基于干涉条纹图像对比法测量微位移

研究了基于迈克尔逊干涉条纹对比法测量微位移的实验。用He-Ne激光器、反射镜和分束镜组成的干涉光路,其中一个反射镜固定在被测物体上,通过被测物体的移动带动反射镜移动使干涉光路发生变化,从而导致干涉条纹的改变。在形成干涉条纹的位置利用线阵CCD采集干涉条纹图像,用序列图像对比的方法对图像进行处理和计算,得出被测物体的微位移。实验表明利用序列图像对比的方法测量微位移,方法切实可行、测量准确度高、测量的精度能够达到微米量级。     

基于双光栅的纳米测量方法

针对两个物体或平面的相对位移和间隙的纳米级变化量,提出并研究了一种光栅测量方法.采用两组周期接近的微光栅重叠可以产生一组周期分布的条纹,条纹的周期相对于两光栅周期被大幅度放大,并将光栅间的位移反应在条纹的相位信息中.建立了关于双光栅产生叠栅条纹的复振幅分布的近似理论模型.基于该模型设计了一种能够测量两个平行平面相对位移和间隙的方法.针对光栅移动产生相应条纹的过程进行了数值计算.结果表明,两个平行平面的相对微位移将引起相应条纹的大位移,并且该方法最终能在纳米级以内分辨两平面(物体)的相对位移或者间隙变化量.     

基于优化电子散斑光谱的三维物体测量研究

用激光光束直接照射到测试表面,再用CCD采其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹,条纹图解析为测量点的位移量和变形量,进而得到其离面位移,在优化算法的时候采用π位相技术获取另一个π相移的变形条纹图像,将面内位移与离面位移分离,为了消除零级分量,让投影光栅移动1/2个周期.通过Matlab和四步位相算法给出了三维空间模型,得出变形后物体的离面位移数据.实验仿真数据表明其能够稳定地测量物体变形场三维分量,误差较低.     

光纤传感器在微机电系统振动测量中的应用

本文介绍的光纤传感器根据Michelson干涉仪的原理,通过测量相干光的干涉条纹的移动来测量反射面的位移.同时,利用宽带光源,采用相位跟踪技术测量极微小的位移和位移的方向.从而,既能测量nm级极微小的振动,也能测量mm级的振动.为了适应高频振动的测量,引入DSP充当数据处理系统的核心,提高处理速度.该光纤传感器设计巧妙,精度高,使用方便.     

基于适度光反馈自混合干涉技术的振动测量

光反馈自混合干涉技术是一种新浮现的有别于传统双光束干涉的一类新的测试技术。为了在适度光反馈下进行振动的精密测量,提出了一种基于适度光反馈自混合干涉技术的振动测量方法。经对光反馈自混合干涉信号条纹分析,发现通过选定合适的光反馈水平及激光器线宽展宽因数,可以得到锯齿干涉条纹。这种干涉信号不仅包含振动幅度信息也包含振动方向信息。该振动测量方法利用锯齿干涉条纹的特点,首先通过条纹记数实现大范围振幅粗测,具有半波长位移分辨力;然后基于适度光反馈下小数条纹的特点,给出了小于半波长位移测量的线性表达式,从而实现位移的精测。仿真计算表明,该方法可以实现大量程高分辨力振动位移测量,在叠加20 dB的噪声下,振幅测量相对误差平均为0.5%。     

用于透明平板平行度和均匀性测量的单元件干涉仪

提出了一种基于单元件干涉的用于检测透明介质平整度和均匀性的干涉仪.该干涉仪的核心元件是一个菱形分光棱镜.激光光源的平面波光束的一半光束透过待测样品,另一半光束直接透过空气,然后分别入射到菱形分光棱镜的两垂直面并在分光面相遇、相干.通过旋转待测样品改变相干的两束光光程差,从而使干涉条纹发生移动.形成的相干光被分光板分成两束,一束进入光电探测器用于探测干涉条纹移动数的整数部分,另一束则进入电荷耦合探测器用于采集干涉条纹图来计算干涉条纹移动数的小数部分.通过计算条纹移动数反推出光程差的变化量,再结合折射率或样品厚度信息则可以计算出样品厚度或折射率的分布,从而检测出透明介质的平行度和均匀性.模拟仿真和光学实验均证明了本方法的可行性、准确性和稳定性.     

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。     

基于相位展开及拼接算法的一种高精度大量程宽光谱干涉显微术

宽光谱干涉显微术广泛应用于高精密检测领域,它测量样品形貌通常采用垂直扫描干涉术对亚微米至毫米级特征进行测量,以及相移干涉术对纳米级特征进行测量。其中,相移干涉术精度可达纳米级,但量程有限,高度变化对应的相位需限制在区间内。采用包裹相位展开算法可以扩展相移干涉术的量程,也仅适用于平滑表面,当高度起伏超出焦深或者光源相干长度的限定范围时,干涉条纹模糊或对比度丧失,所解算的结果将产生较大误差甚至错误。提出一种基于相位展开及拼接算法的高精度、大量程宽光谱干涉显微测量方法,以干涉条纹调制度量化条纹质量,条纹对比度高、成像清晰的区域对应调制度较高,定义当前焦面条纹调制度高于阈值的区域为理想区域,定义焦面条纹调制度低于阈值的区域为问题区域。以相位展开算法获得理想区域中的样品相位分布,问题区域的包裹相位不进行展开。使用微位移结构纵向移动物镜焦平面,选择合理的步长,使相邻焦面位置理想区域展开后的真实相位保持部分区域重合,根据重合区域的相位值均差可以实现不同焦面位置的高精度相位拼接,最终获得扩展量程的高精度真实相位结果,进而可以恢复样品完整的表面形貌分布。该算法通过对理想区域的筛选,避免了相位在问题区域展...     

基于纯方位的浅海距离特征量解算分析

目标辐射噪声的LOFAR图中的干涉条纹包含了目标的运动参数和环境信息。当LOFAR图中的干涉条纹模糊或缺失时,其中的目标距离信息将无法提取。对于匀速直线运动的声源目标,仅利用方位信息,通过构造距离特征量和目标方位的关系模型,给出了一种浅海估计距离特征量的补充方法。浅海数值仿真和实验验证表明了该方法的可行性和有效性。     

一种光学频率梳绝对测距的新方法

采用光学频率梳的高精度绝对距离测量技术在航空航天、科学研究和工业生产等领域都发挥着重要作用.提出一种利用光学频率梳技术,通过检测光强实现绝对距离测量的新方法,研究了光学频率梳发出脉冲的时间相干性,分析了光强与被测距离之间的关系、干涉条纹峰值点位置与被测距离之间的关系.建立了基于Michelson干涉原理的测距系统,通过测量光强信息得到被测距离.以高精度纳米位移平台的位移量作为长度基准进行了绝对测距实验,在每个被测距离点都重复进行了10次实验,将10次实验测得的光强值取平均后用于距离的计算.实验结果表明,该方法可以实现绝对距离测量,在10μm测量范围内,最大误差为47 nm.因此,该方法可以应用于大尺寸高精度的绝对距离测量.     

An automatic processing technique for accurate surface form measurement

A single shot algorithm using a Fizeau interferometer was used to measure the form profile of a spherical smooth surface by means of fringe thinning process, which plays an important role in fringe patterns analysis. In this paper, an automatic processing technique based on the fringe thinning process is presented. The circular interference fringe pattern of the spherical smooth surface captured by the Fizeau interferometer was corrected by using the flat fielding method and then processed. Based on the fringe thinning and the assignment of the fringe orders, the information on the fringe feature was recovered automatically and the interference wavefront was reconstructed by the Zernike polynomial fitting method. The results were compared with the results measured by Bünnagel method, and the results were in good agreement. This means that the single shot algorithm is reliable, fast, and less sensitive to vibration and turbulence in surface form measurements. Simulation fringes with the ray tracing technique were obtained to match the practical fringes.     

单元件干涉数字全息的光线追迹模型

基于棱镜对的单元件干涉可以获得透射物体的相位信息,即数字全息,具有结构紧凑、干涉条纹稳定、测量精度高等优点。采用光线追迹方法,综合考虑了棱镜对的方位角旋转、斜面偏心等参数,建立了光线追迹等效模型,仿真了数字全息干涉条纹,给出了条纹密度变化及倾斜的解析表达式。针对单模和多模光纤等微结构光学元件,获得了干涉数字全息图,并反演出其折射率分布。搭建了显微成像单元件干涉实验装置,获得了实际测量干涉图样,实验与仿真结果一致,证明了本模型的有效性。     

Tracing of interference fringes using average gray value and simultaneous row and column scan

An algorithm for computer tracing of interference fringes is reported. The method uses the average gray-level value for thresholding, row and column scans for determining the type of the scan and simultaneous row and column scan for tracing. The proposed method yield good result even for low-contrast and high-noise images. The program for the interferogram tracing was written using MATLAB6.     

一种基于F-P标准具的金属线膨胀系数测量方法

本论文提出一种基于F-P标准具的金属线膨胀系数测量方法.该方法利用光杠杆将金属棒受热膨胀时的伸长量转化为F-P标准具干涉光场中干涉条纹半径的变化,通过测量干涉条纹的间距便可实现对金属线膨胀系数的测量.由于该方法仅需测量F-P标准具干涉光场中外侧条纹的间距,并且F-P标准具的多光束等倾干涉可以产生锐利的干涉条纹,因此测量过程更加简便,实验结果的精确度更高.通过实验测量验证了该方法的可行性与可靠性.     

Identifying a dot-matrix hologram with the fringe-overlapping phenomena of grating dots

Dot-matrix holograms created by two-beam writers contain many grating dots. Because the phase difference between two laser beams for interference cannot be controlled accurately, the fringe positions of grating dots are randomly determined. Therefore, fringe positions are a good kind of tool to identify dot-matrix holograms. In this paper, a number difference between two special fringes of a target grating dot is used to identify a dot-matrix hologram. The two special fringes are determined by three grating dots with parallel fringes. The first special fringe is corresponding to a fringe pair with the best matching for the fringes of the target grating dot and the fringes of the second grating dot. The second special fringe is corresponding to a fringe pair with the best matching for the fringes of the target grating dot and the fringes of the third grating dot. An experiment has proved the proposed method practical and feasible. Because reproducing a grating dot with a specified fringe number difference is difficult, the proposed method is excellent for anti-counterfeiting.     

The discovery of nanometer fringes in laser self-mixing interference

We demonstrate the influences of optical feedback from an external mirror with high reflectivity in a He-Ne laser on self-mixing interference fringes and laser polarization states. When the external mirror is tilted to a certain level, the stable and uniform nanometer resolution fringes are generated. The fringe density is 40 times than that of the conventional self-mixing interference or two beam interference, and has still potential to be improved. Each self-mixing interference fringe corresponds to λ/80 displacement of the external mirror, i.e. 7.91 nm displacement of the external mirror. Moreover, when the movement direction of the external mirror is changed, the polarization flipping between two eigenstates will happen. The potential applications of the results are also discussed.     

基于GIXRR反射率曲线的二氧化硅纳米薄膜厚度计算

为了快速、准确得到纳米薄膜厚度,采用Kiessig厚度干涉条纹计算薄膜厚度的线性拟合公式,计算了不同系列厚度(10~120 nm)的二氧化硅薄膜。薄膜样品采用热原子层沉积法(T-ALD)制备,薄膜厚度使用掠入射X射线反射(GIXRR)技术表征,基于GIXRR得到的反射率曲线系统讨论了线性拟合公式计算薄膜厚度的步骤及影响因素,同时使用XRR专业处理软件GlobalFit2.0比较了两种方法得到的膜厚,最后提出一种计算薄膜厚度的新方法-经验曲线法。结果表明：峰位级数对线性拟合厚度产生主要影响,峰位级数增加,厚度增大;峰位对应反射角同样对线性拟合厚度有较大影响,表现为干涉条纹周期增大,厚度减小。但峰位级数及其对应反射角在拟合薄膜厚度过程中引入的误差可进一步通过试差法,临界角与干涉条纹周期的校准来减小。对任意厚度的同一样品,线性拟合和软件拟合两种方法得到的薄膜厚度具有一致性,厚度偏差均小于0.1 nm,表明线性拟合方法的准确性。在厚度准确定值的基础上提出薄膜厚度与干涉条纹周期的经验关系曲线,通过该曲线,可直接使用干涉条纹周期计算薄膜厚度,此方法不仅省略了线性拟合过程中确定峰位级数及其对应反射角的繁琐步骤,而且避免了软件拟合过程中复杂模型的建立,对快速、准确获得薄膜厚度信息具有重要的意义。     

基于梯形与正弦相移算法的非线性误差校正北大核心CSCD

相移轮廓术是一种广泛使用的光学三维测量方法,其精度不仅受相位展开算法本身的影响,也受测量系统中投影仪和摄像机的非线性影响。理论上,投射更多的相移条纹可减弱非线性误差的影响,但是增加了测量时间。为了提高误差校正的效率,提出了一种基于梯形正弦相移的测量方法。该方法需要两组改进的梯形相移条纹和一幅正弦条纹。梯形条纹提供图像强度信息和条纹级次信息,图像强度信息用来求取系统的非线性响应曲线,进一步消除系统的非线性。正弦条纹经过希尔伯特变换可求得额外的条纹图像,用来计算截断相位信息。经过校正的截断相位信息,可进一步获取精度较高的三维信息。相较于先前的梯形与正弦误差校正方法,该方法的测量效率提高了28%。     

Digital speckle interferometry for assessment of surface roughness

In this work, the principle of interferometry is used to assess the surface roughness of the machined surfaces. Interferometry produces an interference fringe pattern when two or more light waves interact with each other. It is one of the important tool for precision optical metrology and testing. Well-known advantages of the phase shifting interferometry include high measurement accuracy, rapid measurement, good result even with low contrast fringes and that the polarity of the wave front can be determined. In fringe projection techniques, a known optical fringe pattern is projected onto the surface of interest. The fringe pattern on the surface is perturbed in accordance with the profile of the test surface, thereby enabling direct derivation of surface profile.In this work, an attempt has been made to assess the surface roughness using a speckle fringe analysis method of five frame phase shift algorithm for machined surface (ground surface). As these fringes are too noisy, advanced filtering technique has been used so as to reduce noise and to get improved wrapped phase map from the phase shifted fringes. A phase unwrapping software has been developed using discrete cosine transform (DCT) to generate the three-dimensional (3-D) profiles. Finally, it is compared with R_a values measured using a mechanical stylus instrument, showing good agreement.