利用双波长数字全息术测量微小物体表面形貌

针对表面高度起伏较大的物体的三维形貌测量问题,提出了一种改进的离轴双波长数字全息测量方法。利用偏振分光原理,将两个波长的物光信息同时记录在一幅全息图上,并借助两个波长的频差形成远大于单一波长的等效波长,从而将数字全息术的纵向测量范围拓展到微米甚至毫米量级范围,有效克服了单波长数字全息术测量形貌起伏较大物体时不可避免的相位去包裹问题。对微米量级高度起伏的台阶状样品形貌进行了实验测量,测量结果与样品标称值及台阶仪测量值具有很好的一致性,证明了该方法的有效性。     

基于光纤导光的数字全息微形变测量系统

建立基于光纤导光的数字全息干涉微形变测量系统,首先,利用1×2单模光纤耦合器将激光源输出光分为照明光和参考光,实现光路结构简单、紧凑和稳定性好;然后,通过短焦距和长焦距准直透镜分别对照明光和参考光进行准直扩束,使得参物光强度接近1∶1,从而获得高信噪比的数字全息图。利用基于数字全息的双曝光方法对钢板的波长量级微形变进行实验测量。通过全息记录、再现及相位解包裹得到高精度的测量结果。实验结果表明,建立的基于光纤导光的数字全息微形变测量系统具有光路简单、稳定性好等特点,而且测量精度高。     

基于CAD光相位模型的数字全息检测方法研究

针对数字全息的精密机械结构三维检测中相位的跃变,在分析相位包裹产生的机理基础上,提出一种建立被测物体计算机三维辅助设计(3D-CAD)的光相位模型并进行解包裹的方法。将3D-CAD模型点云化处理,构建相位分布测量模型,获取被测物的相位图;通过搭建的双波长数字全息实验系统,拍摄被测物体的全息相位图并与模型的相位图进行初始对准和位置精确对准,计算全息图的包裹相位所对应的真实差值,获得全息测量的解包裹相位。仿真和实验分别采用不同表面形貌的被测物体,结果表明该方法对于精密结构的检测非常有效。     

基于跳变线估测的相位包裹去除法

针对相移干涉术中噪声点产生的相位跳变，提出一种基于跳变线估测的相位包裹去除法。该方法简单实用、与去包裹路径无关，可以有效地消除干涉图噪声所产生的位相跳变，消除噪声包裹导致的相位图上的“拉线”现象，恢复真实相位。用于相移干涉测量表面微观形貌，取得了较好的实验结果。     

消除光强调制影响的双波长正弦相位调制干涉仪

在双波长半导体激光(LD)正弦相位调制(SPM)干涉仪中,通过注入电流调制LD波长的同时,光源的输出光强也被调制,影响了测量精度。提出了一种新的双波长LD SPM干涉仪,通过对干涉信号进行处理,得到与干涉信号相位相关的线性方程组,利用该方程组精确计算相位,消除了光源光强调制的影响,使测量误差由6μm减小至1μm,并利用该干涉仪与波长扫描技术相结合实现了绝对距离的测量,当待测距离为60~280 mm时,测量结果的重复性为1μm。     

双波长同步干涉检测中基于莫尔条纹加乘变换的合成波长载频交叠干涉术

双波长同步干涉测量(ＳＤＷＩ)能够以更高的效率扩展传统单波长干涉测量的测量范围, 但是难以直接从双波长同步干涉测量中生成的加性莫尔条纹包络线中解耦提取所需波长较长的拍频合成波长(λｓ )信息? 本文提出了一种从加性莫尔条纹图中提取相位分布信息的合成波长载频交叠干涉术。通过莫尔条纹加乘转换,在得到乘性莫尔条纹图中,合成波长的干涉信息以叠加形式独立于其他波长的干涉信息。随后,从 ４ 帧乘性莫尔条纹图的频谱滤波提取出相移为 π/ ２ 的合成波长移相干涉图。最 后,对提取的 ４ 帧合成波长移相干涉图进行重新排列合成单一时空条纹图(ＳＴＦ)。 通过将时域相移转换为空域载频,利用频谱 滤波和傅里叶逆变换提取出合成波长的测试相位。与传统的双波长空域傅里叶变换解调理论相比,本论文方法在不消除背景分 量的情况下,所需空域线性载频仅为前者的 ０.１２７ 倍左右。 仿真和实验结果验证了本文方法的可行性和适用性。     

MEMS变形反射镜特性测试系统研究

为了实现对MEMS变形反射镜的静态形貌、动态离面变形及谐振频率的测量,提出了一种基于计算机控制的频闪显微干涉测量系统。测试中采用频闪照明技术及5步相移技术实现了对干涉相位的测量,利用空间及时间相位解缠算法恢复了反映物体真实信息的连续相位,从而得到了所需的特性参数。实验结果表明：该系统具有测量简便、自动化程度高及测量精度高等特点。     

基于表面等离子体共振和双频激光干涉相位测量的空气折射率测量

设计了一种基于表面等离子体共振和相位检测的空气折射率实时测量系统,该系统采用双频激光外差干涉光路和具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振传感器。理论分析表明测量光信号的p、s分量的相位差相对于参考光信号的变化与空气折射率近似呈线性关系,并由此得到测量公式,传感器的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并大幅提高了测量灵敏度。与Edlen公式的测量比对实验结果表明,在44.0°入射角(共振角附近)和0.1°的相位测量精度下,空气折射率的测量精度优于5×10-6。该测量系统还可为更高精度的空气折射率测量仪提供足够精确的初值。     

基于梅斯林对切光子筛的相位型液晶空间光调制器的干涉校准

基于梅斯林对切光子筛,提出了一个小程差的干涉测量方案以校准空间光调制器。该方案不仅提供了参考坐标系,补偿了系统振动对定标结果的扰动,而且获得了高信噪比的干涉光斑,降低了测量系统对探测器灵敏度的要求。在批量提取干涉光斑质心后,通过参考坐标系转换,得到了相位调制曲线。该曲线通过了波前分析仪的相位检定,632.8 nm和488 nm波长光的标定曲线的残差最大峰谷值小于0.012λ（λ为波长）。结果表明,该方案是一个适用于空间光调制器的高稳定高精度的干涉校准方法。     

一种改进的两步时域相位去包裹算法

针对时域相位去包裹方法在三维形貌测量时存在采 集图像幅数多、数据量大和处理时间长等问题,提出了一种改进的两步时域相位去包裹算 法。首 先,增加中间灵敏度投影条纹,将不同灵敏度光栅条纹投射到待测物体表面,由CCD相机采 集;再通过不同灵敏度级联,得到最 终灵敏度系数G值较大的去包裹相位数据。推导了两步时域相位去包裹算法 的初始相位条件。并进行了实际测量。结果表明,本文方法可实现高灵敏度三维形貌测量, 测量结果精度更高。     

双频外差结合相位编码的相位解包裹方法

为了使用高频条纹进行一次外差完成相位解包裹,实现高精度测量,提出了双频外差结合相位编码的相位解包裹方法。首先,用两组正弦条纹获得两个包裹相位,进行外差处理得到外差相位;其次,相位编码条纹得到条纹级次后对外差相位展开;最后,由连续的外差相位对两个包裹相位进行展开,用最高频率的连续相位求得物体的相位信息。实验结果表明:RMS误差为0.038 mm。双频外差合成的周期不需要覆盖整个视场,打破了传统双频外差方法对频率选择的限制,可以用更高频率的条纹进行高精度测量。克服了相位主值误差对使用更高频率条纹进行高精度测量的局限性。     

红外人脸隐蔽性三维测量

提出了一种利用近红外结构光对人脸进行隐蔽性三维测量的方法。将波长为850nm的红外结构光条纹投影到人脸表面,利用相位测量轮廓术获取人脸的三维数据。用频谱分析的方法讨论了皮肤对结构照明光场的影响,通过实验给出了系统等效的传递函数,并计算分析了皮肤对红外正弦条纹对比度的影响.由于皮肤的透射和散射等特性,在设计人脸三维测量系统时,必须使用较低空间频率和较高对比度的结构光。实验结果表明,文中提出的方法是可行的,满足人脸隐蔽性三维测量的要求,在医学美容、人脸识别等领域具有广阔的应用前景。     

基于最小二乘迭代的多波长同时相移干涉测量方法

提出一种基于最小二乘迭代的多波长同时相移干涉测量方法。该方法可以在三个波长光波同时入射的同轴相移干涉测量系统中,对所有波长进行同时相移,通过单色CCD采集一系列相移量未知的多波长同时相移干涉条纹图,利用最小二乘迭代算法提取出单个波长下的包裹相位分布。结合多波长光学位相解包和降噪处理得到合成波长的相位分布,进而测量出待测物体的三维形貌。对该方法进行了数值模拟和光学实验验证,结果表明该方法实验过程简便、测量精度高、抗噪能力强。     

一种基于主成分分析的多波长相移干涉测量方法

提出一种基于主成分分析(PCA)的多波长同轴共路同时相移干涉测量方法。所提方法可以通过从单色CCD记录的一系列相移量未知的多波长同时相移干涉条纹图,利用主成分分析提取出单个波长下的包裹相位分布,继而通过多波长的方法进行相位解包和降噪处理得到合成波长的相位。数值模拟和实验结果表明,所提方法不仅测量过程简单,而且运算速度快,测量精度高。     

基于条纹投射和正弦相位调制的表面形貌测量系统

基于条纹投射和正弦相位调制技术,提出了一种用于测量物体表面三维形貌信息的光纤干涉系统。通过杨氏双孔结构实现了条纹投射,并以余弦电压信号驱动压电陶瓷实现正弦相位调制。为了消除机械振动、温度波动等外部干扰,采用相位控制系统对相位漂移进行检测,并生成实时相位补偿信号。补偿后相位误差可达6.8 mrad,从而获得高精度的干涉条纹相位稳定度。对待测件的表面轮廓连续测量两次,时间间隔为10 min,测量重复度达到0.05波长。实验结果证明:该系统能够实现较高精度的表面形貌测量。     

基于显微数字全息的生物薄膜折射率的测量

提出了一种基于显微数字全息相位重构图像的生物薄膜折射率的简便测量方法。利用角谱法对生物薄膜的显微数字全息图像进行重构,得到其复振幅分布,从中获得激光通过生物薄膜后的相位变化与薄膜厚度、薄膜中液体的折射率及薄膜折射率间的定量关系。通过等厚干涉和阿贝折射仪测得膜的厚度与液体的折射率,再从定量的相位变化中获得生物薄膜的折射率。以洋葱内表皮细胞层折射率的测量为例,进行了相应的实验验证,得到了波长为632.8nm下的折射率。理论与实验均表明,该方法是有效和切实可行的。     

相位型液晶空间光调制器初始相位的校准与多波长响应的研究

使用时间及环境变化会引起空间光调制器(SLM)初始相位的改变及波长响应的偏移。针对这一问题,研究了纯相位SLM的初始相位的校准及多波长响应。针对初始相位的校准问题,采用四步移相干涉法测量了SLM的初始相位,进行反复校准,得到了很好的修正效果。针对多波长响应问题,实验研究了干涉条纹级数的变化与不同波长对应的灰度级间的关系,获得了SLM对多波长响应的修正系数。研究结果为在各种不同环境中精确使用SLM提供了技术参考。     

相位解包裹算法中基于调制度的新质量图

在移相法测量光学波面或物体形貌过程中,相位解包裹是条纹自动分析中的关键技术,而质量图对解包裹相位算法起着至关重要的作用。用计算机模拟干涉图获得相位导数偏差质量图,指出其在标识相位数据质量方面的不足,并根据调制度结合相位梯度构造出新的质量图(称之为调制度-相位梯度偏差质量图)来弥补此缺陷。再以新质量图数据为权值,采用加权最小二乘解包裹算法验证新质量图的可靠性。最后通过实验数据,比较新质量图和相位导数偏差质量图在解包裹相位算法中的作用,得到新质量图的解相结果均方根(RMS)值为2.652 rad,而相位导数偏差质量图的解相结果均方根值为5.151 rad,由此证明前者有更好的可靠性。     

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。     

连续偏光干涉法测量波片宽波段延迟量变化

为了测量石英波片宽光谱下相位延迟量,根据连续偏光干涉原理,提出了一种新的测量方法,并给出了相应波长的延迟量数据处理办法。采用岛津UV-3101PC分光光度计双光路比对测量方法,增加了采集数据的稳定可靠性,获得了已知厚度的石英波片300nm~800nm波段的连续偏光干涉谱,进行了理论分析和实验验证,获得了波片的宽光谱相位延迟量数据。结果表明,实验曲线和理论曲线吻合较好,测量平均误差不大于2°。这一结果对研究波片延迟量色散性质以及工艺进程的引导有重要实际意义。