相位偏移干涉测量波面的一种新算法

本文分析了利用相位依稀干涉的相位计算方法对测量结果准确程度的影响,提出了一种利用相位偏移干涉原理测量波面的新算法（四幅改进算法）。考虑到移相误差是导致相位偏移干涉测量法产生误差的主要因素,本文着重讨论相位偏移干涉测量算法对移相误差的敏感程度。根据对实验测试机构所进行的测量与分析,以实际的数据为基础得出在相位人多干涉测量算法对移相误差的敏感程度,根据实验测试机构所进行的测量与分析,以实际的数据为基础得出在相位偏移干涉测量中新算法的优秀品质。该新算法对移相误差有良好的抑制作用,无论是理论分析速 是实际测量效果都很好。     

激光球面干涉仪系统误差的测量

为了定标测量系统、提高测量精度,在简要论述了激光球面干涉仪的原理以后,采用移相技术,获得了四幅干涉图,并提取出范围在[-π,π)之间的相位。然后,利用相位消跳变算法,展开得到连续的相位。最后经过消倾斜和离焦等后继处理,得到了系统的波面误差。     

被测件随机移相干涉面形测量方法

针对光学元件的面形测量,提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法,用于降低移相干涉仪的成本,避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图;然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布;最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性,在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统,并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试,同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明:在激光光源波长λ为632.8nm的情况下,凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ,和0.002λ;平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ,面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差,降低了仪器成本,测量精度高。     

相移干涉测量中相移误差的自修正

分析了相移干涉测量过程中相移误差产生的原因,研究了基于迭代最小二乘算法的相移误差修正法,实现了任意两幅干涉图间相对移相量的计算和自适应校正.基于光、机、电、算四系统,实现任意步长的3幅以上干涉图像的采集,用迭代最小二乘法计算任意两幅干涉图间的相对移相量,然后将其闭环反馈至硬件相移系统,自动修正相移步长为给定量的特征相移值,从而完成干涉仪相移误差的自修正.构建了相移误差自校正系统,通过实际干涉测量验证了算法的正确性和相移误差自修正系统的可行性.结果表明,自适应修正后相移量相对误差＜5％,面形RMS测量重复性＜λ/1 000,实现了高精度、高效率的相移误差自适应修正.     

基于光强自标定移相算法检测光学面形

考虑菲佐型波长移相干涉仪中波长可调谐激光器光强与调节电压之间的关系会对相位计算精度造成影响,本文提出了一种基于光强自标定的波长移相算法。首先,分析了波长可调谐激光器调节电压与输出光强之间的关系,建立了数学模型;然后,依据最小二乘判据,推导出了波长移相干涉仪的光强自标定移相算法。最后,实施了仿真实验,通过计算机生成背景光强具有一定变化的12幅干涉图,利用所提出的算法进行了相位恢复。结果表明,提出的算法可以很好地免疫激光器的光强变化,实现高精度的相位恢复。对口径为100mm的平面镜的测量结果显示RMS为0.005λ,PV为0.073λ。与ZYGO干涉仪测量结果的比较显示,两次测量面形的偏差RMS为0.0014λ,PV为0.022λ。得到的结果证明了算法的可行性及在菲佐型波长移相干涉仪中的实用性。     

单频激光干涉仪正交信号的高精度处理

为了提高单频激光干涉仪正交信号相位细分辨向的可靠性与重复性,本文在正交信号Heydemann误差模型和数字信号处理技术的基础上,提出一种结合误差修正和相位细分辨向技术的正交信号高精度误差补偿算法。该算法采用基于最小二乘法的矩阵运算计算正交误差补偿参数初值,通过迭代运算进一步提高补偿精度,并对修正后的信号构建了基于相位的细分辨向算法。最后通过MATLAB软件对该算法进行了验证。实验结果表明,上述算法可实现对正交信号误差的精确补偿,使测量精度可达亚纳米甚至皮米数量级,从而有效提高测量信号的解调精度。     

并联轴直线运动直线度的检测与误差补偿

通过采用Renishaw激光干涉仪检测混联机床并联轴直线运动的直线度误差,对直线度的干涉测量原理和方法进行深入探讨,提出一种并联轴直线运动直线度的干涉测量方法和误差补偿模型的建模方法。分析干涉仪直线度评定方法和算法,做出并联轴直线运动直线度双向平均偏差特性曲线,建立直线度误差数学模型。利用最小二乘法拟合得到直线度均值误差补偿模型。对并联轴直线运动直线度进行补偿,达到了提高混联机床几何精度的目的。     

用泰曼干涉仪实时自动测厚度变化

本文从原理与实验两方面,研究了如何把电视摄像机和计算机应用到泰曼-格林干涉仪上,从而组成泰曼-格林-计算机干涉系统。并用这一装置成功地、自动地、实时地测试了二元胶体在迅速硬化时的厚度变化。这种新的测试技术的优点是自动、实时和准确。可以测物体位移或由于温度、压力等因素引起物体的厚度变化。通过适当的附件,可以用于任何干涉测长中。     

非旋转轴对称非球面象散分布测量

本文描述了在渐变焦眼镜片上的非旋轴对称非球面的象散分布测量方法，系统地介绍了所采用的泰曼－格林干涉仪和横向剪切干涉仪的两种测量原理与实验装置，并将这两种仪器的测量结果进行了比较。     

基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。     

可实现误差估计的移相量计算方法

针对移相干涉仪中移相器的标定,提出了一种基于干涉图计算移相量的迭代方法。该方法分为两步:首先假设移相量已知,构建三元最小二乘方程计算位相;然后假设位相已知,构建二元最小二乘方程计算移相量,同时依据三角函数关系和遍历原则,建立估算移相量计算误差的参数。利用计算机仿真和实验验证了提出方法的有效性。计算机仿真显示:提出的方法比已有算法计算精度更高,而且误差估计值与实际计算误差偏离小于15%。在Fizeau干涉仪上开展了验证实验,利用两个电容位移传感器测量了镜架的位移。计算结果与电容传感器测量结果非常吻合,最大偏差仅为0.7nm。另外,利用本文方法得到的误差估计值为0.52nm,显示测量结果和计算结果的偏差在误差估计值范围内。所提出的方法可以高精度地提取移相量,且能给出移相量计算误差,是一种简单可靠的移相器标定方法。     

结构光测量中相位误差的过补偿与欠补偿校正

针对现有结构光测量中采用的相位误差补偿算法存在的相位误差过补偿或欠补偿问题,提出了一种新的相位补偿误差校正算法。推导了环境光下四步相移的相位误差数学模型,解释了相位误差过补偿、欠补偿的产生原因;通过数学推导获得相位误差的解析表达式,提出了相位误差过补偿、欠补偿的校正算法。该方法通过向标定平面投射4步相移图像、16步相移图像与黑白图像获得相位误差系数;然后在8种不同环境光条件下重复这一步骤获得多组系数;最后运用参数拟合法获得相位误差数学模型的具体表达式。实验结果表明:无论在黑暗环境还是光环境下,利用该修正方法进行相位误差补偿后均可使相位精度达到0.002rad,比进行相位误差补偿前提高了8.6倍左右,比查找表(LUT)提高了2.5倍左右。该算法精度高,速度快,能有效解决相位误差过补偿、欠补偿的问题。     

金刚石复合片与硬质合金的钎焊研究

通过聚晶金刚石复合片与YG8硬质合金的高频感应钎焊试验,研究了不同钎料钎剂搭配对高频感应钎焊接头抗剪强度、焊缝厚度的影响,并用扫描电镜和电子探针观察、分析了焊缝的微观结构。结果表明,690℃钎焊温度下含Mn的1号钎料和活性温度较高的QJ102钎剂是最佳搭配方案。探讨了聚晶金刚石复合片的特殊钎焊工艺,认为采用复焊方法可以大幅提高钎焊接头的抗剪强度。     

Phase-measuring algorithm to suppress inner reflection of transparent parallel plate in wavelength tuning Fizeau interferometer

Optical thickness variation is a fundamental characteristic of transparent optical devices. When measuring this variation by using a wavelength-tuning Fizeau interferometer, the measurement accuracy depends on the phase-shifting algorithm being used. Therefore, the phase-shifting algorithm should compensate for any errors incurred during the measurement, including the phase-shift error, coupling errors, and bias modulation of intensity. Among these errors, however, the coupling errors between the higher harmonics resulting from the inner reflections of the transparent plate and phase-shift error have not previously been considered. This paper presents a derivation of a 19-sample phase-shifting algorithm that can compensate for the miscalibration and 1st-order nonlinearity of the phase shift, coupling errors, and bias modulation of intensity during wavelength tuning. The characteristics of the 19-sample algorithm were estimated with respect to the Fourier representation in the frequency domain. The phase error of measurements performed using the 19-sample algorithm was discussed and compared with that of measurements obtained using other conventional phase-shifting algorithms. Finally, the optical thickness variation of a fused silica parallel plate was obtained using a wavelength-tuning Fizeau interferometer and the 19-sample algorithm. The measurement accuracy was discussed by comparing the ripples in the crosstalk noise with those calculated using other phase-shifting algorithms. The experimental results indicated that the optical thickness variation measurement accuracy for the fused silica plate was approximately 2 nm.     

四步数字相移全息干涉术三维变形测量

针对目前相移控制器件费用高、操作复杂等不足,提出了一种数字相移方法.并将其与全息干涉术相结合,进行了相移全息干涉术的实验研究.应用MATLAB软件,结合图像处理方法,通过对全息干涉条纹精确控制使其定向移动,实现了四步相移,获得4个干涉图.应用四步相移法原理和相位去包裹方法,最终成功求得物体变形引起的三维位相差,实现物体变形的三维测试.实验表明,该方法不仅简化了全息干涉测试的光学装置,避免传统相移器件相移精度低、容易造成相移误差的缺点,且操作简单,测试精度高,其精度容易达到1/10波长.     

Calibration method to characterize the accuracy of phase-shifting point diffraction interferometer

Characterization of measurement accuracy of the phase-shifting point diffraction interferometer (PS∕PDI) is usually performed by two-pinhole null test. In this procedure, the geometrical coma and detector tilt astigmatism systematic errors are almost one or two magnitude higher than the desired accuracy of PS∕PDI. These errors must be accurately removed from the null test result to achieve high accuracy. Published calibration methods, which can remove the geometrical coma error successfully, have some limitations in calibrating the astigmatism error. In this paper, we propose a method to simultaneously calibrate the geometrical coma and detector tilt astigmatism errors in PS∕PDI null test. Based on the measurement results obtained from two pinhole pairs in orthogonal directions, the method utilizes the orthogonal and rotational symmetry properties of Zernike polynomials over unit circle to calculate the systematic errors introduced in null test of PS∕PDI. The experiment using PS∕PDI operated at visible light is performed to verify the method. The results show that the method is effective in isolating the systematic errors of PS∕PDI and the measurement accuracy of the calibrated PS∕PDI is 0.0088λ rms (λ = 632.8 nm).     

适合于微细加工的外差探测技术及应用

本文详细地讨论了外差干涉仪的两个主要问题,即干涉仪的横向定位问题和非线性误差分析及其误差补偿问题.首先,提出了一种新颖的解析方法实现干涉仪亚微米级的高精度定位.该方法首先建立了测量光束扫过台阶边缘时测量相位渐变数学模型,并讨论了它与激光束分布的关系.文章利用以上数学模型对测量相位数据进行了详细地分析,实现了在一般激光束径时,干涉仪的定位精度为亚微米量级.另一方面,文章详细地分析了共光路干涉仪三个主要误差源.分析结果表明:由Wollaston棱镜引起的误差主要是二阶误差,而由激光束的椭圆偏振化引起的误差为一阶误差.同时我们发现:金属反射镜的方位误差可以使线偏振光经反射后变为椭圆偏振光,该椭圆偏振光具有不正交性和不相等偏心度,文章首次详细地分析了这种不正交性和不相等偏心度与反射镜方位误差的关系及其由此产生的非线性误差.最后,文章分析了干涉仪的误差补偿措施以提高整个干涉仪的测量精度.     

红外干涉仪调试和测量技术的研究

从干涉计量术方面对自行研制的移相式CO₂红外激光干涉仪进行了研究并提供了精确定位红外光路的调试技术,应用该干涉仪对红外光学元件及系统进行了测量;最后,对本干涉仪的系统误差作了测试和分析.结果表明,本仪器系统误差优于λ/20(λ=10.6μm).     

A Study of High-Precision CNC Lathe Thermal Errors and Compensation

This study is addressed at the thermal deformation errors resulting from temperature rise that contribute to 40%–70% of the precision errors in machining at a turning centre, and proposes an economic, accurate, and quick measurement method. It also investigates the thermal error differentials between static idle turning and in the actual cutting environment. The temperature measurement units are intelligent IC temperature sensors with correction circuits. The A/D card extracts and transforms data and saves data in the computer files, and the displacement sensor measures the displacement deviation online during cutting. The temperatures and the deviation of thermal drifts so obtained are used to establish the relationship function using multivariable linear regression and nonlinear exponential regression models, respectively. Finally, this paper compares software compensation methods for the thermal-drift relationship. As proven by experiments, the software compensation method can limit the thermal error of a turning centre to within 5 μm. Moreover, the software compensation for the thermal error relationship using a single variable nonlinear exponent regression model can reduce the error by 40% to 60%.