)學(xué)習(xí)如何將Zernike條紋相位面放在離軸拋物面（OAP，off-axis parabola）上，而且給這個(gè)離軸拋物面添加一個(gè)光功率誤差，查看當(dāng)光線經(jīng)過(guò)這個(gè)部分時(shí)會(huì)受到什么樣的影響。
除此之外，這個(gè)方法不僅可以用在離軸拋物面上，也可以用在其他類型的表面上。
轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中相位檢測(cè)的重要作用
相位測(cè)量在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的單面或多面平衡中至關(guān)重要。相位變化率尤為重要，因?yàn)樗赡茴A(yù)示著臨界轉(zhuǎn)速的存在，通過(guò)相位變化率可以推斷出特定模式的放大系數(shù)或?qū)?shù)減量。在燃?xì)廨啓C(jī)、航天飛機(jī)氧泵和氫泵等復(fù)雜機(jī)械中，相位參考標(biāo)記的設(shè)置尤為關(guān)鍵。若無(wú)相位信號(hào)，則無(wú)法確定總振動(dòng)中同步振動(dòng)分量與外部或次同步振動(dòng)分量的占比。
在超表面相位測(cè)量場(chǎng)景中，干涉測(cè)量的重要性不言而喻。
目前主流的干涉測(cè)量模式包括同軸干涉與離軸干涉，二者各有特點(diǎn)。同軸干涉中，平行的參考光束與物光束提供恒定相位基準(zhǔn)，需同時(shí)采集多光束強(qiáng)度并進(jìn)行相移操作來(lái)計(jì)算超表面相位；離軸干涉模式下，物光與參考光呈特定夾角，參考光提供梯度相位分布，借助傅里葉變換和濾波處理，單次測(cè)量即可提取相位信息。
圖 6 近場(chǎng)噪聲測(cè)量：左圖為虛擬盒子；右圖為麥克風(fēng)間距
然后，進(jìn)行信號(hào)相位調(diào)整：由于測(cè)量組之間的相位差異，需在頻域中對(duì)每個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整。
圖 7不同麥克風(fēng)的空間相關(guān)性
在Actran中使用聲學(xué)有限元輻射模型和麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)逆推薄膜模態(tài)參與因子，恢復(fù)HVAC單元表面的聲源分布。
其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
如上所示，測(cè)量相位偏離目標(biāo)相位是很常見(jiàn)的。這種差異可能有很多原因：
由PEC孔徑引起的衍射。
相鄰納米棒失去局部周期性：我們?cè)诓襟E2中獲得的相位假設(shè)具有相同直徑的無(wú)限周期納米棒。當(dāng)相鄰納米棒的半徑發(fā)生非常小的變化時(shí)，我們可以假設(shè)結(jié)構(gòu)是局部周期性的，因此從步驟2獲得的相位與半徑關(guān)系仍然有效。
還有光譜相位干涉測(cè)量方法，不僅可以測(cè)量功率譜密度，還可以測(cè)量光譜相位。
有些光譜儀也具有成像功能，稱為成像光譜儀。請(qǐng)參閱有關(guān)高光譜成像和多光譜成像的文章。
如果僅需要測(cè)量激光束的光譜線寬，而不需要測(cè)量詳細(xì)的光譜形狀，則可以使用其他方法，例如進(jìn)行自外差線寬測(cè)量。通過(guò)這種方法，人們可以測(cè)量非常小的線寬，其遠(yuǎn)低于典型光譜儀的分辨率。
例如，使用頻率分辨光門(mén)控 (FROG) 和用于直接電場(chǎng)重建的光譜相位干涉測(cè)量法 (SPIDER→光譜相位干涉測(cè)量法) 也可以做到這一點(diǎn)。
注意到波動(dòng)光學(xué)中存在不同的符號(hào)約定；上述方程是物理學(xué)家約定俗成的。
