二维光栅纳米位移测量系统的设计与分析

文章提出了一种以衍射光栅为基准件的二维纳米位移测量系统,阐述了系统的组成和光路结构．分析了系统的测量原理。最后利用Lighttools软件对系统的光学结构进行仿真设计,研究系统干涉信号的变化规律,为后续的光路优化和误差补偿提供了理论模型。     

体光栅二维耦合波方程解析解的再探讨

针对完全重叠型的体光栅,在布拉格衍射范畴内给出二维耦合波方程的完整推导,并给出方程组的闭形式解析解.该解析解能够解决完全重叠型的均匀光栅的普遍衍射问题.研究了二维有限尺寸体光栅的衍射性质特别是衍射效率与光栅二维尺寸及介质吸收系数之间的关系.对于无吸收的光栅,参考光束相对物光束越宽,衍射效率将越高.当介质的吸收不可忽略时,对于耦合较强的光栅,参考光尺寸的增大反而会引起衍射效率的下降.为了获得最优的衍射效率,应当根据介质的吸收率合理地设计光栅的几何尺寸.     

基于利特罗式激光反馈光栅干涉的微位移测量技术

通过在激光反馈干涉(LFI)系统中引入衍射光栅,提出了一种基于利特罗结构的激光反馈光栅干涉(LFGI)技术,用于一维和二维精密位移的测量。半导体激光器出射的光束以利特罗条件入射至反射式全息光栅,衍射光沿入射光方向返回激光腔后,腔内会发生激光反馈干涉效应。引入正弦相位调制解调技术,高精度地测量一维和二维微位移。利特罗结构和LFGI系统具有自准直性好、结构紧凑、易于操作和系统稳定性高的优点。实验结果表明,利特罗式LFGI系统的位移测量精度可以达到10 nm量级。     

长波GaAs QWIP二维周期光栅的耦合效率研究

在量子阱红外探测器(QWIP)上制备光栅的目的是对垂直入射的红外辐射进行有效的耦合.为了研究光栅的光耦合性能,基于模式扩展理论,详细计算长波(14.7 μm)QWIP二维周期矩形光栅的耦合效率.计算结果表明,光栅周期D=4.7 μm,栅孔深度h=1.45μm,d(栅孔)/D=0.707时,光栅的耦合效率达到最大.并且从几何光学的考虑出发,对计算结果进行了验证和分析.还讨论了二维周期光栅衍射光场的分布情况.     

用于长波红外目标模拟器的DMD衍射特性分析

基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段（8~12 m）时,DMD的衍射效应对系统的成像对比度造成较大影响。为使系统获得高对比度的红外图像,需要对DMD的衍射特性进行分析。首先根据DMD的结构和工作原理,将DMD等效为一特殊的二维闪耀光栅,并利用光栅衍射理论和傅里叶变换,推导出DMD二维光栅衍射模型;然后利用MATLAB对DMD在8~12 m波段的衍射模型进行仿真计算;最后对仿真结果进行了实验验证。通过仿真计算和实验分析得出结论:基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段时,照明光束需要选取合适的入射角;当入射空间方位角为0,入射天顶角为44~48时,目标模拟器生成的红外图像对比度达到最佳,系统成像质量最好。     

平面反射式二维光栅测量系统研究

针对超精密运动台的二维亚微米级精度同步测量需求，提出并建立了平面反射式二维光栅测量系统，研究了平面反射式二维光栅的平面位移同步测量方法，分析了平面反射式二维光栅测量系统的误差传递模型。通过Vold-Kalman滤波算法，对光栅信号中存在的高次谐波误差、幅值/相位误差进行实时修正和滤除。采用反正切细分算法和周期测量法对光栅正交脉冲的频率进行测量，实现对被测目标的高分辨率测量和实时运动速度测量。同时，构建了亚微米级测量精度的平面反射式二维光栅测量系统，测量范围为500 mm×500 mm,x、y方向的定位精度为±0.3μm，测量分辨率为0.005μm。     

用二元位相光栅进行激光束叠加的研究

基于标量衍射理论,系统探讨了二元位相光栅实现激光束叠加的理论和位相光栅设计方法,利用新型遗传模拟退火混合算法得到优化的光栅参数,给出其用于分束和耦合时的模拟结果,并讨论实际误差对位相光栅耦合效率的影响.二元位相光栅用于激光束叠加有结构简单,调节灵活的优点,可以有效地提高激光束的功率密度和系统的整体性能.     

光栅干涉位移测量技术发展综述

介绍了经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统、同心圆光栅2维位移测量系统、2维光栅位移测量系统的测量原理,阐述了各系统的关键问题及不足之处。同时结合双频激光干涉仪外差干涉思想,在单光栅测量系统的基础上,提出了双波长单光栅式纳米级位移测量方法,并通过分析系统特点指出该方法能实现大量程测量、获得纳米级的精度和分辨力。在对各种测量方法进行综合比较之后,总结了光栅测量的关键问题,并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。     

二维位移测量中激光漂移实时补偿方法研究

激光漂移是影响二维位移测量精度的主要因素之一。为了消除激光光源漂移对二维位移测量结果的影响,提出了一种双光路激光漂移实时补偿的方法。在二维位移测量系统中,根据测量光路结构工作机理建立了激光光源平漂和角漂对位移测量产生误差的模型,通过参考光路监测激光的漂移量,并利用误差模型将漂移量经过转换后补偿到测量结果中。理论分析表明,本文方法能够实现对平漂和角漂的完全补偿。分析了实际光路布置中的结构参数误差对补偿效果的影响,基于此选择光路的结构参数。实验结果显示,使用双路激光漂移补偿方法后,可以使8h内的X方向和Y方向的漂移量分别减少55.1%和73.3%。     

一种对称式双光栅干涉位移测量系统的研制

作为纳米位移测量技术领域的关键解决方案之一,干涉型光栅位移测量系统具有高精度、高分辨率、小体积的特点。干涉型光栅位移测量系统中采用的干涉光来自光栅的衍射,所以系统对光栅的偏摆角度较为敏感,装调难度大。为此,研制了一种对称式双光栅干涉位移测量系统,基于光学多普勒频移效应和圆偏振光干涉等原理实现高精度位移测量,系统对位公差小,装调简便。性能测试结果表明,该系统的实测分辨率为0.8nm,重复性为1.4nm;在1~14.5μm的位移范围内校正前系统测量精度为15.4nm,采用系统运动轨迹误差校正后精度为5.5nm,进一步采用周期性误差校正后精度达到1.4nm。     

MEMS惯性测量系统安装误差分析与补偿

针对实际工程应用中微惯性测量组合与惯性测量系统之间的安装误差会影响载体测量精度的问题,提出一种有效补偿安装误差角的方法。在分析微惯性测量组合与系统间安装误差角产生机理的基础上,建立了安装误差模型,推导了求解安装误差角的方法。通过三轴位置速率摇摆温控转台实验验证了安装误差角求解算法和安装误差角建模补偿方法的正确性和有效性。实验结果表明该方法能够很好地补偿微惯性测量组合与系统之间的安装误差角,将惯性测量系统的姿态测量精度提高1～2个数量级,具有很强的工程应用性价值。     

基于数字图像相关的刚体面内微小转动测量及转动中心定位

基于刚体面内微小转动测量在实验力学测量中的必要性和重要性,开展了利用数字图像相关方法(DICM)定量测量转动角度和准确定位转动中心的研究。从理论上分析了刚体面内转动角度与面内位移分量之间的关系,运用计算机仿真散斑图进行数值模拟研究,得到的转动角度和转动中心位置测量误差都在2%以内,模拟结果验证了数字图像相关法进行刚体面内微小转动定量测量的可行性。运用数字图像相关法对刚体面内未知微小转动进行了实测,并与几何光学实验方法所得到的结果进行了比较,两者结果误差为3.1%,符合较好。实验结果表明数字图像相关方法可以作为定量测量刚体面内微小转动的有效方法。     

基于泽尼克多项式系数的大相对孔径表面超精密车削误差的补偿方法

超精密车削误差补偿是提高超精密车削工艺水平的关键技术。首先对超精密车削中的各种误差进行了简单的分析与归纳,指出刀具刃口几何形状误差与机床导轨非线性误差具有相同的表现形式,可以通过车削零件的面形检测结果进行综合补偿。然后,提出了一种根据干涉仪检测结果对上述误差进行高精度补偿的方法,并进行了理论推导。最后的实验结果证明:基于面形误差泽尼克多项式球差及高级球差系数(最高到36项系数)对国产刀具刃口(波纹度误差大于0.2μm)与机床(Nanotech UPL250)系统误差进行综合补偿的方法正确而高效,仅3次补偿循环,即可使一大相对口径实验球面件的面形误差收敛到PV=0.24λ,rms=0.021λ,符合理论推导及计算机模拟的分析。     

非正交轴系激光经纬仪测量技术研究

在空间大尺寸坐标测量系统中,经纬仪测量系统因其测量范围广、非接触式测量、便携性等优点应用广泛。为了降低经纬仪测量系统成本,减少经纬仪测量系统误差来源,提出了一种基于非正交轴系的激光经纬仪测量系统。首先,根据测量时非正交轴系的转换关系,推导出非正交轴系激光经纬仪的视准轴的空间数学模型。然后,根据双经纬仪前方交会测量原理,建立了基于非正交轴系激光经纬仪的测量系统,并推导出空间点坐标。最后,通过仿真与实验,验证了测量模型的正确性。结果表明,在测量半径为3m时,该测量系统对空间点在拉依达准则下的测量不确定度能达到1mm以内,尤其适用于大空间、大尺寸测量。     

基于正交解调算法的三维轮廓术的误差因素分析

发现基于正交解调算法的三维（3－D）轮廓术存在的三种主要误差，激光干涉仪的激光散斑造成的误差；正交解调算法中混频频率所引入的误差，结构光中余弦条纹形变造成的误差，对3种误差进行了实验及理论分析，给出了最终的修正结果。     

异轴角散射法中散射体几何模型的构建与优化

湿蒸汽参量测量对于保障汽轮机机组的高效安全运行具有重大意义。基于激光散射的异轴角散射法是湿蒸汽参数测量的光学方法之一。本文在分析异轴角散射法测量模型中激光散射的散射体几何建模存在问题的基础上,构建了CCD相机单个像元所对应的散射体的几何模型,并求解了散射体体积及与散射体相关的几何参数;并采用MATLAB软件进行了仿真计算,计算了水滴群质量中间半径r0.5、水滴数浓度N和尺寸分布系数K变化对散射光强的影响,并进行了误差分析。研究结果表明:采用新构建的散射体几何模型的异轴角散射法所得的仿真理论数据与实验数据间相对误差减小,且变化趋势更趋于一致,验证了几何模型优化的可行性和优越性,可为湿蒸汽参数测量提供更精确的数据。     

632.8nm高精度移相菲佐干涉仪测量误差分析

为了满足高精度光学系统对光学元件纳米级的检测精度要求,提出了一种理论可实现纳米级测量的632.8nm移相菲佐干涉仪的设计方案。通过对检测凹面和凸面的632.8nm移相菲佐干涉仪的基本结构和测量原理的分析,指出影响干涉仪测量精度的几种主要误差:移相误差、几何结构误差、振动误差、探测器误差(非线性误差和量化误差)、光源误差(波长不稳定和强度不稳定)、空气扰动和折射率变化误差。通过对这些误差理论分析和模拟,量化了各误差对测量精度的影响,其中移相误差、几何误差、振动误差和空气折射率误差影响最为显著。根据测量精度要求和仿真结果,得到实现纳米级测量的干涉仪系统参数和环境参数设置要求。     

金属平板的太赫兹雷达散射截面测量

为了测量金属平板的雷达散射截面,分别采用了太赫兹时域光谱系统和0.1 THz连续波测量系统两种方法进行测量,并从理论上分析了雷达散射截面测量模型。结果表明,对于太赫兹时域光谱系统,随着测量频率和角度的增加,其误差在增大;对于0.1 THz连续波测量系统,随着角度的增加,误差增大,随着被测目标尺寸增大,误差先减小后增大,实验最小误差均可达到-0.244dB。利用太赫时域光谱系统及0.1 THz连续波测量系统测量雷达散射截面均是可行的。太赫兹时域光谱系统具有频率取值范围大、角分辨率高的特点;而0.1 THz连续系统系统结构简单、成像速度快、使用方便。     

傅氏级数和多项式结合的图像灰度建模及位移测量

利用图像传感器的成像灰度实现位移测量,需要在位移过程中用相机对靶标进行成像,进而建立位移值与成像灰度值之间的映射关系,即成像灰度模型,该方法的测量精度取决于成像灰度模型与灰度噪声水平。实际测量过程中,光照不均匀、靶标制造误差、相机成像系统畸变等外部误差源以及内部不同图像传感器单元之间成像特性的差异性均会使成像灰度模型偏离理想情况,从而影响测量结果。为了进一步提高测量精度,所提方法考虑了上述的非线性因素带来的建模误差,采用Fourier级数与高阶多项式结合构造成像灰度模型类,提高模型的泛化逼近能力进而提高建模精度,校正上述误差源导致的灰度畸变。在此基础上,采用基于位移连续性原理的顺序求解法解算位移,实验结果显示,使用该改进模型在10.46 mm行程下的位移测量误差标准差由校正前的56.4 μm降低至1.5 μm。