米级光栅全息曝光拼接系统像差分析

全息曝光系统像差对光栅拼接精度及其远场衍射光斑能量分布有直接影响。根据全息曝光拼接方案提出了一种拼接光栅像差分析方法。模拟了全息曝光波面随机初级像差,利用500个曝光波面进行了光栅拼接统计,得到了米量级三拼光栅记录波像差和拼接精度,通过统计分析得到理想拼接情况下拼接引入的像差成份不到整体波面像差的10％。考虑到光栅衍射波像差包括记录像差和光栅基片面形,计算了不同拼接精度情况下一级衍射波面及远场衍射光强分布,对衍射波面PV值、远场光能量比和斯特列而比进行了统计分析,得到了拼接误差与衍射波面及远场光斑之间的关系。在拼缝误差为0．1λ以内时,远场光斑能量集中度和斯特列尔比的变化量可分别控制在5％以内。本文为米量级全息拼接光栅制造提供了理论支撑。     

基于圆光栅莫尔条纹的CGH元件对准

在双计算全息（CGH）检测非球面的方法中,两片CGH元件位置的精确对准是确保高精度测量的必要前提,针对一凸双曲面检测系统,提出了在主CGH的外围刻制四组圆光栅付的方法来实现该系统中CGH元件的精确对准,其原理基于两个栅线频率相近的同心圆光栅重叠能产生莫尔条纹,通过观察条纹的变化来判断两光栅（一组光栅付）的相对偏移,各组光栅付若同时达到同心,两元件亦便对准。通过对圆光栅进行建模,分析了莫尔条纹产生的原理,仿真模拟了Ф5mm口径内分别包含49个和50个同心圆（周期50μn）的两圆光栅在不同偏移时的条纹图,且实际制作了这样的两个圆光栅,并采集了两光栅重叠后的条纹图,其结果表明,眼睛很容易分辨出1／20周期即2．5μm的偏移。     

Ronchi光栅误差的数值仿真

为了解决光栅制造误差影响莫尔计量精度的问题,运用傅里叶光学理论和坐标变换方法给出了完整的莫尔条纹透光函数表达式,并用线性系统叠加理论对光栅误差函数进行模拟,再用得到的莫尔条纹模型对光栅误差进行仿真,获得了短周期误差和长周期误差的莫尔条纹波形,最后对误差仿真结果进行了分析和验证.结果表明,光栅短周期误差造成莫尔条纹信号波形出现高次谐波干扰,但数字滤波能有效消除其对计量精度的影响,而光栅长周期误差会严重影响光栅检测系统输出精度.     

干涉条纹相位变化对平面全息光栅曝光的影响

为更好地评价平面全息光栅曝光系统的性能,了解干涉条纹相位变化对光栅制作的影响,基于曝光量表达式,结合光栅掩模槽形二元模型,采用理论分析和数值计算的方法,分析了条纹相位变化对曝光对比度、光栅掩模槽形和曝光量相位的影响。各种形式的干涉条纹低频漂移均会降低曝光对比度,导致掩模槽形的可控性下降,其影响具有一致性;为保证曝光对比度达到0.95,低频漂移均方根值应控制在0.05个条纹周期以内;小幅值高频振动对光栅曝光的影响可以忽略;低频漂移造成的曝光量相位误差不影响光栅的衍射特性。结果表明,为获取合格的光栅掩模,应控制光刻胶非线性和曝光量的匹配关系,并将干涉条纹低频漂移均方根值控制在1/20条纹周期以内。可将其作为评价全息光栅曝光系统稳定性的重要指标。     

全息曝光条纹锁定系统特性研究

为了研究全息光栅拍摄过程中曝光对比度与干涉条纹漂移均方根值之间的关系和提高大面积光栅拍摄质量,采用莫尔条纹原理和线阵电荷耦合器件照相机系统组成的条纹锁定系统进行了光栅拍摄实验。对莫尔条纹的漂移量进行了实时采集和分析,发现条纹漂移主要由缓慢漂移和频率为3.1Hz的振动合成。得到了条纹漂移均方根值与光栅曝光对比度之间的数值关系,为预测光栅质量是否合格提供了理论参考。结果表明,要提高光栅拍摄质量,必须保证条纹漂移均方根值小于0.05λ。该条纹锁定系统完全可以满足此要求。     

表面起伏对体积相位全息光栅衍射效率的影响

从理论上分析了重铬酸盐明胶经过全息曝光制作而成的体积相位全息光栅产生表面起伏时光栅介质层介电常数的变化。严格分析了体积相位全息光栅有表面起伏时所形成的既有折射率调制，又有浮雕调制的复合型光栅的衍射特性，并编制程序进行了计算。为了证明程序的正确性，还用所编制的程序计算了一种已知衍射效率光栅的衍射效率。并得到了满意的结果。进而分析了表面起伏、光栅介质层厚度、折射率调制度对体积相位全息光栅衍射效率的影响，并且对它们所产生的影响进行了比较，得出了在获得较大＋1级透射率的情况下，表面起伏、光栅介质层厚度、折射率调制度的误差容限，这对体积相位全息光栅的制作有一定的指导意义。     

高衍射效率的体积相位全息光栅优化设计

本文用严格的光栅理论研究了体积相位全息光栅的相位调制度中各参数的偏差对体积相位全息光栅衍射效率的影响,并依据物理意义提出了体积相位全息光栅的误差模型———GDAUA模型。为此,本文提出了在实验中用优化算法来处理GDAUA模型中的各种偏差对光栅衍射效率的影响,指导制作高衍射效率体积相位全息光栅,从而实现体积相位全息光栅的优化设计。     

计算全息光栅的技术研究与设计

论述了计算全息光栅用于光谱仪器分光系统的分光原理和特性,以圆筒型计算全息光栅为例,给出了圆筒型计算全息光栅的位相函数方程、条纹位置方程及参数结构方程式,并且用MATLAB软件将其制作出来,最后对提高光栅分辨率问题进行了分析。     

投影型莫尔法的成像理论研究

研究了基于莫尔条纹的三维轮廓测量技术的光学成像原理。以余弦光栅作为投影光栅和参考光栅,对投影型莫尔法从物理光学的角度进行了理论分析。采用菲涅耳衍射公式和傅里叶变换得出了输出面上的光场的理想计算公式。在计算机上采用描点法模拟出变形光栅的光强分布,该光强分布为余弦函数,与实验图片的结果一致,还得出了最终变形光栅像的光强分布。与从几何光学的角度分析结果相比,物理意义更明确。利用上述结果推导出了莫尔条纹的光强分布函数,同时也推出了高度和相位的关系。该结果为基于莫尔条纹的三维轮廓测量技术提供了理论基础。     

基于莫尔条纹的自准直测角方法研究

提出了一种基于莫尔条纹的自准直测角方法.该方法将成像式光栅方法、基于莫尔条纹的扭转测量技术、自准直测角技术相结合,利用标尺光栅像和指示光栅形成的光栅副夹角变化所引起的莫尔条纹宽度变化来反映平台棱镜的角度变化,建立了平台棱镜旋转角度、光栅栅线夹角及莫尔条纹宽度之间的关系式.有别于传统莫尔条纹的计数处理,通过图像处理获得了莫尔条纹宽度信息.实验结果表明,该系统接收到的莫尔条纹对比度清晰,满足莫尔条纹图像处理的要求,在±7′范围内,与0.2″自准直仪的比对误差在0.2″以内.     

基于干涉条纹傅里叶分析技术对拼接光栅调整偏角的计算分析

阶梯光栅共相拼接技术是实现增大光栅尺寸、进一步提高天文光谱分辨率(天文光谱分辨率R>105)的关键。为了提高中阶梯拼接光栅的调整角度精度,本文基于干涉条纹傅里叶分析,提出了一种干涉条纹空间载频频率的九像素平均算法;然后结合干涉条纹光栅拼接技术,模拟了不同角度偏差下的条纹变化及其相应的傅里叶分析角度计算,在实验上实现了对系统角度调整系数的标定以及对傅里叶算法计算的调整偏角精度的分析,获得了拼接光栅调整系统中角度最大计算误差精度小于0.4μrad的结果,为天文上应用的大尺寸拼接光栅的共相调节提供了理论支持。     

光栅干涉位移测量技术发展综述

介绍了经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统、同心圆光栅2维位移测量系统、2维光栅位移测量系统的测量原理,阐述了各系统的关键问题及不足之处。同时结合双频激光干涉仪外差干涉思想,在单光栅测量系统的基础上,提出了双波长单光栅式纳米级位移测量方法,并通过分析系统特点指出该方法能实现大量程测量、获得纳米级的精度和分辨力。在对各种测量方法进行综合比较之后,总结了光栅测量的关键问题,并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。     

利用莫尔条纹的计算机图象测量长焦距透镜焦距

莫尔条纹(Moire fringes)是两组线簇重叠在一起，在其交点位置处形成的条纹。由于莫尔条纹反映了两组线簇的空间频率之差(即拍频)，因此它具有放大作用，故可用来测量一些诸如角度、位相等微小变化量。本实验是利用两块空间频率相同的黑白光栅产生的莫尔条纹来测量长焦距透镜的焦距。先从理论上推导出在平行光场中，置于两块栅线呈一夹角的光栅之间某位置处的透镜产生的莫尔条纹为一组平行的直线系，它的斜率与透镜焦距之间定量关系。然后在实验中用CCD接收莫尔条纹的像，由计算机图象的斜率计算出待测透镜的焦距。     

基于光栅编码的印刷防伪研究

基于线光栅编码的印刷防伪原理,设计制作了多向编码与解码防伪的方案与流程,并设计制作了单向、四向编码与解码装置。研究表明,该防伪是基于光栅位相编码和莫尔原理的,编码光栅的频率、编码位相、条纹宽度和编码方向是影响多向编码与解码最终效果的关键因素。设计制作的单向和四向编码装置均达到了预期的设计目标。该技术可应用于印刷防伪领域...     

基于莫尔条纹的光纤惯性式振动传感器系统

设计了一种基于莫尔 条纹的光纤惯性式振动传感器,通过光栅对(grating pair)的相对运动产生莫尔条纹实现振 动位移的感知,由4路光纤作 为信号的传输通道将莫尔条纹信息传输至信号处理电路。详细讨论了莫尔条纹与振动信号的 关系,经信号 处理电路以及莫尔条纹细分、方向辨别算法,将莫尔条纹信号转换成振动位移和方向。通过 幅频特性补偿 电路对低频段进行补偿,实现平坦的宽频带频率响应。实验结果表明,传感器的谐振频率为 5.35Hz,通过 补偿后下降至0.05Hz;在0.1～1000Hz频率响应范围内,起伏小于0.011mm。     

基于反射光栅的超精密定位系统研究

应用光学理论研究了一种μm级位移分辨率的反射型双级光栅测量系统,建立了反射莫尔信号与对应位移的数学模型,通过计算机仿真分析了反射莫尔信号的位移特性,进而设计了一套基于反射光栅的精密定位系统。系统取反射的0次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位置检测及超精密自动定位;采用的修正莫尔技术,极大地提高了位置检测信号的灵敏度及定位精度;通过粗定位和精定位相结合的两段式复合定位,实现高速高精度定位。实验结果表明,基于反射光栅的精密定位系统可获得±10nm的定位精度。     

增益光栅在全息激光振荡器中的应用

增益光栅作为一种动态衍射元件,可构成一种环形腔,只需一束光波即可形成光栅并产生位相共轭波,因此该现象被称为自泵位相共轭(SPPC)。SPPC环形谐振腔具有修正位相失真的功能。由于其具有远大于1的反射率,用一个部分反射器取代输入光束,则系统就成为自启动的。在增益介质中写入体积增益光栅可用于高功率激光系统中光束质量的控制。本文综述了增益光栅的瞬态动力学特性和频谱滤波特性以及各种类型光栅在自启动全息激光振荡器中的贡献。     

预混燃烧火焰的光偏折层析三维动态可视化

使用光偏折层析(CT)方法研究了非稳态预混燃烧流 场的参数测量及火焰结构表征。建立了适用于瞬态流场层 析的叠栅光偏折投影条纹图有序阵列采样系统,实现了单光栅副、单CCD、多方向、同时和 同光路条件的动 态采样。构建适用于少数投影光偏折计算层析的混合正则化重建算法。实验测量中,对C 4H10/空气预混燃烧 流场进行6视角动态采样,使用混合正则化算法对燃烧流场进行截面二维温度分布重建,使 用Sobel梯度 算子进行火焰内外区域温度分布的阈值分割。对4个不同时刻共计150 条莫尔条纹进行信息提取并重建出 20个截面的温度分布,使用移动立方体面绘制算法和光线投射体绘制 算法对三维体数据进行 显示,实现了燃烧流场参量分布及火焰结构的三维动态可视化。