长焦距红外光学系统焦距检测方法

强激光主机装置中,需要利用各种不同焦距的光学透镜对光束进行扩束和准直,透镜焦距的准确程度直接影响系统的整体性能,所以对透镜焦距的准确测量尤为重要。提出了一种利用哈特曼-夏克波前检测仪和旋转平面镜辅助测量长焦距红外光学系统焦距的新方法。给出了系统的测量原理,使用ZEMAX 光学仿真软件仿真分析了待测透镜不同通光孔径对焦距测量的影响,并且通过误差理论推导出平面镜旋转角度与系统测量误差之间的解析表达式。最后进行了实验对比,测量结果表明,当平面镜旋转至一定角度,采用合适的通光口径,系统测量精度可以优于3,远高于传统测量方法。此外,该测量方法还具有使用方便、高稳定度等显著优点。     

涡旋光用于物体面内位移变形测量的模拟

提出了一种利用涡旋光进行面内位移测 量的新方法。将传统的电子散斑干涉测量技术与液晶空间光调制器(SLM)相结合,把 利用SLM所 获得的涡旋光应用于双光路电子散斑干涉,从而测量变形物体的面内位移。推导出了以平面 光为物光、涡 旋光为参考光以及涡旋光为参考光、物光时物体发生面内变形前后的干涉强度公式, 模拟了变形前 后的干涉图样,分析了干涉变形图样的特征。运用四步相移方法求出了物体的变形相位公式 ,通过解包裹得 到了物体的变形相位。模拟结果与利用传统电子散斑干涉测量系统结合傅里叶变换法 获得面内位 移的变形相位分布是一致的,表明涡旋光可以应用于物体的变形测量,为物体面内位移变 形测量提供了一种新途径。     

基于数字散斑剪切干涉术的三维面型测试

基于数字散斑剪切干涉术的原理, 研究了物体面型的三维测试技术。使用倾斜反射镜的方法, 使物光束散斑场偏转,再由CCD记录偏转前和后物光束的散斑场。这种方法代替了传统的使用剪切元件空间上直接获得干涉条纹图, 减少了由于剪切元件分束引起的物光束的光能损失, 实现了数字散斑剪切干涉术测量物体面型。应用MATLAB软件编程, 控制剪切散斑干涉图的精确定向平移, 得到了4个干涉图, 实现了数字四步相移, 代替了传统的在参考光中利用位相控制器的机械相移, 从而实现了物体面型的三维测试。该方法不仅省去传统剪切散斑干涉术中需要对感光胶片进行化学湿处理的过程, 也省去了压电位移器等硬件。大量的实验表明, 该方法不仅简化了测试光学系统和实验的过程, 也提高了测试精度, 其精度可达到1/10波长。     

基于数字散斑剪切干涉术的三维面型测试

基于数字散斑剪切干涉术的原理,研究了物体面型的三维测试技术。使用倾斜反射镜的方法,使物光束散斑场偏转,再由CCD记录偏转前和后物光束的散斑场。这种方法代替了传统的使用剪切元件空间上直接获得干涉条纹图,减少了由于剪切元件分束引起的物光束的光能损失,实现了数字散斑剪切干涉术测量物体面型。应用MATLAB软件编程,控制剪切散斑干涉图的精确定向平移,得到了4个干涉图,实现了数字四步相移,代替了传统的在参考光中利用位相控制器的机械相移,从而实现了物体面型的三维测试。该方法不仅省去传统剪切散斑干涉术中需要对感光胶片进行化学湿处理的过程,也省去了压电位移器等硬件。大量的实验表明,该方法不仅简化了测试光学系统和实验的过程,也提高了测试精度,其精度可达到1/10波长。     

激光引力波望远镜镜面杂散光测试方法

激光引力波望远镜的杂散光来源主要是细光束入射到镜面产生的反射杂散光。1 W的激光入射产生的杂散光需抑制到10-10 W以下,否则将严重影响主要参数光程差的测量精度。针对该应用背景,考虑了在细光束入射到镜面条件下由杂散光测试数据重构表征镜面反射特性的双向反射分布函数（BRDF）参数的可行性。传统方法测量BRDF需要4个转角,系统复杂不便于实时应用。为此基于光学元件各向同性和镜面杂散光模型的对称性,综合考虑了平面镜、曲面镜以及光束衍射效应、测量误差等因素,提出了一种仅利用子午面内一维测量若干个点的散射数据即可重构得到BRDF参数的方法,并用数值方法对其可行性和测量精度进行了验证。     

一种基于CCD图像传感器的杨氏弹性模量测量方法

测量杨氏弹性模量是大学物理实验的一个重要实验,也是材料力学中衡量固体材料抗形变能力的重要物理量,还是选定机械构件材料的依据之一和工程技术中常用的参数.杨氏弹性模量通常用镜尺法进行测量,此方法的系统误差较大,根据近千份实验报告统计,其相对误差达5%。本文介绍一种新的杨氏弹性模量测量方法。该方法利用激光束照射光杠杆镜面,用高灵敏度的线型固态CCD图像传感器自动接受激光光束偏转方位来取代传统的依靠人眼从望远镜读数中获取数据的方法,实现了过程自动化,从而消除了测量过程中所产生的人为因素的影响。该方法实验测量杨氏弹性模量的相对误差为0.88%,大大提高了测量精度。这一技术可直接运用于有关材料的杨氏模量测量,并将传统的物理实验改进成了一个有意义的集设计、研究、综合于一体的实验。     

一种基于CCD的线路激光测量仪的研制

研制了一种基于电荷耦合器件(CCD)的线路激光测量仪.它利用激光的强方向性作为测量基准,激光束经CCD成像后,通过数据处理系统对激光光斑中心进行计算,从而可以测量出铁路钢轨在70 m弦长上任意位置处的高低和方位向偏差.与传统的弦绳测量法相比,此测量仪用激光束代替弦绳,用光电靶代替钢板尺,用数字显示代替人工读数,既解决了提速段钢轨参数的测量问题,又提高了测量精度和工作效率.

Abstract：

One track laser measuring instrument based on CCD is elaborated, which uses laser as strong directional measurement benchmarks. After the laser beam was imaged on CCD, the laser spot center would be calculated through the data processing system, so it is convenient to measure the deviation of the track in vertical and orientation directions within a 70 m chord length at an arbitrary position. Compared with the traditional rope chord measurement method, in this new method, a laser beam, a photoelectric target and a digital display are used to replace the string rope, the steel ruler and manual reading, respectively. This not only resolves the problem of measuring the parameters of a speed-raising rail, but also improves the measurement accuracy and working efficiency.     

基于空域变换的超分辨成像系统

传统的超分辨成像系统易受外界环境影响,抗噪效果差,输出的超分辨图像清晰度较低,基于此设计基于空域变换的超分辨成像系统,系统先将激光集中在孔径光栏上射出,通过聚光镜汇聚激光,根据分光镜和辅助镜将激光聚焦在显微镜焦平面上,依照物镜将激光束转变成平型光,使平行光能够均匀照射测量样品上,采用显微镜和辅助物镜处理从样品表面反射的带有样品信息的激光,最后通过分光镜反射带有信息的激光,反射光束在CCD上显示成像,核心处理器是FPGAWie的图像采集模块,采集CCD传输的视频图像后,通过通用并行接口将采集的视频图像数据传输到图像处理模块,该模块通过空域变换方法处理图像,获取超分辨图像,最终传输到计算机上进行显示。经过实验分析发现,该系统图像稳定性和图像清晰度平均值分别是98.538%和99.19%,干扰信噪比为16 d B时,该系统成像时间最短为6.57 ms,说明该系统成像清晰度高、抗干扰性能优。     

激光回馈纳米级宽度干涉条纹

一般的干涉现象为“反射镜每移动半个波长,出现一个干涉条纹”。介绍了利用激光回馈获得纳米级宽度干涉条纹的方法。系统构成:He-Ne激光器,使用近于全反射的球面介质镜作激光器的回馈镜,且该回馈镜法线和激光束夹分量级的小角度。回馈镜沿激光束位移移动时,激光器的功率发生周期类正旋波动,即产生回馈干涉条纹。回馈镜离激光器越近,条纹越窄,以至于半波长位移中出现40个条纹。对波长为632.8 nm的He-Ne激光器而言,每个条纹宽度为7.91 nm。同时,当回馈镜的运动方向发生变化时,激光的偏振态将在两个正交的方向之间发生跳变。利用此效应,可以实现纳米分辨位移测量和回馈镜运动方向的识别。     

CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中,通过对比不同的激光波长,分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大,这会对激光光束质量的测量精度带来影响,因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统,建立高斯型激光光束的近远场传输模型,对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样,利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明:利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正,对比国际标准激光光束质量分析仪,所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度,对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。     

基于CCD的脉冲激光器远场发散角工程化研究

简述了激光光束的基本参数及特性,并介绍了采用CCD进行激光发散角测量的基本原理和装置.用CCD测量光斑可以及时获得光斑的二维扫描结果.实际工程应用时常采用CCD来测量激光远场发散角.进一步介绍了使用CCD摄像法进行发散角测量所采用的系统软件设计,首次提出了采用图像处理的方法来捕捉脉冲激光光斑.     

基于组合面型基准件的多参数测量方法

针对运动物体空间多维位姿检测过程繁琐、设备笨重及昂贵等问题,提出了一种可以完成运动体4个参数同时测量的光学非接触测量方法。该系统由旋转抛物面与平面构成的组合面型基准件和光学测头两部分组成。基于平面镜反射原理和组合面型基准件的面型特征,分别建立了运动轴的俯仰角、偏摆角和二维位移的角度测量模型,并完成了系统的精度评价与重复性实验。实验结果表明:该系统的测角精度为1.5,位移精度为1 m,为机床误差辨识打下了基础。     

利用线阵CCD测量透明介质折射率

根据光线通过均匀透明平行平板介质时发生的横向位移特性,提出了一种利用线阵CCD和计算机自动测量此横向位移量,并很快计算出透明介质折射率的简单方法。采用He-Ne激光以入射角分别为30°、45°、60°和75°对K9玻璃的折射率进行了测量,测量中用曲线拟合法确定光斑的中心位置来获得偏移量,最终测量精度能够达到10-3量级。对实验方法误差进行了分析,提出了减小测量误差、提高测量精度的措施。     

步进电机脉冲当量及回程差的微位移测量系统

摘要:为了精确测量步进电机的脉冲当量和回程差,提出了一种基于薄膜干涉原理的激光微位移测量系统。该系统以He-Ne激光器为光源,配以牛顿环仪系统、面阵电荷耦合器（CCD）视频信号采集系统、计算机及数据处理软件等。采用条纹记数法实现微位移测量,具有四百分之一波长的位移分辨率。与传统测量方法相比,其精度、灵敏度及稳定性都有较大提高,特别适合范围在微米及微米以下的位移测量。在对TSA50-C型商用步进电机的测量中,结果验证了这种测量系统在普通实验室环境噪声中可以达到纳米级的位移测量精度。实验数据处理结果表明,对于5微米以下的脉冲当量及回程差的测量,该测量系统的相对误差分别为2.63%和0.44%。     

用劳埃德镜干涉原理进行圆度误差测量

提出一种应用线阵CCD自动测量圆度误差的新方法。论述了系统利用劳埃德镜干涉装置，通过线阵CCD图像处理系统自动测量圆度误差的工作原理及过程设计。测量结果表明，新的测量方法实现了圆度误差的实时精确在线测量。该测量系统具有一定的实用价值及较广阔的应用前景。     

利用CCD测量液体折射率

提出一种利用ＣＣＤ测量流体折射率的简单方法,当一束激光斜入射到一个主以满液体的长方形样品池时,航向光线将产生一定量的偏移,利用ＣＣＤ自动测量这一偏移量,就可以很快地计算出流体的折射率。采用Ｈｅ－Ｎｅ激光测量了纯水、乙醇和丙酮的折射率。     

采用多准直光束测量六自由度微位移新方法

为实现星载三线阵CCD相机的相机参数在轨测量,提出了一种六自由度微位移测量方法。高亮度LED输出光被准直并耦合到输入光纤。输出光纤末端固定在可移动的被测物体上。光纤输出由多个光纤准直器（ 4）准直,并由系统固定部分中的多个区域阵列的CCD相机（ 4）捕获。根据CCD图像中光点的位置变化来求解被测物体的六自由度位移。为了验证系统模型和六自由度位移计算程序,对该方法进行了理论分析和仿真。结果表明:当平移位移小于100 m且旋转位移小于6'时,典型的4准直测量系统求解误差小于10-5 m和10-4'。并且,当准直器的光斑位置的两个坐标方向上添加-0.5~0.5 m的随机量时,平移误差和旋转误差的3分别为0.9 m和0.012'。     

激光双路对称透射法在线测量平板玻璃厚度

针对传统测量平板玻璃厚度的不足,基于光的折射原理,提出一种双路激光对称透射法,设计了在线测量平板玻璃厚度的装置,以线激光做光源,以对称平面镜组为光路转换装置,将对称分布的光路调制为两束相互平行的线激光,线阵CCD 传感器作为视觉探测工具,并针对测量图像的特点,选定背景与目标的过渡区域段的灰度值,作为单束线光带图像的边界阈值,使用改进灰度重心法提取线光带中心像素。通过对待测样品的实验检测,结果表明该方法测量精确可达0.1mm,该精度符合玻璃生产线中对其厚度检测标准的要求。由此证明了该方法的可行性,并具有良好的实用价值。     

固体激光远场瞬时光斑时空分布测量技术

基于漫透射CCD成像法原理,建立了固体激光瞬时光斑时空分布测量系统。开展了该测量方法的可行性验证实验,能够精确地获得激光远场光斑图像,并运用Matlab软件对测量数据进行处理,得到激光远场光斑半径、光束质量、质心位置、光轴抖动、光强分布以及平均功率密度等参数。实验结果表明:利用漫透射CCD成像法测量固体激光远场瞬时光斑时空分布是可行的,测试系统采集频率可达120 Hz。该方法具有高分辨率、高帧频、低成本、使用方便的突出优点,能同时实现激光强度分布和功率的测量,测量功率误差小于2%。     

COIL光束填充因子F的实验研究

采用CCD阵列测量技术,设计了对非稳腔、高遮拦比的COIL激光填充因子F的测量系统,利用两台光束质量分析仪同时测量了激光近场和远场光斑,通过Matlab软件对光束质量分析仪所测数据进行处理,给出光束填充因子。在与测得的光束质量数据进行对比后表明,填充因子F与光束质量存在一定的关系,F值越大,光束质量越好。