纳米级微间距的多波长干涉测量方法

多波长干涉测量法适用于纳米级微间距的实时动态非接触测量.纳米级间隙之间的空气形成一层具有光学特性的空气薄膜.该空气薄膜的光强反射率是关于入射光波长和薄膜厚度的函数.在多波长干涉法中,以包含多种波长的复合入射光照射薄膜,入射光被空气薄膜分成2部分,一部分穿过薄膜,另一部分则被反射回来.利用一种特殊的方法测得该薄膜的光强反射率,进而根据薄膜厚度与入射光波长和相应的光强反射率之间的函数关系建立方程组.通过对方程组求解,计算出薄膜的厚度.多波长干涉测量法能够避免移相干涉法中移相器所带来的误差,并且可根据不同波长的光波测出的结果相互校正,提高了测量精度.通过实验对多波长干涉测量法进行了验证,实验结果充分证明了系统设计及理论依据的正确性.     

双波长集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法,利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640nm和660nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成,敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化,通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号,实现了一定范围内的扩量程位移测量,并得到绝对位置。实验结果表明,利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522μm,并实现了间隙从7.522μm到6.904μm区间的高灵敏度位移测量,其噪声等效位移为0.2nm。     

基于单片机的双波长红外测温结构设计

为了解决双波长测温不同波长的变换和精确定位测量的问题,设计了一种基于单片机的变换结构,利用电机匀速反馈控制电路和单片机周期捕获功能,准确跟踪和定位采样位置。基于这种结构提出了一种双波长测温法的暗电流电压修正方法,大大提高了测量的精度。通过实验使用设计的测量结构拟合出双波长温度测量函数,测量精度在1℃之内。     

光学元件形貌的双波长干涉测量

本文提出了一种利用双波长激光干涉产生交叉的干涉条纹测量光学元件三维面形的方法.该方法可以有效地提取干涉图像中更多的数据点,恢复被测元件的三维形貌.一定程度上解决了大口径光学元件三维形貌测量中数据点密度不足的问题.     

波长轮换与相移扫描相结合的表面形貌测量系统

用光学显微干涉法进行表面形貌测量时其深度测量范围的扩大和形貌测量精度的提高是一对矛盾。为此,本文设计出了一种基于波长轮换与相移扫描相结合的三波长表面形貌测量系统,并提出了一种基于椭圆拟合与相位差大小尺度相结合的相位提取与识别算法。将这种算法运用于多波长干涉图像的数据处理,有效地提高了形貌的整体测量精度,并拓展了深度测量范围。实验结果表明:在深度测量范围扩大近15倍的条件下,采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板得到的表面粗糙度数据与校准数据的相对误差仅为4.12%,表明该系统在一定的深度范围内能够实现表面形貌的高精度测量。另外,针对该系统设计的多波长相位识别算法对环境噪声要求不高,可以支持系统的高噪声或在线测量。     

基于白光的双波长相移干涉的误差分析

概略介绍了基于白光的双波长相移干涉表面形貌测量系统的原理,具体分析了影响测量精度的各种误差因素,给出了相应的误差计算公式和计算结果,并用模拟测量结果和实际测量结果进行了验证和比较。     

双纵模双频激光精密测距仪的研究

介绍了一种双纵模双频激光精密测距的工作原理,信号处理及误差分析。测距仪是以频差800MHz(对应波长长度为380mm)的波长为测量基准进行测量的,对不足半个波长的长度是利用双频激光干涉仪的原理进行测量的。对该测量方法精度的理论和实验研究后,可以确定出总的测量精度为±(50±1.5×10-6L)μm。     

基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法

针对大尺寸测量系统坐标统一化过程中公共点的测量误差不可控制的问题,提出了利用可现场溯源的标准器取代传统的独立公共点的方法。设计了一种标准器,并用更高精度等级的三坐标测量机对标准器上各个目标点之间的空间几何位置关系进行标定,把这些几何位置关系作为约束条件。现场应用中多站大尺寸测量仪分别测量标准器上的目标点,计算出各个几何关系与通过标定的约束关系之差,将这个差值与设定的误差限进行比较,确定公共点的测量值是否有效。对该方法进行了理论分析和仿真证明。提出了7参数坐标配准算法对大尺寸测量进行空间坐标数据配准。用激光跟踪仪和激光雷达及4个标准器进行现场实验,实验结果与传统方法相比,坐标配准误差得到降低。为了进一步验证该方法的有效性,把一根经过检定的基准尺放置于测量空间的12个不同位置,使用标准器约束前后的两组坐标配准参数分别计算基准尺长度的平均值和标准差。实验结果表明,使用标准器约束方法能够提高大尺寸测量系统坐标统一化精度。     

波长移相干涉仪的算法研究

叙述了波长移相干涉仪的基本原理,分析了其特点,对传统硬件移相干涉仪和波长移相干涉仪进行了比较,指出了它们的优缺点和应用范围.以美国New Focus公司的可调谐半导体激光器为例,简述了实现波长调谐的硬件.文中将波长移相干涉仪算法分成三类:加权多步波长移相算法、基于傅里叶变换的波长移相算法和多波长算法,对这三类算法进行了较详细的叙述和分析,指出了各自的优缺点和应用范围.基于傅里叶变换的波长移相算法,提出了结合差分运算的适合于台阶测量的新算法,克服了已有算法中需要参考基准和参考面的缺点,提高了算法的实用性.     

基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法

在加工测量一体化过程中,工件表面切削液残留形成的油膜会严重影响光学在机测量的精度。 现有的误差补偿方法通 常需要获取油膜介质的先验信息,如成分、厚度等。 而这些信息受加工形质、切削液随机分布等因素的影响难以实时获取。 为 此,本文提出一种基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法。 首先设计并搭建了基于激光三角位移测量 的多波长激光测量系统,可利用多波长激光测量同一被测点位移。 通过引入柯西色散规律,建立光学系统与激光波长的解析关 系,并基于此推导出多波长激光测量内在的差分特性,最终实现误差补偿。 本文依此方法进行了实验。 结果表明补偿后测量误 差绝对值小于 0. 01 mm,与未补偿的测量数据对比,误差降低了至少 92% 。     

双波长激光全息干涉测量技术研究

本文研究出了一种双波长激光全息干涉测量技术。论述了双波长激光全息干涉技术的基本测量原理,解决了全息图反演计算,测量光路布置和实验方法等一系列技术问题。本文的工作为火箭发动机,燃气轮机,柴油机,锅炉以及其他动力机构中的液体燃料蒸发这一耦合的传热传质过程的研究提供了一项新的测试手段。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

用于高精度测量位移等参量的光纤多波长激光器

本文研究并实验了光纤单波长激光器、光纤双波长激光器、以及光纤三波长激光器,分别发出单波长、双波长、以及三波长激光,分别用于对位移、台阶高度、绝对距离等参量的高精度干涉测量。利用光纤光栅只反射布拉格波长的特性,将光纤光栅作为光纤激光谐振腔的反射镜和波长选择元件,可以使光纤激光器具有单个或者多个独立的但光程重叠的激光谐振腔,每个激光谐振腔有掺铒光纤作为增益介质。980nm激光的泵浦下,光纤多波长激光器分别发出单波长、双波长、以及三波长激光,每个波长值可以根据需要确定,两个波长之间的间隔也可以根据需要确定。光纤多波长激光器发出的多波长之间无模式竞争,每个波长的功率和频率都稳定。每个波长的稳定度达10-7,能够满足对位移、台阶高度、绝对距离进行高精度干涉测量的要求。     

中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系,建立了3个变换矩阵M1,M2和M3,由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关系的谱图矩阵Mλ-XY,利用中心波长与自由光谱区特性获得了理想的无重叠谱图数据模型。提出了信号光斑识别方法,并对信号光斑位置坐标进行准确定位;结合所建立的谱图数据模型,实现了对二维重叠谱图的快速还原与标定。实验结果表明:该方法在中阶梯光栅光谱仪谱图分析中不仅实时性强,而且波长精度可达0.01nm,满足中阶梯光栅光谱仪高分辨率、全谱瞬态直读等要求。     

颗粒浓度在线监测的双波长消光法

用消光法（Ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ）可以测量微粒的粒度及浓度,但一般仅限于实验室装置。本文提出了一种双波长消光法进行颗粒浓度在线监测的新方法。文中除给出理论分析外,还给出了实测结果。     

双波长吸收纤维光学传感器误差分析

本文系统分析了双波长吸收纤维光学传感器的误差。文中导出测量误差公式，并推导出由于输入被测吸收样机的光功率不稳定而引起的误差表达式。本文以此种传感器普遍存在的两个重要误差（光源温度波动，光纤弯曲）为例，应用此公式详尽地对其进行分析。这些分析结果可应用到传输型及反射型吸收纤维光学传感器。     

基于相位—高度映射的简易条纹投影测量模型和标定方法

针对传统基于几何约束关系的条纹投影测量方法存在标定过程操作复杂、易用性差的问题，提出一种基于相位—高度映射的简易条纹投影测量模型与标定方法。测量模型能够直接建立测量对象表面绝对相位值与空间坐标的映射关系，无需考虑相机和投影仪间的几何约束关系，根据该测量模型提出的标定方法操作简单，无需参考平面、量块或高精度位移台等高精度辅助工具，仅需一块棋盘格标定板即可完成系统标定。基于测量模型搭建的测量系统结构简单、效率高、测量精度高、易用性好。通过仿真和实验验证了该测量模型的有效性。     

曲率半径的高精度测量及其不确定度

为了高精度测量光学元件的曲率半径,提出了一种利用反射式计算全息元件结合波长移相干涉测长技术测量光学球面曲率半径的方法.测试中,将反射式计算全息元件作为基准来标定所用标准镜头参考面的曲率半径,利用波长移相干涉技术测量干涉腔腔长,通过计算分析得到被测元件的曲率半径.文中描述了该方法的系统构成及其工作原理.结合实例,运用理论分析与软件仿真模拟分析了方法的测量不确定度.最后,利用实验室现有的商用波长移相干涉仪进行了实验验证.对一口径为100 mm的球面样品进行曲率半径的测量,得到的结果为157.108 3 mm;利用接触式球径仪法对同一样品进行对比测量,结果显示相对误差小于0.02％.与其它目前已有的非接触式曲率半径测量方法相比,提出的方法具有误差源少、测量精度高、易于操作等优点.     

紫外臭氧垂直探测仪波长精度分析与波长定标新方法的研究

对紫外臭氧垂直探测仪波长扫描机构中的凸轮廓线、摆杆长度和齿轮组传动等误差,及受温度因素对波长精度影响进行分析,得出理论波长精度为±0.035nm。地面采用C-T型1.5m单色仪和标准氘灯相结合的新方法,对大气臭氧吸收12条波长及160～400nm光谱进行波长定标,分析定标的不确定度为±0.026nm。通过在轨波长测试的结果表明:仪器的波长精度为±0.023nm,与理论分析值相符,验证了波长精度的理论分析、定标方法和不确定度计算的正确性。     

双摄像机双光源视线追踪系统标定方法研究

针对现有平面镜反射标定方法的不足,提出了一种基于多摄像机全局标定的视线追踪系统标定方法.通过在屏幕对面放置一对标定摄像机与系统摄像机构成多摄像机系统,标定摄像机直接拍摄标定目标,测量系统摄像机、光源和屏幕之间的空间位置关系.通过多摄像机全局标定确定系统摄像机和标定摄像机的坐标转换关系.通过坐标转换最终标定出系统摄像机坐标系中摄像机、光源、屏幕的空间位置关系.该方法解决了屏幕和光源不在系统摄像机视野范围内的问题,减小了图像误差.系统标定结果验证了该方法的有效性,同时为其他同类系统标定提供了一种解决问题的思路.