基于投影栅相位法的透明体表面微观形貌测量

投影栅线相位法通常用于宏观三维形貌的测量,本文提出将其应用于透明体微观形貌领域的测量,从而拓展了测量方法的测量领域,实际测量了准分子激光近视治疗仪加工的有机玻璃试样,给出了表面的微观形貌。系统的向分辨率小于1μm。根据微观形貌计算了描述表面光洁度的参数,为计算激光束能量分布及治疗仪的校准提供了依据。     

光栅投影三维形貌测量方法及发展趋势研究

随着科学技术的高速发展,越来越多的领域提出了对物体三维尺寸进行测量的要求.本文首先系统地阐述了光栅投影三维形貌测量方法的基本原理、主要优缺点及应用范围,随后对其发展方向和研究热点进行了探讨.     

激光投影显示屏表面粗糙度的测量

显示屏是激光投影显示系统的一部分,其表面粗糙度直接影响着基于角度多样性的激光散斑抑制效果。在角度多样性散斑抑制原理的基础上,建立了被测显示屏表面粗糙度与散斑图样之间的相关性之间的联系。对显示屏表面粗糙度对照射角度和角度变化的敏感程度权衡,实验中将入射角和角度变化量分别固定在1°和0.0038°。为避免外界微扰和测试屏表面不平度对测试结果的影响,通过对被测显示屏5cm×5cm测试区域中选择9个子区域的测试结果进行平均,有效提高了测试精度。运用提出的方法确定4种材质显示屏的表面粗糙度分别为235.80,209.57,132.24和137.60μm,为设计有效降低激光散斑的投影显示屏提供了参考。     

移相式微分干涉相衬显微测量系统的研制

在微分干涉相衬显微镜的基础上，加入波片相移装置及图像采集处理，建立了移相式微分干淑相衬显微测量系统；分析并解决了表面微观形貌测量中存在的一些技术难题；准确地重构出了物体的微观三维形貌，实现了物体的表面高度及粗糙度Ra的高精度测量。结果表明：粗糙度重复测量精度为1.2nm；形貌高度分辨率为4.6nm。     

激光喷丸后板料表面微观形貌的可视化数值研究

对不锈钢SUS304板料进行了激光喷丸成形的可视化数值模拟分析和实验研究。以有限元分析软件ABAQUS/CAE为平台,通过建立的激光喷丸过程冲击波加载的转换模型,把脉冲激光能量转换成冲击波压力,利用用户子程序解决了脉冲激光束连续逐点喷丸板料变形的轨迹控制,实现激光喷丸板料动态变形过程的可视化。通过所建立的模型,对脉冲激光喷丸后材料表面的微观塑性流动过程进行了分析,研究了表面微观形貌的变化。     

用于调焦调平测量系统中的硅片表面形貌模型

以硅片表面的平整度(flatness)和硅片表面的全场厚度范围(TTV)等参数为基础,建立了硅片表面的理论形貌模型。根据调焦调平测量系统指标等确定了调焦调平测量系统的有效频带,并设计了相应的滤波器。对硅片表面的理论形貌进行滤波后,得到用于调焦调平测量的硅片表面形貌的模型。由于该模型包括硅片表面在一个曝光视场内的模型和全场模型,并以SEMI标准和ITRS预测的相关参数为基础,因此不受实验条件影响,适用范围广,可用于调焦调平测量系统的模拟测试以及相关光刻工艺的分析。     

数学形态法在投影栅线法形貌测量中的应用

提出了基于数学形态学原理的图像处理方法应用于投影栅线法三维(3-D)形貌测量中。根据投影投影栅线法的栅像图像条纹具有明显方向性的特点，设计了新的形态学方法结构元素和采用以灰度和二值数学形态学方法为基础的局部、组合图像处理技术。实验结果验证了新方法对投影栅线法栅像图中的耀斑、高频噪点的消除和栅线重叠等的处理都有显著效果，尤其适合于对圆滑表面的处理。     

发动机气缸表面规则微观形貌的激光加工研究

摩擦副表面存在着与其润滑性能要求优化匹配的微观几何形貌。本文以发动机的气缸/活塞环为具体研究对象,基于气缸的摩擦磨损特征和润滑理论,对其表面的微观几何形貌进行了初步设计。采用半导体泵浦YAG固体激光器,在硼铸铁试样上进行了激光微造型加工工艺试验,系统研究了激光波长、激光功率、脉冲宽度、重复频率、扫描速度、重叠系数及辅助气体等,对金属材料激光微加工质量和效率的影响规律。并首次提出了“单脉冲同点间隔多次”激光微加工新工艺。最后,采用优化的激光参数组合,成功地在实际缸套内表面,加工出所设计的高质量表面微观几何形貌。     

光栅投影三维测量系统中标定技术的研究

相机和投影仪的标定精度决定光栅投影三维系统的测量精度。提出一种改进的标定方法。该方法在逆向相机模型的基础上对投影仪进行标定,利用相位编码法进行绝对相位展开,避免相机标定误差的引入,在标定过程中减少投影仪投射图案的数量,使标定操作更加简单、快速。在系统的标定过程中,利用投影仪投射的垂直、水平两组光栅图像,建立其与相机图像的对应关系,进而求得标志点圆心在投影仪图像上的像素坐标;然后利用带有径向畸变的相机模型对投影仪进行标定;最后进行系统的立体标定,确定相机和投影仪间的相对位置关系。实验结果表明所提方法切实可行。     

基于光栅投影测量改进的类双目系统标定方法

系统标定是光栅投影测量系统中的关键一步。将投影仪看成相机的类双目系统标定方法具有操作简单、精度高、可靠性强的优势。在此系统标定方法的基础上,提出一种提高测量系统精度的系统标定方法。根据提取的标定板上圆标识的圆心坐标,利用计算机生成含有相对应十字标识的图像,用于相机标定,可避免圆标识轮廓对角点提取的影响,从而提高相机标定精度。同时,推导快速求取投影仪伽马的表达式用于相位校正,可建立投影仪像素与相机像素精确的对应关系,从而提高投影仪标定精度。结合投影仪和相机的标定结果,建立统一的世界坐标系完成整体系统的标定。实验结果表明:采用上述标定方法,可将投影仪和相机标定精度分别达到0.25 pixel和0.15 pixel;同时测量了一个长方体,精度达到0.142 7 mm。     

基于随机光栅的可调谐随机光纤激光器

提出一种基于随机光栅与高反射布拉格光栅(FBG)相结合的可调谐随机光纤激光器。利用980nm泵浦光源泵浦一段7m长的掺铒光纤(EDF)进行增益放大,由随机光栅提供随机反馈。随机光栅长7cm,具有约10000个折射率修改点,这些点由飞秒激光逐点写入,并沿光纤方向随机分布,两点相邻间隔小于10μm。同时,利用中心波长为1548nm的高反射FBG来组成半开放腔结构,实现了随机激光的输出。实验测得的泵浦阈值功率仅为18mW,斜率效率高达13.2%,并通过改变FBG的中心波长,实现了输出激光波长的可调谐,调谐范围为4.45nm(1548.04~1552.49nm)。得益于半开放式激光腔的设计和EDF的高增益,整个系统具有阈值低、效率高、结构简单等优点。     

基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统的设计与实现

当激光入射到正弦光栅时,会产生0级和±1级衍射谱线,通过测量衍射谱线的分布,可获得入射激光的波长及方位角信息。为了实时探测激光光源的波长和方位角,设计了一种基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统。介绍了系统的工作原理,推导了激光波长和方位角的计算公式,并对系统的探测精度进行了数值模拟研究。分析了光栅常数和柱面镜曲率半径对系统探测能力的影响,并且给出了相关函数。实验结果表明:当光栅常数为1/500mm、柱面镜曲率半径为20mm时,系统可实现对波长为320～1100nm、视场角为±20°范围内激光源的实时探测,波长分辨率可达到10nm,角分辨率可达到1°。     

光栅衍射型激光告警光学系统设计

为实时测量来袭激光的特征参数、入射方向等信息,设计了基于光栅的激光告警光学系统.使用正弦透射光栅,来袭激光衍射后只有零级和一级衍射,有利于信号采样和处理.该光学系统由遮光罩、正弦光栅、平凸柱面镜、线阵CCD构成.通过理论分析和计算,确定了各光学元件参数.实验结果表明,采用该光学系统的激光告警器可以实现对波长范围为500～1100 nm、波长分辨率小于等于10 nm、入射角分辨率小于等于1°、视场角为22.5°的激光测量.     

基于LabView的激光束发散角测量系统

为了满足激光器生产过程中快速检测激光发散角的需求,研制了一套激光发散角快速测量系统。测量系统采用焦点法测量激光发散角,利用可变光阑法确定透镜焦点处激光束的直径。为了提高测量系统的自动化程度,基于LabView软件开发平台开发了测控软件。可实现对不同孔径小孔光阑的自动更换测量,记录相应的透过能量值,计算激光束发散角,并进行保存和打印。实验结果表明,测量系统测量结果准确,测量误差小于0.05 mrad,自动化程度高、操作简便,能够满足激光发散角快速测试的要求。     

基于CCD的远场激光光斑测量系统开发与应用

针对被测激光器的特点,设计了基于CCD的远场激光光斑测量系统,通过设置CCD摄像机的控制参数,确保正确采集光斑图像,实现了图像的采集、显示、存储功能,并编写光斑图像分析软件,实现了光斑图像处理、参数计算、能量三维娃示等功能。     

基于激光跟踪仪的转台系统几何误差检测

转台系统是多轴机床的基本组件,因此转台系统的几何误差检测对于多轴机床的误差补偿有重要意义。提出了一种基于激光跟踪仪的转台系统几何误差检测方法,利用齐次坐标变换建立转台系统的误差模型,并给出几何误差与空间误差之间的关系。利用激光跟踪仪检测转台上不共线的三个点的空间坐标并得到各点的空间误差,再逆用误差模型,建立了包含六项几何误差的方程组。求解方程组,获得了转台系统的六项几何误差的解析表达式。将检测方法应用于某转台系统的几何误差检测,并通过对比实验证明了该方法的有效性。     

基于体光栅的多阵元光纤激光组束

针对外腔谱组束和主振荡功率放大(MOPA)组束方案中存在的问题,基于体光栅极窄的波长选择性和角度选择性,提出了两种多阵元光纤激光组束方案.为克服外腔谱组束中阵元数目受衍射元件有限频谱范围的限制,提出了一种基于级联体光栅的谱组束方案,该方案可使组束阵元数目随光栅数目倍增;提出了一种基于重叠体光栅的MOPA组束方案,该方案通过重叠体光栅的双向复用提供光学反馈,使系统无需复杂的相位检测与控制就可实现各阵元光束的相位锁定.     

基于光栅成像投影的微位移检测方法

提出了一种基于光栅成像投影的微位移检测方法，利用光学傅里叶变换原理给出了具体的理论分析。准直激光束照明的光栅通过一个4f系统成像投影在被测物体表面上，光栅投影经过被测物体表面反射后由另一个4f系统成像在探测光栅上。探测光栅由一个透镜组成像在光电探测器上，其中采用由起偏器、光弹调制器和检偏器组成的偏振调制单元对探测光强进行调制。通过在4f系统的频谱面上设置滤波光阑，在光电探测器上获得了与被测物体的微位移成正弦关系的光强变化，检测出光电探测器上的光强变化即可以获得被测物体的位移量。实验验证了该检测方法的可行性，其重复测量精度小于25nm(1σ)。     

成像法中波红外激光远场功率测量系统

设计开发了一套基于成像法的中波红外激光远场功率测量系统,给出了成像法测量远场激光功率密度分布的基本原理。利用漫反射靶板将激光的功率分布信息采集至中波红外热像仪,并在靶板的特征位置上安装功率探测器,将光斑图像灰度信息与激光功率探头所测的实际功率值进行信息融合,得出灰度值与功率密度的映射关系,进而推测激光远场功率密度分布。此系统测量误差小,且系统简单、可靠,适于各种条件下的中波红外激光远场功率密度测量,可满足目前大功率红外激光干扰装备的测量需求。     

基于光纤Bragg光栅的掺铒光纤激光器

研制了基于光纤Bragg光栅的掺铒单模光纤激光器。用 980nmLD作抽运源 ,在 1 56 μm波段获得了谱线宽为 0 1nm的激光输出。最大输出光功率为 1 73mW。输出功率稳定性为± 0 .0 2dB ,波长稳定性为 0 0 5dB。阈值抽运光功率为 7mW ,斜率效率为 3%。