激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统的研制

针对激光聚变靶丸内表面轮廓高精度无损测量的迫切需求,研制了一套激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统。该系统通过最小二乘算法(LSC)计算出靶丸回转偏心量,并利用偏心调整台对靶丸偏心进行自动快速调整;然后,系统软件控制气浮回转轴承驱动靶丸旋转,利用激光差动共焦传感器(LDCS)轴向响应曲线过零点及光线追迹算法精确计算出靶丸内表面轮廓上每个采样点的几何位置;最后,对靶丸内轮廓测量数据进行LSC评定得到其圆度信息。实验证明,靶丸回转偏心的自动调整时间可达22s,当采样点分别为1 024,2 048及4 096时,靶丸内轮廓测量时间分别可达10,20及40s,且圆度测量标准差可达19nm(1 024点)。该系统实现了靶丸回转偏心的自动快速调整及其内轮廓的高精度、无损、快速、自动测量。     

基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3 nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。     

激光聚变靶丸球度测量与评定

为了解决激光聚变靶丸表面形貌高精度测量与评定的难题,提出一种激光差动共焦靶丸球度测量与评定方法,该方法利用激光差动共焦测量系统的轴向响应曲线的过零点与其物镜焦点位置相对应这一特性实现对靶丸表面的定焦,通过将靶丸在两个正交的方向上分别旋转,测量并获取靶丸表面的数个截面,实现靶丸表面全形貌测量,利用最小区域球度评定算法,建立靶丸球度评定的三维模型,对靶丸表面形貌进行定量评定。搭建实验装置对靶丸表面进行采样测量,评定结果显示,该方法的测量重复性为0.15μm,为靶丸表面形貌测量与评定提供了一种可行方案。     

激光聚变靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法

针对激光聚变靶丸表面3D全形貌的高精度测量与评价难题,提出一种基于激光差动共焦原理的靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法。该方法采用经纬迹线划分方案提高形貌信息采样覆盖率,实现靶丸球面形貌高效高精度测量。首先,利用差动共焦测量系统对靶丸球面经纬迹线上二维圆周采样点进行精准定焦,获取二维轮廓信息;然后,利用精密三维位姿调整机构和正交回转轴系切换被测截面,获取覆盖靶丸全球面多条经纬迹线处的高度信息;最后依据建立的靶丸球面经纬迹线三维坐标转换模型,采用最小二乘算法对靶丸球度进行高精度评定,并对靶丸表面进行形貌重构。实验结果表明：测量57条迹线,被测靶丸的球度误差为1.946μm。该方法为靶丸表面全形貌高精度测量与评定以及定性观察提供了可行性方案。     

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统.该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量.该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高.实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求.     

激光差动共焦透镜中心偏测量系统设计与实现

针对国内外透镜中心偏高精度测量的迫切需求,研制了一套激光差动共焦透镜中心偏测量系统。该系统从中心偏非接触测量的核心定焦原理入手,结合激光差动共焦定焦技术,解决了清晰度法定焦精度差的难题。在光学测量系统误差分析的基础上,对系统再次优化设计,并利用差动共焦轴向光强响应曲线过零点的位置与被测镜猫眼和共焦点精确对应这一特性,实现了透镜中心偏的高精度测量。通过实验表明,该系统测量精度为0.49%,与传统的清晰度法定焦测量相比,透镜中心偏的测量精度有效提高了6倍。该系统将差动共焦定焦技术有效的应用于透镜中心偏测量中,提高了被测镜猫眼和共焦位置的定焦能力,实现了高精度测量系统的设计,在光学测试和透镜加工及装配领域具有广阔的应用前景。     

球型惯性元件配合间隙差动共焦精密测量方法

配合间隙是决定球型惯性器件精度和可靠性的关键参数之一,针对球型惯性器球面元件表面有缺口且未完全抛光导致曲率半径难以精确测量,进而难以准确控制球碗、球冠配合间隙瓶颈问题,提出了一种球面惯性元件配合间隙激光差动共焦高精度方法。该方法利用抗散射的激光差动共焦曲率半径测量方法分别对球碗、球冠的曲率半径进行测量,然后利用差动共焦曲率半径测量系统测得的球碗和球冠的半径差来控制球型惯性器球面的配合间隙。理论分析与实验验证表明:该方法测量球冠和球碗配合间隙的相对扩展不确定度优于20×10~(-6),其为惯性器件球冠和球碗配合间隙的高精度测量与控制提供了一种全新的技术手段。     

高精度激光差动共焦超长焦距测量方法与技术研究

<正>超长焦距透镜被广泛应用于激光聚变系统、空间光学系统和高能激光武器等大型光学系统研究领域中,超长焦距测量精度直接影响到大型光学系统的成像质量及使用性能。因此,开展高精度超长焦距的测量方法和技术研究对于大型光学系统具有重要应用价值。论文主要完成了以下工作:开展了一种具有参考镜焦距和组合透镜间隔自校准能力的激光差动共焦组合焦距测量方法研究,利用差动共焦精密定焦     

我国研制出新型测量装置

一种高精度的新型光学二维图形圆度测量装置在中国计量科学研究院研制成功并通过专家验收。该装置首次将圆度测量的标准方法与影像探测技术进行结合，实现二维圆图形高精度圆度校准，准确度达到世界先进水平，解决了高精度影像测头坐标测量机的溯源问题。     

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。     

椭圆型晶体谱仪谱测量的解谱研究

对椭圆型晶体谱仪配X射线CCD相机的X射线谱测量系统（EBCS-XCCD）进行了简要描述,研究了CCD相机记录信号的解谱处理方法,推出了对实测原始谱曲线辨认或标识值的计算公式及激光等离子体X射线源在某一波长光谱强度的公式,使之应用在激光打靶产生的等离子体源辐射X射线谱的回推,辨认出了激光等离子体X射线源能谱,并与文献[1]的结果进行了比较,结果基本一致。这一事实有力地佐证了解谱方法的可行性,也表明X射线CCD相机是适宜于椭圆型晶体谱仪的光谱测量记录。在已知晶体的积分反射率、滤片透射率和CCD探测效率的条件下,还可以获得X射线源光谱强度,可为下一步诊断激光等离子体的电子温度和离子密度的空间分布轮廓和进一步细化X激光研究奠定了更深厚的基础。     

点激光测头激光束方向标定

为了使点激光测头能在任意方向上实现测量功能,提出一种逆向工程中标定激光束方向的方法,设计了一种标定面方向可调的标定块配合标定。标定过程中,让激光测头在标定面上分别沿X、Y、Z3个轴方向做等间距运动,根据进给步长与激光束长度变化量之间的关系确定激光束的方向。以三坐标测量机为平台,给出了以任意方向安置点激光测头时,测量值从传感器坐标系到基准坐标系的转换过程,并对标定算法及整个标定过程进行了详细描述。最后,通过与接触式测量进行对比实验,验证标定后点激光测头的测量效果。实验结果表明,用该方法标定的点激光测头在3σ范围内沿任意方向的测量误差为(0.0452±0.0168)mm,满足逆向工程的测量要求。     

On-machine roundness measurement of cylindrical workpieces by the combined three-point method

In this paper, we describe a new differential method for on-machine roundness measurement of cylindrical workpieces, which is called the combined three-point method. This method combines the advantages of the generalized three-point method and the sequential three-point method and can accurately measure roundness profiles including stepwise variations. In the combined three-point method, some data points in the roundness profile evaluated by the generalized three-point method are chosen as the reference points of the standard area and used to determine the relationships among the data groups of the sequential three-point method. An interpolation technique is employed in the data processing of the generalized three-point method to improve the accuracy of the standard area. Theoretical analyses and computer simulations confirming the feasibility of the combined three-point method are shown in this paper. A roundness measurement system using three capacitance-type displacement probes is constructed. The measurement system and the experimental results are also presented.     

高精度一维标定装置控制系统设计

为解决在科学测量中标定装置的精度、稳定性等问题,设计了基于At89s52单片机的高精度一维标定装置控制系统.该装置主要用于自动检测微距变化与位置标定.装置由单片机、步进电机、驱动器和滚珠丝杠组成,通过单片机来驱动步进电机,带动滚珠丝杠的运动而使平台移动.通过系统设置可以控制分辨率的大小.介绍了如何通过单片机实现控制的过程,以及对在控制系统设计的同时遇到的问题进行了解决.通过量块对于该装置的检定,精度达到10微米级.相比于一些大型高精度测量仪器,具有成本低,人机界面良好等优点.之后将进一步通过计算机通信技术来对数据的输入,实现更高的智能化.在沉降监测领域中,该装置可以用来模拟沉降量,进而对实验进行评估.     

基于线结构光的水下旋转扫描高精度测量方法研究

随着海洋工程领域的不断发展，如何高精度地获取水下物体的三维点云具有重要学术和应用价值。由于光在不同介质中传播会引起光路的变化，导致水下线结构光视觉测量获得的点云受折射畸变影响，精度降低。针对上述问题，设计了一种基于线结构光的水下旋转扫描测量系统。提出了一种轴眼标定算法，能够将多视角水下点云配准到统一坐标系中。提出了一种引人折射补偿的水下相机成像模型，该模型可准确的描述激光在不同介质间传播过程中的光路，基于水下激光平面方程的约束，对水下点云进行折射校正，提高了水下点云的重建精度。水下测量实验结果表明，提出的高精度测量方法能够获得水下物体的三维点云信息，可测量水下目标的尺寸信息，距离目标30~80cm 时测量精度达到0.2mm，满足了水下目标三维高精度测量要求，     

High-precision distance measurements and volume-conserving segmentation of objects near and below the resolution limit in three-dimensional confocal fluorescence microscopy

This study presents a method for high-precision distance measurements and for the volume-conserving segmentation of fluorescent objects with a size of the order of the microscopic observation volume. The segmentation was performed via a model-based approach, using an algorithm that was calibrated by the microscopic point spread function. Its performance was evaluated for three different fluorochromes using model images and fluorescent microspheres as test targets. The fundamental limits which the microscopic imaging process imposes on the accuracy of volume and distance measurements were evaluated in detail. A method for the calibration of the axial stepwidth of a confocal microscope is presented. The results suggest that in biological applications, 3D distances and radii of objects in cell nuclei can be determined with an accuracy of ≤ 60 nm. Using objects of different spectral signature, 3D distance measurements substantially below the lateral half width of the confocal point spread function are feasible. This is shown both theoretically and experimentally.     

Dynamic probe calibration in the μm region with nanometric accuracy

This paper describes a system that enables a traceable dynamic calibration of probes of roughness testers and roundness testers, for example. The system is based on a digital piezo translator (DPT). For the calibration of the DPT itself, an interferometric technique was used. After calibration by laser interferometry, the DPT is used as a transfer standard that can be driven by signals of various, but exactly known, form. This time-displacement form can range from square to sinusoidal or quasi-random with a maximum displacement of 15 ,μm and a maximum frequency of about 300 Hz. From a practical calibration of a roughness tester, it is shown that, depending upon the profile, roughness parameters can be measured with an uncertainty ranging from a few nm to 1%.