双频激光在超精孔径测量中的应用

一种以激光波长为基准的小孔孔径超精测量系统 ,采用双频激光干涉技术、温度误差实时修正技术和符合阿贝原则的合理布局 ,在 8mm～ 5 0mm的范围内实现 0 .0 1μm的分辨力和 0 .1μm的测量精度。该方法已成功应用在惯性仪表零件孔径及垂直度的超精测量中。     

对几种常用长度测量仪器的综述

长度测量是物理测量中最基本的测量,许多物理量的测量都可以转化为长度的测量来实现,要想提高测量精确度,合理安排测量,掌握并运用误差分析的方法是必不可少的.一、长度测量的一般公式 长度测量仪器的结构各有不同,但基本测量方法都是把被测量与标准刻线尺进行比较.如图1所示,直线 CC'为长度标准尺的标准刻线,三角形ABC、A'B'C'为两量爪,可沿CC'移动,Lx为被测直线,当两个量爪的工作面AB、A'B'间存在夹角θ时,其中L0为测量读数值,δ=S·θ为系统误差项. 为消除上述误差、阿贝于1890年提出了著名的阿贝原则,其要点是:进行长度测量时,要…     

丝杠精度双频激光干涉测量中的阿贝误差实时补偿

提出一种利用双频激光干涉仪检测光栅刻划机分度丝杠的新型光路结构,推导出用于阿贝误差补偿的快速修正计算式,实现了丝杠测试过程中阿贝误差的实时修正,通过修正使不满足阿贝原则的测量系统获得了较高的测量精度。另外该方法还通过调整参考镜角锥棱镜消除了测量过程中丝杠轴向窜动引起的测量误差。实验结果表明,采用提出的方法在300mm的丝杠行程内修正的最大阿贝误差为1．39um,补偿后最大残差仅为0．48um,有效地提高了丝杠测量精度。     

布莱恩(J.B.Bryan)建议的应用一例

阿贝(Abbe)原则是进行长度测量的指导性原则。它指出:若要得到正确的测量结果,必须将仪器的读教刻度尺放在被测尺寸线的延长线上.根据此原则,制造了阿贝比长仪,进行绝对测量.一般测长仪器的测量值,可用下式表示式中S为刻度尺到被测物的垂直距离,,△θ为量爪的角位移.如图1所示,可见误差由S和△θ这两个因素引出.阿贝原则恰能使S=0. 由于阿贝原则难于应用于一般测量仪器,故布莱恩建议修改阿贝原则:位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于一条直线上;或者必须使传送位移的导轨没有角运动,或者必须用实际角运动的数据计算偏移…     

干涉测量的误差分析与并联机床的准确度测量

对雷尼绍激光干涉仪的线性测量原理进行了详细探讨,分析了干涉仪在线性测量中的主要影响因素和误差诱因;作出了线性测量的准直误差特性曲线和阿贝误差特性曲面,并利用最小二乘法拟合得到了干涉仪准直测量误差的数学模型和沿u、v方向离散的阿贝误差特性曲线方程;给出了一种建立误差数学模型的方法.采用激光干涉仪检测了并联数控机床直线轴的运动准确度,并提出了一种适合于并联机床直线轴定位准确度测量的干涉测量方法.     

2m光栅线纹自动测量仪

描述一台能够对长在1m的线纹尺和长度达2m的光栅尺（和光栅线位移传感器）进行自动测量的激光干涉仪。干涉仪设计成双干涉光路系统，以消除光栅尺安装引入的阿贝误差。这台测量仪采用干涉条件计数原理，对光栅尺和线纹尺的线值精度进行检测，并能对光栅信号的质量进行评价。测量过程中，对空气折射率实现了实时修正。     

一维丝室气体探测器衍射像差的修正方法研究

一维位置灵敏单丝气体探测器采用单根镀金钨丝和200根阴极感应条的探测结构, X射线在阳极丝上产生的信号被多个阴极条感应, 利用重心法得到X射线的原初电离点的位置信息, 位置分辨率达到160 μm(半高全宽). 在同步辐射衍射实验中, X射线通过样品后会形成不同大小的衍射环, 本实验中测量得到11.148°和14.201°的两组衍射角位置信息; 通过平行移动一维探测器在衍射环范围内多次扫描, 可以重建得到二维衍射环. 由于一维探测器的气体厚度和入射窗宽度会给测量结果带来像差, 分析发现像差的影响大于一维探测器的位置分辨. 基于相应的物理分析对测量到的衍射位置进行修正, 修正后的衍射位置相比修正前的衍射位置的相对像差最大改善达到7%, 该方法实现了无像差二维衍射环的重建.     

基于谱图还原的中阶梯光栅光谱仪有效波长提取算法

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、高分辨率、宽波段、全谱瞬态直读等诸多优点,是先进光谱仪器的代表之一。在中阶梯光栅光谱仪民用化、商品化的发展趋势之下,其二维谱图图像处理的地位越来越重要。目前,国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长,但这种方法难以达到较为理想的要求。为了提升运算速度、波长提取精度以及成像误差补偿能力,提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。利用谱图还原算法,将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图,通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪,实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。先将二维谱图转换为一维图进行图像处理,使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善,还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验,并使用该算法进行数据处理。实验结果表明,不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差,而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度,波长误差小于0.02 nm,满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。     

二维剪切干涉波前的最小二乘法重建

提出了一种可以快捷地重建原始的二维波前的新算法。对于分别在相互垂直方向上横向切干涉获得的两个差分波前,用快速傅里叶变换首先计算出待测原始波前存x和y方向的估计分布,然后利用误差计算的最小二乘法进行二维拟合,可以恢复出待测波前的二维分布。提出的理论可以应用于剪切量大于1个采样间隔的二维波前重建问题,解决了已有的二维剪切干涉波前重建技术中要求剪切量等于采样间隔的限制。研究了剪切量和噪声对重建精度的影响．和其它算法进行了比较．给出了数值实验结果和分析讨沦。结果表明该算法速度快,对噪声有较强的抵抗力．有望在实际的剪切干涉测量中获得应用。     

频率扫描干涉仪漂移误差正反向扫描补偿法

频率扫描干涉仪对测量过程中光程差的漂移非常敏感,目标镜的微小位移会被放大几千倍,使得测量结果严重失真,因此必须消除或减弱漂移误差。针对现场测量中目标镜的低频振动或缓慢漂移,根据光频连续正反向扫描测量值漂移误差放大项大小近似相等、符号相反的特性,提出了一种光频连续正反向快速扫描的漂移误差补偿方法,并进行了频率扫描干涉仪漂移误差补偿实验,分析对比补偿前后的实验结果,验证了该方法的可行性。实验结果表明,在测量距离约1543.3mm处,目标镜振动频率为4.7Hz,振幅为1μm,采用补偿后,连续40次采样测量的标准差由补偿前的51.9μm下降到8μm。     

微小深度尺寸现场测量系统的研究

针对目前微小深度尺寸现场测量难的问题,设计开发了一种基于光切原理的现场视觉检测系统,应用自主开发的基于Directshow和VC++的图像采集和处理软件,能快速、准确地检测被测工件表面的微小深度尺寸.实验结果表明,该测量系统景深达700μm,可测量20～990μm的深度尺寸,系统整体的测量不确定度优于3％;在200～5...     

三光路结构的调频连续波重采样测距方法

调频重采样是一种绝对测距技术。这种方法采用的光源波长随时间变化,形成一束宽光谱激光。激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量,并对其中频率间隔相同的部分进行重采样,使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽,较高的分辨率及精度。在实际测量过程中,测量装置本身及待测物都容易受到振动的影响,导致待测距离及辅助光纤长度发生变化,引入测距误差。针对这个问题,分析了振动对重采样测量结果产生的误差:(1)待测物的移动引入一个多普勒频移分量;(2)辅助光纤的振动使重采样频率也发生变化。为了弥补这两种误差,提出了一种三光路结构的补偿方法,在辅助光路中,使用一种光路结构简单小巧,且测量速度更快的全光纤马赫泽德干涉仪等效代替光谱仪,实时的监测信号光的瞬时频率。在测量光部分,在测量光路中引入两个部分反射镜产生两路补偿光信号,并通过FFT算法产生频谱。频谱的三个峰值分别与三路信号相对应。通过测量信号与其中一路补偿信号的峰值相减即可补偿多普勒误差,通过两路补偿信号的频率差与相对距离的比值即可得出实际的辅助光纤长度。实验证明,传统的重采样测距方法精度为23.6μm,三光路测距方法的精度可达到11μm,可见这种方法能够对系统的振动误差进行有效补偿。     

叠栅条纹信号细分误差的一种动态补偿方法

缺乏有效的误差补偿方法足制约长光栅测最精度提高的关键原因之一.提出一种动态的误差补偿方法.可以消除由直流漂移、两路信号不等幅和非止交导致的细分误差.其原理是跟踪光栅信号在一个周期上的8个特征值点(正余弦信号的过零点及绝对值交点),从特征值点的幅度值中首先分解出正弦信号的直流漂移误差.对其进行补偿;然后继续跟踪补偿后的信号.从中义能分解出余弦信号的直流漂移误差.再补偿.再跟踪.又能依次分解出不等幅误差和非正交误差.最多只需要3个光栅信号周期,就能对三种误差依次实现补偿.分析了谐波对该方法的影响并提出r改进措施.实验证实了该方法的有效性.     

用脉冲激光全息术测量喷雾场中粒子的分布和运动速度

本文叙述了用脉冲激光全息术测量喷雾场中粒子的分布和运动速度的原理，阐明了同轴全息和离轴全息在测量雾场的应用范围，重点讨论了离轴全息。测量光学系统是４Ｆ系统，它可以测量粒子浓度大的雾场中大于５μｍ的粒子分布和运动速度。在平行光场区段，可进行不同装置、不同景深的喷雾研究，使每个粒子具有相同的放大倍数，它给再现、数据处理、粒子大小的标定都有很大的好处。文中还分析了在底片上形成干涉的各种情况；粒子直径ｄ，远场数Ｎ和从底片到粒子的距离Ｚ的关系。给出脉冲间隔为５μｓ；１０μｓ粗度为±０．１μｓ时不同直径粒子的分布和运动速度在电视屏幕上显示出来的照片。在上述实验结果的基础上讨论了粒子的识别，噪音的消除等问题。     

相移相位测量的全息再现算法及测量误差分析

用全息原理和方法研究相移相位测量,得到了N步整周期相移再现物光波复振幅同步叠加函数(N步相移函数),同时提出一种新的相移相位测量误差分析和最大误差估计方法。N步相移干涉图是以理想平行光为参考光的无衍射同轴全息图,将其与对应的相移参考光相乘后求和得到N步相移函数;在理想情况下,这是一种复振幅分离、测量和物光波复振幅函数同步叠加方法,存在误差时计算出的相位是最小二乘方法的最佳期望结果。利用N步相移函数得到的N 1步相移函数,说明非理想N步相移函数是理想N步相移函数与误差函数之和,可以把相位型误差转化为与振幅和强度相对误差同等的误差来对待,降低了相位测量中误差估计的难度,给出了N步相移算法最大误差的估计方法和公式。     

平行平板横向剪切干涉仪装调误差的矫正方法研究

对平行平板双光路横向剪切干涉仪的装调进行了研究,提出了一种矫正两个平行平板之间角度误差的方法.输出激光的波前采用Zernike多项式拟合,经过理论推导,发现两个方向差分波前求解出的倾斜像散之差与平行平板的角度误差存在线性关系,利用两个方向倾斜像散之差来矫正两个平行平板之间的角度误差.在平行平板横向剪切干涉仪的装调过程中使两个方向差分波前的倾斜像散之差为零即可以使两个方向的平行平板之间的角度误差值为零.进一步地从实验上证明了这个线性关系,对于所用的实验系统,当离焦像差为-3.224 7±0.001 8,两个方向差分波前的倾斜像散之差波动范围为±2.0×10^-3时,平行平板的角度误差可以控制在8.82″之内,高阶像差对平行平板的角度误差调节精度的影响约为1.63″.该方法具有装调简单、精确度高,易于流程化操作的优点.     

Roughness measurement of metals using a modified binary speckle image and adaptive optics

This paper proposes an integrated roughness measurement system that is based on adaptive optics (AO) and binary analysis of speckle pattern images. The aim of this study was to demonstrate the necessity for AO compensation in regions containing both heat and fluid flow turbulences. A speckle image was obtained by projecting a laser beam onto the specimen surface, and the laser pattern image reflected from the surface was binarized to experimentally correlate the intensity with the surface roughness. In the absence of the AO correction scheme, induced turbulences can severely increase the residual rms error from 0.14 to 1.4 μm. After a real-time closed-loop AO correction, we can reduce the wavefront root mean square (rms) error to 0.12 μm, which not only compensates for the aberration error from induced disturbances but also improves the overall performance of the optical system. In addition, an AO system having different gains was investigated, and a threshold gain value was found to be able to steadily compensate for the wavefront errors in less than 2 s. Measurement results of five steel samples having roughness ranging from 0.2 to 3.125 μm (0.3λ and 5λ, where λ is the diode laser wavelength) demonstrate an excellent correlation between the intensity distribution of binary images and average roughness with a correlation coefficient of 0.9982. Furthermore, the proposed AO-assisted system is in good agreement with the stylus method and less than 9.73% error values can be consistently obtained.     

基于数字化标尺的视觉读数系统研究

为了改进目视光学仪器的读数系统,设计了一种基于数字化标尺的视觉读数系统。该系统采用绝对码标尺做基准,使用由光学系统、CCD摄像机和计算机组成的读数系统来读取标尺数值。系统不仅消除了增量码标尺的累积误差的影响,而且还实现了刻线的自动瞄准定位和读取。实验证明,该读数系统的不确定度为0 12μm,其精度比目视读数系统提高了5倍以上。     

拼接光栅对压缩系统中的误差补偿

 根据失调拼接光栅对压缩系统模型，推导了拼接误差引起的角色散公式。针对光栅拼接中的转角误差和光栅常数误差，得到了误差间的相互补偿关系式，并对补偿方式进行了讨论。研究结果表明：绕光栅平面内垂直于刻线方向的转角在一定范围内可以补偿绕光栅厚度方向旋转造成的误差；绕光栅刻线方向的转角可以补偿光栅常数不同造成的误差；绕光栅平面内垂直于刻线方向或绕光栅厚度方向的转角在一定范围内也可以补偿由光栅常数不同造成的误差。前两种补偿方式的补偿效果较好。