多个等倾干涉条纹同时形成的理论与实验研究

通常情况下在迈克耳逊干涉仪上只能观察到一个等倾干涉条纹，但是实验中只要调节得当，可以同时观察到4个等倾干涉条纹，而且变化规律相同．本文根据迈克耳逊干涉仪构造原理、等倾干涉条件和菲涅尔公式，对迈克耳逊干涉仪同时形成多个等倾干涉条纹的实验现象进行理论和实验研究．     

迈克耳逊干涉仪干涉条纹分析及调整

在迈克耳逊干涉仪测波长的实验中需要调出干涉条纹,再根据干涉条纹变化情况得出结果,对于实验中干涉条纹可能的形状进行了分析并提出一种简便的调整疗法和技巧。     

用迈克耳逊干涉仪观察多种不同形式空气劈尖形成的牛顿环

本通过将迈克耳逊干涉仪两臂上的平面镜分别用凹面镜和凸面镜代换,可观察不同形式的空气劈尖形成的牛顿环,对动镜移动时干涉条纹的变化规律作了观察、分析和讨论,此改进后的装置可用于测量曲面镜曲率半径和比较两曲面镜曲率半径的大小。     

干涉法线胀系数测量实验装置研究与应用

本文介绍了利用迈克耳逊干涉仪构造的干涉法线胀系数测量实验装置,并通过实验应用过程阐述了研究该实验装置的重要性及现实意义。     

迈克耳逊干涉仪的调节

迈克耳逊干涉仪的调节李云生，凤宝瑚（上海海运学院）（上海机械学院）一、通常的调节方法要观察迈克耳逊干涉仪的等倾干涉条纹或等厚干涉条纹，通常的方法是先将扩柬镜从光路中取去，调节干涉仪镜Ｍ１背面的３个螺丝和２个微调螺丝，使从Ｍ１来的反射光点和从Ｍ２来的反...     

迈克耳逊干涉仪实验中的等倾与等厚干涉

本仔细讨论了在面光源照明下用肉眼直接观察的迈克耳逊干涉仪实验中产生的干涉条纹形状，指出等倾干涉和等厚干涉的实验条件，从而帮助学生加深对这两种干涉条纹的理解和判别。     

基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪

试制了一台基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪原理样机。样机将迈克耳逊干涉仪光路中的一面反射镜偏转一个小角度,使经两平面镜反射后的两束光波面之间产生一维连续的光程差,在图像传感器的像面上形成空间调制干涉条纹,构成空间调制型干涉成像光谱仪。一系列原理验证性实验表明:光谱仪原理正确可行,实验结果与理论相符,并且具有高通量,高信噪比,大视场和体积小,重量轻的优点。     

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.     

基于PASCO平台的透明材料折射率的测量

将迈克耳孙干涉仪和PASCO实验平台相结合,设计了一种高精度、高效率测量透明材料折射率的方法.首先分析PASCO迈克耳孙干涉仪测量材料折射率的原理,然后利用高性能PASCO传感器和计算机对干涉条纹进行图像采集和数据处理,得到待测透明材料的折射率信息.最后对材料折射率的不确定度进行探究.实验结果表明,旋转角度θ对折射率的不确定度影响最大,厚度d次之,干涉条纹计数K影响最小.PASCO实验平台配合迈克耳孙干涉仪可以准确、高效的记录干涉条纹在"吞吐"时光强的变化,降低条纹计数测量的不确定度,从而提高透明材料折射率的计算精度.同时该方法还可用于和透明材料折射率相关的其他特性的测量.     

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.     

高精度激光倾角测量技术研究

本文提出了一种高精度激光电子二维倾角测量技术,该技术利用液体表面多次光反射,将倾角变化转换成激光光斑的位移,并通过多次光学反射实现光学放大,从而实现了倾角和倾角变化的高精度测量.利用本技术实现的倾角测量仪器具有测量精度高、体积小等优点,经过标定试验系统测量精度达到2.5″.高精度激光电子二维倾角测量系统可广泛应用于水坝安全监测工程、各种建筑和检测领域.     

遮挡区域空间位姿的多传感组合测量方法研究

针对狭长区域模块间存在视野遮挡、对接区域尺寸微小等问题，提出了一种多传感器组合位姿测量方法。该方法采用了布置在模块前后的轮廓仪与激光位移传感器联合获取模块上特征平面点云数据，利用平面拟合与空间几何投影的方法解算出章动角的旋转与位置的平移偏差，结合固定在目标上倾角仪提供的水平角信息解算出进动角与自转角的旋转偏差，研制了自动对接平台样机，实现了对接区域相对位姿的间接测量。实验结果表明，系统的位置与姿态测量精度分别优于40 μm、0.02°，且测量稳定性与效益较人工测量有明显提高，证明了所提方法的有效性，满足对设备模块间的高精度位姿测量需求。     

一种基于激光调制的高精度位移测量方法

激光准直技术在位移测量及相关应用中具有重要作用,其核心器件是位置敏感探测器,环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等是影响测量精度的主要因素。针对以上问题,提出一种基于激光调制的高精度位移测量方法。将激光器由直流驱动的连续输出模式改为交流驱动的调制模式输出,优化设计光电探测器微弱光电信号的调理与采集系统,通过编写Labview软件对信号进行频谱分析、带通滤波、均值处理等,对激光连续输出和激光调制输出2种情况分别进行了实验测试与分析,并对比了位移测量的稳定性。实验结果表明:其测量值波动范围从7 μm减少到了2.6 μm,验证了基于激光调制方法的有效性,可以通过滤波更加有效地消除噪声,测量精度提高至3 μm以内。     

Roll angle measurement based on common path compensation principle

We propose a novel and compact roll angle displacement measurement method based on collimated laser position measurement and the common path compensation principle. The principles of the roll angle displacement measurement and the common path compensation are analyzed. The feasibility of the measurement method is verified, and the experimental results revealed a linear correlation coefficient of 0.99995 between the relative displacement of the measuring beam spot and the angular displacement. Furthermore, the theoretical measurement resolution is 0.013  arcsec. To test the performance of the compensation, a series of experiments, including one system stability experiment and two different environmental interference experiments, were performed. The experimental results indicated that the standard deviations of the measuring beam spot’s angular drift were improved by 82.6–87.2%. Thus, the stability of the system and the measurement resolution were improved.     

表面散射光对激光三角法位移测量的影响

三角测量法是一种位移测量方法, 其测量精度不但受到传感器本身因素如光源、探测器、机械结构特性等因素的影响, 还受到被测表面特性如色泽、材料、粗糙度、倾斜度以及外界环境的影响。国内外的一些学者提出了许多提高传感器测量精度的方法, 但这些研究都是针对某一特性表面进行的, 没有涉及到对不同表面的测量时存在的问题。利用随机行走理论对物体表面的散射场进行了分析, 给出了不同粗糙度表面下弱散射光强与散射角及入射角的关系。由于设计制造的传感器量程范围内接收散射光的角度在15°至25°内变化, 因此取20°作为散射角角度, 理论计算模拟的三种不同粗糙面散射光强变化最大能达到300%左右。该结果对于优化激光三角传感器的设计和提高测量精度有一定的意义。     

Design and evaluation of a Blu-ray pickup head system for determining the tilt angle and displacement of the test plane

We present an optical system design for determining the tilt angle and displacement of the test plane. The proposed optical system consists of a Blu-ray pickup head and a pigtailed laser diode with a uniform Gaussian beam. The optical system is evaluated by two optical design software packages, Code V and LightTools. A quadrant detector is used to detect the relative relationship of the V_A, V_B, V_C and V_D output signals, which can be used to measure the tilt angle and displacement on the test plane. Both the tilt angle and displacement on the test plane can be determined from the change in the beam shape on the quadrant detector. The proposed system can generate a circular uniform beam shape to reduce the misjudgment and to enhance the measurement accuracy. Various simulation cases are presented in detail to show the feasibility of the proposed system.     

Small angle measurement method based on the total internal multi-reflection

A small angle measurement method based on total internal multi-reflection (TIMR) effect has been presented. In the proposed configuration, the semiconductor laser with single-mode fiber affords the stable illumination beam, and the beam expander induces a gain factor enlarging the small angular displacement, thus improving the angle measurement sensitivity and stability simultaneously. The experimental results show that our method has better sensitivity and higher stability than the conventional method. These results in association with the theoretical analysis, demonstrates the potential applicability of the presented method in high precision on-line measurement of small angle.     

五维自由度衍射光栅精密测量系统（英文）

为了在保证结构简单的前提下,实现衍射光栅精密测量系统的大量程、高精度、多维度测量,设计了能够同时测量位移和角度的五维自由度衍射光栅精密测量系统。基于利特罗对称式光路结构,采用高刻线密度的一维衍射光栅以及外差干涉原理实现了沿光栅矢量方向和光栅法线方向的二维位移测量;通过引入高精度的位置灵敏探测器,结合±1级衍射光与光栅之间的角度变化关系实现了对光栅俯仰、偏摆和滚转三个维度的角度误差测量。实验结果表明:该衍射光栅精密测量系统能够实现分辨力优于4 nm的二维位移测量以及分辨力优于1″的三维角度测量,其位移测量范围只受限于光栅的尺寸,量程大大增加。该衍射光栅精密测量系统在精密测量领域有重要意义。     

基于可变相位延迟的激光干涉式亚纳米级微位移测量系统

激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等优势,所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。在重力方法探测过程中,因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小,通常为纳米级,所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。相比较而言,光学干涉法具备抗电磁干扰、环境适应性强等优点,且精度不亚于电容法。传统干涉系统光路复杂、难于集成,对重力仪的小型化与集成化不利。所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。基于可变相位延迟的激光干涉式方法,能够实现亚纳米级微位移测量,较传统干涉系统具备结构紧凑、易于集成的优势。本微位移测量系统由半导体激光器、起偏器、检偏器、楔形双折射晶体组和光谱仪组成。研究从以下方面展开：首先是确定测量系统方案,提出了偏振光干涉双路结构,以楔形双折射晶体组作为核心器件,将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟,并对激光光谱进行积分,进而将位移变化转变为合成光强的变化;其次是建立测量位移物理模型,根据设计的双折射晶体组几何结构、位移过程与光路,确定光强变化与待测位移量之间的关系;第三是系统参数优化,为了使系统的测量误差和量程满足实际需求,利用已建立的物理模型,将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、激光器激射波长λ建立函数关系。根据应用需求,确定适当的误差和量程取值范围,进而得到角度α和波长λ取值范围;最后加工晶体、搭建系统并进行测试。具体即以α和λ为调控参量,联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。同样,联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”,并利用“系统最大位移量”（与量程有关）对系统测量误差进行优化仿真。最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°,激光器激射波长λ为635 nm。实验中,以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试,包括：系统的线性标定、系统量程和测量误差测试。另外,在保持待测位置不变的条件下,利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量,并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。实验结果表明,位移量程范围大于150 nm,位移测量误差约0.5 nm,位移探测下限为0.32 nm@23 s,探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。综上所述,以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统,可作为重力探测中的质量块位移测量单元。与电容法相比具有更强的环境适应性;与传统干涉系统相比具有结构简易、光路紧凑等优点,便于重力仪的小型化与集成化。     

在电子散斑干涉中利用反相位法进行三维变形测量

提出一种可将离面位移与面内位移分离的三维位移计算方法。在双光束电子散斑干涉系统中增加一路参考光,使这一路参考光为两光束所共用。两束光各自独立地对变形物体进行测量,分别计算相位分布,并对其中之一进行反相位计算。理论分析表明,对二路检测光所得到的相位进行相减运算,就能够较好地减少电子噪声的影响,分离面内位移场与离面位移,实现物体变形的三维测量。介绍该方法的原理,并利用典型实验证实了该方法的可行性。