基于F-P干涉仪溶液浓度微变量实时监测系统的研究

设计了一款基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪监测溶液浓度微小变化量的传感装置.利用光纤传输激光并用分体CCD采集图像,实现对溶液浓度的高精度微变化量的实时监控和测量.从理论上分析了F-P干涉仪干涉条纹的改变数目Δk与溶液浓度微变化量Δc(Δk)之间的关系,采用平面F-P干涉仪实现高精度测量溶液浓度微变化量的原理和可行性.在实验上构建了由He-Ne激光器、石英光纤、平面F-P干涉容器腔、面阵分体CCD、计算机等组成的实验监控与测量装置,对三组不同浓度的甘油溶液进行测量,通过观察干涉条纹的改变数目测定溶液浓度的改变量,用实验结果标定溶液浓度微变化量Δc(Δk)与干涉条纹改变数目Δk之间的数学解析式.实验结果表明:采用该系统可以监测到10-4量级的溶液浓度的变化值.     

干涉仪自适应抗振的空间移相术

根据时域移相算法的概念,提出了一种空间移相术,它能够检测因外界振动导致条纹抖动而引起的干涉图样的空间相位变化.运用这种技术在TwymanGreen移相式干涉仪中建立了一套自适应抗振系统,它可以实时测量振动引起的相位变化大小,并通过反馈器件PZT实时校正干涉条纹的相位,使得干涉条纹稳定以保证光学测量的正常进行,与此同时PZT还作为移相器件.     

基于偏振光的干涉测长法

在干涉法测量微小位移实验中,通常数条纹的读数方式使得位移分辨率不可能小于波长的一半,本文提出了通过测量干涉相位达到连续测量位移的方法.首先测量方向相互垂直的线偏振光(p光和s光)通过干涉仪后的光强,然后利用仿射变换将测量结果映射到单位圆上.映射点的辐角与干涉相差只相差一个常量.通过记录辐角的变化可以对位移进行连续测量.通过干涉仪的冲击响应测量与金属线胀系数测量验证了此方法.     

乌氏干涉测量的信息读取

针对乌氏干涉仪条纹信号调整难、用肉眼读数难等问题,提出将He-Ne激光作为乌氏干涉仪光源的设计,得到了高质量的干涉条纹信号,并采用光电转换方法将条纹移动信号转变为电信号实现了微位移的高精度测量。设计了光电信号检测电路,利用双门限整形电路标定出整形方波,克服了干涉信号在设定比较值附近抖动引起误处理的缺点;提出了辨向细分电路,在1路干涉条纹信号下,提取了具有正交性的2路电子信号,实现了干涉条纹的移动辨向与信号细分。按此方案设计并搭建了一套激光干涉检测实验装置,用2个计量差值为5μm的标准量块,对激光干涉检测装置进行了标定,在电路为4细分的情况下,该装置测量分辨率达79 nm;解决了乌氏干涉仪自动读数的问题,提高了乌氏干涉仪的测量精度和准确性。     

激光干涉数字化角度计量系统分析

通过对数字干涉测角系统的组成、原理、误差、精度等方面的阐述与分析介绍了一种新型的精密角度测量系统。该系统是基于激光干涉技术的一种角度测量系统 ,系统以激光作为干涉光源 ,迈克耳逊干涉仪作为角度量测量的核心装置 ,通过机械装置将角度 (角位移 )量转换为迈克耳逊干涉仪干涉光路中可反映光程差变化的线位移量 ,进而反映为干涉条纹的变化 ,最后通过有关电路对干涉条纹进行的一系列处理 ,实现了对大转角的精密测量。还就上述有关问题用计算机模拟的方法作了定量分析     

迈克耳孙干涉仪中动镜微小位移量的测量方法研究

研究了迈克耳孙干涉仪中可动镜微小位移量的精确测量方法。利用单色光定标确定条纹间距与像素间隔之间的关系，进而利用白光干涉通过测量零级暗纹中心的移动量，由此得到动镜的微小位移量。对于单色光条纹图，通过逐行傅里叶变换、移频、低通滤波与反变换消除条纹噪声，进而利用多项式拟合、条纹极值点自动搜索等得到条纹间距与像素间的换算关系；而对于白光条纹图，则利用条纹平滑、设定限定性阈值消除个别奇异极值点和各行值平均等方法得到其中央零级暗纹中心移过的像素间隔。由此最终精确得到动镜的微小位移量。论文算法综合运用了图像处理技术、最小二乘拟合技术、条纹极值点自动搜索技术等，实现了对迈克耳孙干涉仪中动镜微小位移量测量算法的智能化，可用于标定干涉仪中平面参考镜的微小位移，也可用于测量透明薄膜的厚度。     

采用光电计数的激光微位移测量实验系统

以迈克耳孙干涉仪的光路为基础,利用CCD实时采集干涉条纹的光强信息,通过精确测量条纹的偏移量,测出物体的微位移.与传统微位移测量方法相比,He-Ne激光器、CCD等器件的使用和FFT、互相关运算等信号处理方法的运用,使得测量精度和灵敏度有较大提高,借助虚拟仪器手段还实现了微位移的全自动测量.     

干涉仪移相器相位移π/2标定方法的研究

干涉仪移相器的相位标定在很大程度上决定了移相干涉仪的测量精度。本文是用傅里叶变换的原理,测量出推动移相器移动的压电陶瓷堆(PZT)的微位移量,并在此基础上提出了一种用空域滤波法得到干涉因光强分布,并判断其移相误差从而校正移相器步进π/2的方法。本文组建了一套数字平面干涉仪,对干涉仪移相器进行实验,在5步法情况下其移相误差在0.5%以下。     

迈克耳孙干涉仪的数字化设计

使用硅光电晶体三极管作为光干涉条纹传感器,采用变间隙动极板电容传感器代替传统微距测量的设计方案,利用单片机对干涉条纹进行计数并自动测量反射镜的微小位移,实现了迈克耳孙干涉仪的数字化测量.制作了检测系统及电路,完成系统的软件设计.He-Ne激光波长的测量实验结果表明,采用该方案能够缩短测量时间,提高测量精度.     

计算电容中Fabry-Perot干涉仪测量位移的相位修正方法

计算电容是复现电学阻抗单位的基准装置, 利用计算电容值和量子霍尔电阻值可以准确计算出精细结构常数α. 计算电容的本质是通过高准确度地测量屏蔽电极的位移, 实现对电容量值的测量. 因此, 基于Fabry-Perot干涉仪的精密电极位移测量系统是计算电容装置中最为核心和关键的部分. 在Fabry-Perot干涉仪测位移过程中, 由于高斯激光束存在轴向Gouy相位, 该附加相位将会引起相邻干涉条纹对应位移的变化(大于或者小于λ/2), 导致位移的测量值与实际值存在偏差. 本文阐述了高斯激光场的传播特性, 利用高斯激光束在自由空间和透过薄透镜复振幅的变换关系, 建立了计算电容装置中Fabry-Perot干涉仪透射光束的传输模型; 通过对不同腔长的Fabry-Perot干涉仪透射光场相位的分析, 获得了高斯激光束轴向Gouy相位修正与传输距离的关系. 结果表明, 当腔长从111.3 mm移动至316.3 mm时, 在接收距离为560 mm的情况下, 高斯光束轴向Gouy 相位引起的位移修正的绝对值最小为0.7 nm, 其相对相位修正量|δL|/|ΔL| = 3.4×10^-9.     

MEMS微变形镜测试技术及算法研究

介绍了基于计算机控制的频闪显微干涉测量技术,实现了对MEMS微变形镜的表面形貌、离面变形、静态电压-位移曲线和谐振频率的测量。采用频闪成像、计算机微视觉技术以及基于最小二乘曲面拟合法的亚像素定位技术实现了对平面内微位移的测量;利用频闪成像以及5步相移干涉技术实现了对干涉相位的提取,建立了适合于MEMS微变形镜特性测试的相位解缠算法,恢复了代表被测物体表面形貌的真实相位,实现了微变形镜静动态特性的测试。测试结果表明:频闪显微相移干涉测量技术具有测量速度快、精度高、易实现自动控制等特点。     

全内反射型光子晶体光纤横向负荷及扭曲特性研究

用M-Z干涉仪的精确干涉特性来测量光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)横向负荷特性及扭曲特性,并应用等效折射率模型对其做了简单的理论分析.实验结果表明:光纤M-Z干涉仪传感臂(即PCF臂)受到外界应力作用时,在固定输入光波长处,PCF的有效折射率n会随外界应力的变化有规律的变化,在横向负荷实验和扭曲实验中表现为干涉条纹的相位与外界应力的变化呈近似线性变化;在横向负荷实验中干涉条纹幅值随所加负载的变化呈近似三角函数变化.     

用于PZT调制干涉仪的外触发式差动数字鉴相技术

基于相位测量的外差干涉系统以其信号处理方面的优势在光学计量领域得到了广泛的应用。介绍了采用机械调制方法的差动单频干涉系统的干涉信号小数级次的相位测量实现方法。针对机械调制干涉系统的信号有相位跃变点且周期不均匀的特点 ,提出了利用外触发信号对干涉信号进行整周期截取而后再鉴相的方法。研制了基于 FPGA的外触发式差动数字鉴相系统。实验测试表明 ,该鉴相系统在信号频率为 30 0 Hz～ 10 k Hz范围内达到的指标为 :示值稳定性优于± 0 .0 15°,极限偏差小于± 0 .0 7°     

以慢变化近似为基础的新型正弦相位调制半导体激光干涉仪

提出并在实验上实现了一种以慢变化近似为基础的新型正弦相位调制半导体激光干涉仪。原理上它不要求相位解调一次和二次谐波分量振幅在实验中必须保持相等，从而将动态范围提高了３－４个数量级且不损失精度。用压电陶瓷和微电机驱动位移。     

The PZT optical fiber phase modulator testing with varying amplitude modulation

Ｔｈｅ ＰＺＴ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｖａｒｙｉｎｇ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ￥ＹＡＮＧＹｕａｎｈｏｎｇ；ＭＡＪｉｎｇ；ＺＨＡＮＧＷｅｉｘｕ（ＴａｂｓｉｂＲｅｓｅａｒｃｈ...     

High-precision technique for in-situ testing of the PZT scanner based on fringe analysis

A technique based on fringe analysis is presented for the in-situ testing of the PZT scanner, including the end rotation analysis and displacement measurement. With the interferograms acquired in the Twyman-Green interferometer, the testing can be carried out in real time. The end rotation of the PZT scanner and its spatial displacement deviation are analyzed by processing the fringe rotation and interval changes; displacement of the PZT scanner is determined by fringe shift according to the algorithm of template-matching, from which the relation between the driving voltage and displacement is measured to calibrate the nonlinearity of the PZT scanner. It is shown by computer simulation and experiments that the proposed technique for in-situ testing of the PZT scanner takes a short time, and achieves precise displacement measurement as well as the end rotation angle and displacement deviation measurement. The proposed method has high efficiency and precision, and is of great practicality for in-situ calibration of the PZT scanner.     

The measurement of the diameter change of a piezoelectric transducer cylinder with the white-light interferometry

The measurement of the diameter change of a piezoelectric transducer (PZT) cylinder with the white-light interferometry is proposed and experimentally demonstrated. One arm of a Mach–Zehnder interferometer (MZI) is wrapped on the PZT cylinder, and the phase change of the interferogram of the MZI is used to determine the diameter change when a DC voltage is applied on the PZT cylinder. The Fourier transform white-light interferometry is used for recovering the phase change of the interferometer. The experimental results show that the diameter change resolution of 0.8 nm for the PZT cylinder with diameter of 40 mm is achieved.     

菲索干涉仪中精确移相的实现

为了实现移相式菲索干涉仪对光学元件面形的高精度测量,建立了干涉仪同步采集移相系统,并对精确移相方法进行了研究。介绍了移相系统的构成和工作原理,计算了测量过程中移相器的速度。针对PZT移相器在移相过程中会引入离焦误差,并存在加速段和减速段的问题,详细设计了移相器的行进过程。最后,对移相器的性能进行了标定。在改造后的干涉仪上开展了重复性验证实验,结果表明：干涉仪可以获得λ/11 340的RMS测量重复性。对改造后干涉仪与Zygo公司生产的Verifire XP/D干涉仪的测量精度做了比对实验,结果显示：相同元件下两者测量结果的面形RMS之差约为0.9 nm,表明提出的移相系统及移相方法在重复性和准确度方面都能满足纳米级面形测量的要求,为研制高精度移相干涉仪奠定了基础。     

移相干涉技术中移相器的自校正方法

移相干涉技术（ＰＳＩ）是８０年代兴起的一门干涉图形自动识别技术，移相器作为移相干涉技术的关键部件其移相误差将直接影响到移相干涉技术的干涉图的识别精度。本文提出了一种移相器的自校正方法，即利用移相干涉仪的自身系统，通过快速傅里叶方法，对移相器进行逐步逼近校正。结合移相式红外干涉仪的研制，给出了一组移相器的自动校正的实验，实验表明，校正后的移相器的非线性误差可由原来的５％降低到０．２％。