基于双频横向剪切干涉系统的三维形貌测量

近年来,结构光投影三维成像技术被广泛地应用至各个领域。该技术通常采用投影仪投影条纹,导致投影条纹的空间周期和精度有限,且在测量微小视场时会存在条纹强度不均匀、条纹焦面景深不够等问题。为解决该类问题,基于剪切干涉条纹的高空间分辨率优势,提出了一种利用横向剪切干涉条纹测量物体三维形貌的系统和方法。该系统利用激光波前以不同角度入射平行平板会产生不同频率干涉条纹这一性质,旋转平行平板改变剪切干涉条纹频率,利用低频条纹指导展开高频条纹相位。同时利用干涉条纹的入射角度与形变量内在联系,通过几何关系获得相位与高度的映射关系,以达到重建物体三维形貌信息的目的。实验验证了该系统及方法的可行性,证明了其对测量微小物体或视场有着明显的应用价值。     

激光横向剪切干涉应用于温度场的测量

根据大空间自然对流水平圆管上部上升的羽状烟柱区不符合边界层假设而导致各种解之间差异的问题,提出了利用横向大剪切量干涉实验装置来实现温度场的光学测量,得到了自然对流水平圆管在不同壁温时的实时条纹。利用彩色条纹图像中RGB原始数据中的R分量的峰、谷极值点的坐标来识别明、暗条纹并得到了全场的级数分布,以此反演出全场温度分布。实验结果表明:当圆管直径d为15.6mm、剪切量s为24.2mm时,实验得到的干涉条纹类似于利用全息干涉或马赫-曾得干涉原理得到的无限宽简单条纹;干涉条纹分辨率达到75.64pix/mm;利用横向大剪切量干涉法能够准确快速地反演全场温度分布,为工程热物理分析提供相关数据。     

激光多普勒流速仪的干涉条纹理论分析及测量

激光多普勒流速仪(LDV)具有准确度高、非接触测量、动态响应快等优点,在流速测量中得到了广泛应用。条纹的非一致性是影响激光多普勒流速仪测量精度的重要因素,因此精确获知测量体中干涉条纹间距及梯度分布情况,是激光多普勒流速仪准确测量流速的前提。对激光多普勒流速仪测量体中的干涉条纹间距及梯度分布进行了理论分析,揭示了高斯光束固有传播特性与其测量体中干涉条纹分布之间的关系,确定了影响干涉条纹分布的参数。使用光束分析仪分别获得绿光和紫光的束腰半径为114μm和83μm,并确定了束腰的空间位置,利用测得的相关参数量化了绿光和紫光测量体中任意位置的干涉条纹间距及梯度分布,绿光和紫光测量体中归一化后的条纹梯度最大分别可达0.46%和0.60%。通过与转盘装置所测得的绿光和紫光干涉条纹间距结果进行比较,对干涉条纹分布的理论分析及测量结果进行了验证,最大相对误差分别为0.87%和0.78%。     

抑制零级串扰的光栅横向剪切干涉测量

为降低传统光栅横向剪切干涉仪中双方孔空间滤波器带来的加工和装调难度,设计了一种基于9步式零级相位误差标定的光栅横向剪切干涉测量方法,只需采用可变空间滤波器即可抑制零级串扰对相移相位复原的影响。针对数值孔径为0.125的投影光刻物镜,完成了参数设计和原理验证系统的搭建。通过剪切相位复原和波前重构,实现了该物镜的波像差检测。结果表明:其波像差小于20.32nm。最后对该光栅横向剪切干涉仪进行重复精度实验,其重复精度的方均根值为0.1303nm,系统性能良好。     

离焦光学镜头的猫眼效应反射光干涉特性研究

将离焦光学镜头猫眼效应反射光视为球面波形式,利用Collins公式以及将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法,推导了其与参考入射光的干涉场分布公式。通过数值计算分析了离焦量对干涉场分布及条纹级数的影响规律,并进行了实验验证。结果表明,镜头离焦是其猫眼效应反射光与入射光发生干涉并产生条纹的必要条件;离焦量增大,干涉圆环逐渐向内移动,条纹级数逐渐增大;近场条件下,几何光程差函数可以正确描述干涉条纹级数与离焦量的关系。     

会聚光横向剪切移相干涉

为了检测长光程情况或多组分光学镜头逐片装校中的波面,提出一种以会聚光波直接作为干涉测试光源的会聚光移相剪切干涉方法,阐述了基于迈克耳孙干涉仪原理的会聚光横向剪切干涉光路,建立了会聚光横向剪切波面的数学表达式,并与一般横向剪切干涉相比较,分析了剪切量和波面偏移量的特征,且引入移相干涉技术求取剪切波面.结果表明,会聚光横向剪切移相干涉测试,能够实时测试会聚光的波面质量,峰谷值(PV)的重复性为0.022λ,均方根(RMS)值的重复性为0.014λ,并与Zygo干涉仪的测量结果进行了对比,验证会聚光剪切移相干涉的可行性.     

激光剪切干涉三维形貌测量

针对物体表面的三维形貌测量问题,提出了一种基于激光剪切干涉条纹的三维形貌测量方法。该方法利用激光剪切干涉原理产生密集的干涉条纹,将干涉条纹阵列照射到待测表面。利用四步相移法和解包裹算法求解被测物体表面的连续相位,进而获取曲面表面高度信息,最后建立被测物体三维形貌。本文对楔形薄片和木块进行了测试,初步实验结果证明了该方法原理的可行性。该方法可以与显微镜相配合,进一步发展可用来测量微结构3D形貌,在微测量领域具有很大的应用前景。     

基于楔板剪切干涉的高斯光束远场发散角测量

为准确、方便地测量高斯光束远场发散角,提出了一种基于楔板剪切干涉的方法:将传统的双向剪切干涉仪进行改装,使能同时测出激光传输路径上两个不同位置处的波前曲率半径,并由曲率半径求出发散角.该方法解决了传统剪切干涉法只能定性判断光束准直状态而不能定量测量发散角的问题,实现了剪切干涉对基模高斯光束发散角的定量测量.实验测量误差和理论分析结果相符.误差分析表明影响发散角测量精度的主要因素为干涉条纹宽度测量误差.     

利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变

文中就利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变的问题进行了探讨.对横向剪切干涉仪(LSI)及Hartmann波前传感器的波前探测和复原进行了类比仿真分析,结果表明在同等条件下,前者的波前复原能力优于后者.利用我们研制的二维剪切干涉仪,对激光大气传输湍流效应引起的波前畸变进行了测量,对实验结果进行了初步的研究分析,并首次得到了激光大气传输相位不连续性的直接测量结果,验证了LSI应用于测量激光大气传输相位畸变的可行性和优越性.     

激光干涉粒子成像乙醇喷雾场粒子尺寸和粒度分布测量

研究了一种基于激光干涉粒子成像(IPI)技术的粒子尺寸测量方法。该方法是利用粒子散射光在成像系统离焦像面上所形成的干涉条纹图,采用小波变换和模板匹配提取条纹图像中心,利用傅里叶变换和修正Rife方法提取干涉条纹间距/条纹数,进而计算得到粒子尺寸大小,其测量精度可达到亚像素精度。对51.1μm的标准粒子进行了测量,粒径测量值为(49.79±0.41)μm,绝对误差1.31μm,并应用于乙醇雾场粒子测量,给出了沿x方向和y方向不同测量点处的瞬时雾场粒子的粒径分布、平均粒径以及索太尔平均直径(SMD)。     

空间相机系统自准直传函测试方法及应用

调制传递函数（传函）测试是空间相机研制过程的重要环节,常规传函测试需要用到平行光管。自准直传函测试方法是一种不依赖于平行光管的系统传函测试方案。首先介绍了自准直传函测试系统的原理和搭建方案。其次对比了平行光管测试的过焦曲线和自准直传函测试的过焦曲线,发现该系统对焦面离焦敏感程度不亚于平行光管,得到该系统可以用于判定焦面位置正确性的结论。再次分析了自准直靶标条纹经过平面镜反射后偏转的现象,该现象将引入测试误差。给出了偏转角的数值计算公式和条纹偏转对传函值影响的计算公式。针对离轴系统对偏转角敏感的问题,给出自准直靶标的设计方法。利用该方法可以将靶标条纹偏转造成的传函测试误差降至可以忽略的量级。然后讨论了采用自准直传函测试方案时相机探测器与测试靶标的拼接,分析了探测器滤光片对焦面位置的影响,提出了探测器与靶标共焦面的设计及拼接方案。最后总结了该测试方法在某型号相机的实际应用,为自准直传函测试方法在后续系统的应用打下基础。     

球面计算全息图占空比的计算

针对检测实验获得最佳对比度干涉条纹,通过理论计算给出了条纹对比度与球面计算全息图(CGH)占空比的函数关系。以Cr-玻璃的球面CGH检测大口径凸面镜为例,计算了对比度最大时球面CGH的占空比,用激光直写技术制作了占空比为0．2的球面CGH。实验结果分析表明,干涉条纹的对比度与理论计算相符。     

空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术

遥感相机光学系统畸变系数作为影响相机在轨成像质量的关键因素,其检测精度一直以来都是遥感相机研制过程中的核心环节。传统的测角法主要依靠高精度二维转台,实现了光学系统视场角与像高之间的精准对应,该方法对测试设备和测试环境要求苛刻。随着相机焦距、口径和体积的增大,对于转台设备的尺寸与测量精度也日渐提升,单纯依靠提升测试设备性能无法满足后续各类高性能遥感相机的研制需求,尤其对于垂直装调类超大口径空间高分辨率光学系统,该方法不可行。在传统精密测角法的基础上,提出一种基于干涉原理的空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术,相比于传统的精密测角法,该方法在同等测试精度的基础上,具备更广泛的适用性,其不再受限于测试设备的尺寸与精度限制,可同时满足各种类型遥感相机的畸变测试需求。文中详细介绍了该畸变测试方的基本原理、测试方法与误差链路,并对该畸变测试方法进行了应用验证,将结果与传统畸变测试方法进行对照,表明该方法的测试精度满足遥感相机的研制要求且适用范围更广,对航天长焦距大口径遥感相机研制及畸变测试有参考借鉴意义。     

He─Ne激光检测视网膜功能的定标方法研究

本文提出了一种定标激光视网膜功能的新方法。将渐变光栅的暗纹和亮纹等效为具有一定对比度的矩形视标的对象（物）和背景，导出了与Ｅ字形标准视力表视力等效的激光视力的关系式和照度条件，用读数显微镜直接标定激光视力度，其临床研究表明：该二种视标视力测定结果一致性好。     

白光扫描干涉过程的自动对焦方法研究

针对白光扫描干涉系统由于物镜景深小、干涉区间短而导致的调焦不准确、查找条纹困难、耗时长等问题,提出一种适用于白光干涉仪的自动对焦方法,该方法包括一种结合穷举法与爬山法的复合式对焦搜索算法,以及一种基于四叉树分解的粗精分步对焦评价函数。所提的搜索算法不需预先设定搜索范围,步长迭代可变,在能够快速搜索的同时具有较高的搜索精度和稳定性。所提的评价函数灵敏度较高,单峰性较好。实验结果表明,所提的自动对焦方法具有较高的对焦精度和速度,且能够在快速准确找到干涉条纹位置的同时,有效地避免由条纹以及环境噪声引起的对焦曲线多峰值问题。     

相位屏法研究湍流大气对干涉图样的影响

基于马赫-泽德光路发射的相干光为模型,利用功率谱反演法生成随机相位屏的方法模拟湍流大气,分析了相干高斯光在湍流大气中的传输过程并建立了传输模型,推导得到了接收屏上的干涉光强。数值仿真分析了湍流大气对干涉图样分布以及条纹间距和对比度等特征参数的影响。结果表明,随着湍流强度增大,干涉图样变得模糊甚至破碎,条纹间距增大,对比度下降。此研究结果对于激光主动干涉探测技术的应用具有一定参考意义。     

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。     

Investigation of the Photoresist Pattern Profile Contrast Improvement in Interference Lithography Technique Using 488-nm Laser

The interference lithography technique at 488 nm is explored theoretically and experimentally, and the effect of photoresist pattern profile contrast improvement is presented. In order to produce high contrast photoresist patterns using interference lithography, the system setup and process have to be optimized strictly, and process optimization can be facilitated by simulation. In the proposed simulation method, the absorption coefficient of photoresist varying with wavelength is considered by using photoresists with lower absorption coefficients, or, for the same photoresist, using laser sources with longer wavelengths. The visibility of aerial fringe patterns of the photoresist can be improved greatly. However, after developing, the contrast of photoresist patterns was not improved. The reason is that the photo sensitivity and etching rate V of photoresist decrease at 488 nm. This offsets the effect of lower absorption coefficients even though a 488-nm argon ion laser source is useable for some photoresists. This opens up a new window for the interference lithography technique.      

激光显示中散斑减弱的研究

简述了散斑的形成机理,具体分析了在近场条件下通过降低激光的时间或空间相干性来抑制散斑的方法,以及仅通过降低激光的相干性来减弱激光显示中散斑的缺陷。提出一种全新在远场条件下减弱散斑的超声光栅法,且详细说明了超声波减弱散斑的工作原理。当合成的激光束通过因超声波在液体媒介中的传播而形成的"位相光栅"时,激光发生衍射,通过一系列透镜将所有衍射光完全会聚到投影屏幕上,投影移动的干涉条纹在屏幕上产生"沸腾"的散斑图样,考虑到人眼的视觉暂留特性。散斑在人眼中得到均匀化。以绿光为例,说明了激光束通过"位相光栅"时,经过CCD相机和图像处理系统,显示屏幕上散斑对比度和光强的变化,显示了超声光栅法有效地抑制了激光显示中的散斑现象。     

适度反馈机制下非准直外腔二重反馈自混合干涉

为了研究多重反馈对半导体激光器自混合信号的影响,运用三腔镜模型分析了多重反馈和非准直倍频现象,并进行了仿真分析和实验验证。通过仿真发现,第2重反馈相对于第1重反馈的相对强度η较大时能明显分辨出二重反馈,利用信号微分能区分出二重反馈信号,实现系统分辨率达到λ/4,二重反馈之间非准直相位差会影响干涉信号波形。实验验证了外腔反射镜非准直抑制第1重反馈利用二重反馈实现非准直干涉条纹倍频现象,实验结果与仿真分析相符。该结论将有利于提高系统分辨率和判断外腔是否准直。