高精度双折射晶体定轴测厚仪

一、前言为研制透过带为0.12～0.15(?)窄带双折射滤光器,要求双折射晶片的光程差的偏差小于1/200波长,晶体光轴定向误差小于2′。而以往用常规仪器测定,厚度偏差只能达到1/50波长,定向误差约5′。为此,我们研制了高精度双折射晶体定轴测厚仪。本仪器用来测量晶体厚度、晶轴的方位角及晶体材料的双折射率(μ值)。测厚精度达1/(1000)波长,定轴精度优于1′,μ值可定准到5×10~(-5),测试数据稳定可靠。二、仪器的测量原理及精度1.晶体测厚原理及精度在两平行或正交的偏振片之间,放一片双折射晶体b(图1),其晶轴躺在通光面上,且与偏振轴成45°夹角。光束通过双折射晶体后,o 光和e 光之间有光程差σ为:     

双折射滤光器的误差分析与性能优化

由于双折射滤光器型太阳磁场望远镜中滤光器的研制质量直接影响透过带,进而影响太阳磁场的测量,本文对影响双折射滤光器透过带漂移的各种误差因素进行了分析。通过计算机编程,完全模拟了光线轨迹,精确分析了多种误差项对双折射滤光器透过带的影响。给出了引起透过带漂移、展宽、极大值和极小值变化的主要误差项。分析表明,入射角、晶体光轴倾角误差、晶体厚度误差和1/4波片光轴方位角误差影响透过带漂移;只有晶体光轴方位角误差影响透过带宽,当误差为2°时,透过带展宽了0.078%;宽视场1/2波片光轴方位角误差对极大值的影响最明显,当误差为2°时,极大值减小了0.487%;晶体光轴方位角误差、宽视场1/2波片延迟误差和1/4波片光轴方位角误差对极小值都有不同程度的影响。     

延迟膜光谱分析测试系统及应用

摘要: 本文介绍了一个可以测试延迟膜不同波长下的延迟量的方法。其在测量晶体相位延迟量1/4波片法的基础上,用分光光度计代替其中的光源,滤色片,以及光电探测器,并且对样品进行了测试,利用所得数据,对样品的延迟量进行光谱分析。根据其测试原理,光强的波动以及与光强有关的误差在此系统中可以忽略,且1/4波片对多波长测试的误差很小,故此测试系统有很高的精度和可靠性,可以测试其精度范围内的任意小延迟量。     

几种波片位相延迟测量方法的比较

建立了用于波片位相延迟测量的高精度多功能测试系统,实现了在同一测试系统上应用不同的测试方法,使测试具有可比性。对光谱扫描法、Soleil补偿器法及两种光强法进行了比较测量,并结合测试结果对各种方法进行了系统的误差分析。分析结果表明,对本测试系统而言,光谱扫描法适于测量λ/2波片,测量精度主要由单色仪的精度所决定,其误差＜0.032%;Soleil补偿器法测量精度主要由Soleil补偿器精度决定,其误差＜0.18%;光强法误差与待测波片的延迟量有关,且测试光路与偏振器的缺陷对测量精度影响较大。光谱扫描法与Soleil补偿器法测量λ/2波片的结果在误差范围内相符,光强法测量结果产生较大差异的原因来自光路、偏振器及方法本身的缺陷。实验结果为不同条件下选择最佳测量方法提供了参考依据。     

基于傅里叶变换相位提取法的激光回馈应力测量系统

高端玻璃的内部应力精确测量关系其所在系统的安全性和可靠性。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法,激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中,通过回馈光对激光器内部增益调制产生的偏振跳变现象提取双折射信息,进而获得应力。首先,从理论上分析了回馈系统中激光器输出的正交偏振模式相位与外腔应力双折射的关系;接着,通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息;然后,采用标准四分之一波片对系统和算法的精度进行了测试。最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。实验结果表明:该系统对应力的条纹数测量精度优于8.3×10-4,满足高端玻璃的应力检测需求。     

差频式位移传感器的研究

对差频式测量进行了深入探讨 ,揭示了差频式测量的本质 ,进而将原有的差频式动态传动误差的测量方法移植成一种圆分度静态传动误差测量方法 ,并提出一种用于差频电路工程设计的新方法———齿波对偶法 ,开发了一种用于角位移精密测量的差频式位移传感器     

利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。     

各向异性材料光学常数全自动椭偏测仪

本文介绍了一套将光度式旋转检偏器椭偏(RAE)系统同改变环境媒质、改变样品方位角、改变入射角相结合的全部测试过程由计算机控制的椭偏测试系统VMAE。它是通过改变环境媒质、光入射角以及自动改变样品方位角等方法测量多组椭偏参数,得到足够的独立方程,并通过计算机采用三种优化Powell,单纯形,转轴法方法求解多峰值超越方程组以研究光轴垂直、平行于表面的各向异性体、膜材料光学性能。并研制了一套除适用上述方法外还可兼容多波长法、多厚度法等方法的功能全面的模块集成化软件。最后通过比较实验结果与理论值的方法对系统的可靠性进行了验证。     

计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量,提出了“光学-机械”基准定位法,建立了位姿测量模型,并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后,采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector,SMR）、猫眼、基准球作为基准,基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型,得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系,并对3种位姿测量模型进行对比。最后,对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证,实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ,相对误差均小于2.43%,验证了模型的准确性。实验结果表明,当检测距离为1 000 mm时,猫眼法的轴向定位误差为24μm;基准球法的轴向定位误差为50μm;SMR靶球法的轴向定位误差为16μm,X,Y方向的定位误差为1μm,滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多,更适用于自由曲面的高精度位姿检测。     

一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

车载经纬仪的静态指向误差补偿

为了降低载车平台变形对经纬仪静态测角精度的影响,补偿较大变形产生的测角误差,实现移动站弹道测量,分析了平台变形对光电经纬仪静态测角误差影响的基本原理,利用固定在方位轴轴心的倾角传感器测量出因平台变形而导致的经纬仪工作基准面中心点与水平面变化的夹角,并计算其测量坐标系的变化量。建立了平台中心变形角的底部轮廓图,经过有限的平台变形采样,存入计算机,在计算机中以方位、俯仰角为输入变量建立二维查找表,通过插值计算全方位角和全俯仰角的平台变形量,进行事后补偿。实验结果表明,该方法能够有效地补偿因平台变形而带来最大为142″的测角误差,使方位测角精度提高44″,俯仰测量精度提高8.5″。该方法为实现高精度车载光电测量提供了一种有效的途径。     

用于三轴光电跟踪系统的神经网络误差修正法

系统误差的存在严重影响了光电跟踪系统的引导精度和测量精度,现阶段用于三轴光电跟踪系统的最小二乘系统误差修正法精度较低,球谐函数系统误差修正法亦不适于Z轴连续转动时的系统误差修正。三轴光电跟踪系统的系统误差是以其三个角度测量值为参数的曲面,而神经网络可以精确拟合复杂的曲线或曲面。分析和仿真证明,基于BP神经网络的系统误差修正法可用于Z轴连续转动的三轴光电跟踪系统,而且可把系统误差修正到约为原来的28%。     

激光跟踪仪的双面互瞄定向

使用传统公共点定向方法很难在狭小、受限空间下完成对大尺寸测量仪器的定向,故本文提出了一种受限空间下球坐标测量系统的双面互瞄定向方法,并以激光跟踪仪为例进行了理论分析和实验验证。该方法结合激光跟踪仪的测量原理和使用特点,通过激光跟踪仪本体测头的运动特性构建几何约束,仅要求测量仪器之间相互可视,便可依靠较小公共视场完成仪器定向。阐述了该方法的数学建模过程,研究了定向优化算法,并在上海光源环形测量控制网建立过程中进行了相关实验验证。结果表明:该方法在仪器相距5m以内时,参考点转站误差优于0.12mm,定向旋转角误差不超过1.5″。与频繁转站的传统方法相比,可在保证精度的同时,极大地提高现场测量效率。该方法亦可推广应用于其它单站坐标测量系统。     

主动光立体标靶检测及其在工业机器人位姿测量中的应用

基于工业机器人位姿视觉测量方法提出了用主动光立体标靶进行机器人末端位姿测量的方法。以主动红外光代替反光标志点,以主动光图案特征代替亮度特征作为表达位置信息的形式,设计了六面体主动光标靶。通过合理设置特征面图案,使立体标靶特征面提供蕴含空间几何约束的信息,并在此基础上设计了特征面识别算法。在室内环境、室外环境、混合光环境等实验条件下,该算法可实现对主动标靶健壮的识别和定位。在高精度四轴移动平台上的测量误差评价实验表明：运用该标靶的立体视觉系统在0.5~3m工作范围内平均位置误差为0.0857mm,平均姿态误差为0.1086°,满足机器人位姿测量的要求。最后在YASKAWA的Motoman-MH80六轴机械臂上进行了机器人末端位姿的测量实验,验证了该方法的可行性和高效性。     

改进平滑滤波算法在车辆组合导航系统中的仿真研究

由于导弹发射车对于定位定向的精度要求非常高,而惯性导航系统中的方位误差角对导弹发射的定位精度会造成很大的影响,而且随着射程的增加,影响成倍放大。为此,研究了一种改进的平滑滤波算法,使系统经过一段平滑周期后可进行一次方位角的误差修正,修正后的误差精度相比普通的卡尔曼滤波精度得到明显的提高。最后通过仿真分析,验证了该方法对于方位误差角的修正具有一定的作用,是一种有效提高系统定向精度的方法。     

光强正交调制型位移传感器的数学模型与误差分析

针对传统光学位移测量方法对环境要求高和制造精度难以提高等问题,提出了一种以交变光场为测量媒介的新型线性位移检测方法。基于提出的方法,设计了一种光强正交调制型位移传感器。该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号,通过对行波信号时间先后的测量实现空间位移的测量。为了深入理解传感器的传感机理,推导了传感器的测量模型,分析了与传感机理相关的关键因素对测量误差的影响。根据测量原理和测量模型的理论分析,研制出传感器原理样机,通过实验测试了各种关键因素对测量误差的影响,并进一步优化设计了传感器结构与参数。实验显示,优化后的传感器在108mm测量范围内的测量精度达到±0.5μm,是一种新的无需精细刻划的位移检测方案。     

三明治式双折射低通滤波器的研制

为了有效抑制高于CCD或者CMOS传感器的图像采样频率而出现的莫尔条纹,研制了一种二维三明治式双折射低通滤波器(OLPF)。其主要由三片双折射晶体平板构成三明治结构,并在前、后表面分别镀上红外截止膜和增透膜。对所研制的二维水晶光学低通滤波器进行了实验测试,空间频率测试表明对莫尔条纹有良好的抑制效果。结果表明,所研制的低通滤波器具有很高的自洁净性,与后端的CCD或者CMOS传感器匹配良好,对空间高频有较强的抑制作用。     

基于无衍射光束的水平方位角测量方法研究

利用无衍射光束、透镜组和CCD相机建立一种水平方位角测量方法,以提高水平方位角测量的精度和稳定性。给出了水平方位角测量模型的构成和测量原理,阐述了整体测头的结构设计方案。对该测量方法精度及其影响因素进行了分析,同时用Zemax模拟成像系统光路并对光路进行优化仿真。与目前工程测量中普遍采用的方法相比,该测量方法能够获得更高的测量精度和稳定性,可用于盾构机的水平方位角测量、轴系校中曲线轴系布置等工程。     

基于MEMS传感器的起重机吊钩运动实时监控系统

针对起重机吊钩运动状态的实时监控问题,设计并实现了一种基于MEMS传感器的吊钩运动监控系统。利用微型加速度计和磁强计实时测量了吊钩的二维倾角和水平方位角;分析了多种不同的磁强计补偿方法,针对强磁环境下水平方位角误差较大的特点,提出了一种基于T-S模糊逻辑的吊钩旋转角误差补偿方法;研制了系统样机,并进行了性能测试。研究结果表明,起重机吊钩倾角测量精度达到0.3°,平面旋转角精度达到0.8°,可满足实际应用要求,具有良好的应用前景。     

Measurement and modeling of Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) on material surface

Measurement and modeling of Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) is made to describe optical scattering characteristics of the material surface. A measurement device of BRDF with the ability to real-time measurement is developed by the micro fiber spectrometer and three-dimensional turntables. The measured spectral range is from visible to near infrared with 2.4 nm wavelength resolution. The measured angular range is 0–360° in azimuth angle and 0–85° in zenith angle with 0.01° angle resolution. BRDF measurement on tinfoil and ceramic tile is made and the measurement error is no more than 6.05%. A six-parameter model of BRDF is built according to material surface characteristics. Based on the simulated annealing algorithm, the model parameters of BRDF are obtained through fitting processing of measured data and the maximal fitting error is 9.94%. The results show that the measuring accuracy of BRDF depends on the precision of measuring platform, the sensitivity of measuring instrument and the stability of illuminating light source, and the modeling accuracy of BRDF is closely related to the measured data and optimization modeling method. The measurement and modeling of BRDF may benefit future optical remote sensing, computer graphics and environmental surveillance.