数字仿真形貌影栅云纹法及实验系统的原理

基于影栅虚云纹场的概念,提出并实现了对形貌影栅云纹法利用计算机布置影栅云纹仪各种光场,自动生成高质量全场仿真影栅云纹图,建立了一种数字仿真形貌影栅云纹法自动测量和处理一体化实验系统（全文简称为实验系统）.系统特别适合于作为形貌影栅云纹法误差分析的评估系统,对光场布置不同的影栅云纹仪及其对应的相移值近似程度不一样引起的初始系统误差进行分析、预测和评估,给出减少这种系统误差应遵循的准则.     

基于虚云纹原理的数字相移形貌影栅云纹仿真系统

在阐述形貌影栅云纹法的虚云纹原理的基础上,利用计算机模拟了各种光场中的全场仿真影栅云纹图,结合相移技术创建了以精确解答为基准的数字相移形貌影栅云纹仿真系统,并且讨论了点照射—点观测光场设置下使用相移法必然会引入系统初始误差的普遍现象。通过对点照射—点观测光场中参数差异所带来不同的系统初始误差进行分析和评估,得到了降低这种光场系统误差所应遵循的准则。这些新的工作对规范、合理设计数字形貌影栅云纹仪实验系统和对特殊的光场设置进行误差分析将有所帮助,进一步对研究工作的前期准备具有启发和指导作用。     

光流场在光纤材料离面位移测量中的应用

为实现工业生产中光纤传像材料的微纳米尺度形变的检测,建立了图像楔面化模型,提出了一种基于光流的离面位移测量技术.实验装置由一部带有工业相机的光学显微镜和一个放置倒像器的支架构成,通过支架的倾斜可对光纤传像材料加载形变.首先,在显微镜下用工业相机采集变形前后的两幅二维图像.接着,用Brox光流算法得到两幅图像之间的光流运...     

基于影栅云纹的大变形测量及应用

介绍了影栅云纹的原理和优点,将其用于软、硬物质的形变、形貌以及表面平整度检测。实验研究表明,影栅云纹法适用于软物质的大形变测试,尤其对大梯度的待测物具有较好的测试效果,对硬质材料表面平整度及缺陷具有较好的无损识别能力。实验系统配置简单,实验重复性好,易于操作。实验结果可以以环形干涉图定量显示或以平面干涉条纹陡拐定性显示缺陷部位。     

傅里叶变换求取叠栅条纹微小位移的精度分析

提出了借助于傅里叶变换提取叠栅条纹相位分布的途径来获得条纹微小位移量的方法中，图像的截断必然会产生频谱泄漏，从而引入数据处理的误差。详细分析了傅里叶变换中频谱泄漏产生的原因及其对测量误差的影响，提出了图像处理时，通过外插值将截断区域延拓为叠栅条纹周期整数倍时可以减小甚至忽略频谱泄漏所引起的相位计算误差，并对此进行了数值模拟以及初步的实验验证，证实了该方法的有效性，为叠栅偏折法应用于微细尺度流动与传热的实验研究提供了有效的技术途径。     

基于光学涡旋相移技术的离面位移测量

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案,实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束,通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时,产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中,在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅,产生相移步长为π/2的涡旋光束,利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场,从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹,获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.     

应用菲涅耳三面镜形成云纹干涉空间高频栅进行离面位移及振动的测量技术

本文提出应用菲涅耳三面镜在空间形成云纹干涉高频栅及贴片云纹干涉技术进行离面位移与振动的测量技术,文中就测量原理、定量公式推导、条纹解释、测量精度及灵敏度等方面都作了详细论述,为工程中的位移与振动模态分析提供了一种现场测试新途径。     

应用菲涅耳三面镜形成云纹干涉空间高频栅进行离面位移及振动的测量技术

本文提出应用菲涅耳三面镜在空间形成云纹干涉高频栅及贴片云纹干涉技术进行离面位移与振动的测量技术，文中就测量原理、定量公式推导、条纹解释、测量精度及灵敏度等方面都作了详细论述，为工程中的位移与振动模态分析提供了一种现场测试新途径。     

叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量

将叠栅条纹测量技术和CCD器件结合应用于角度和位移的智能测量系统,该系统利用光栅的衍射自成像现象产生虚拟光栅,与另一光栅形成叠栅条纹,并用CCD光电转换系统,测量叠栅条纹的距离,可得到两光栅间的夹角.当任意一片光栅沿垂直于栅线方向移动时,通过数出移过叠栅条纹数目,即可得到相应光栅移动的位移.本文还分析和讨论了误差来源及给实验带来的影响.     

基于液晶显示投影技术的数字影栅云纹相移实现方法

影栅云纹是物体离面变形和表面形貌测量常用的一种比较简单的方法,用单纯的影栅云纹法即便在最好的光学系统配置情况下测量精度也只有1~100μm左右,在影栅云纹测试方法中引进相移技术是提高测量精度的主要手段。采用液晶投影仪和数字图像处理技术实现数字影栅云纹测量的准确数字相移,避免了在影栅云纹法中使用结构比较复杂或特制的相移机构。由计算机产生相移条纹图经液晶显示投影,应用实时图像灰度算术相减技术得到数字相移影栅云纹条纹图。该方法具有“基准栅”的栅距和相移步长实时可调,配置高速图像采集系统和图像后处理软件,可将相移技术引入动态测量中,从而提高动态测量的精度的优点。最后的悬臂梁实验结果证实了该方法的有效性。     

一种可用于离面位移测量的光路的优化设计

为了实现对复杂三维物体表面轮廓、小空间内物体的纵向位移或振动等测量，有必要研制高分辨力、非接触的光学检测系统。由于激光多普勒技术具有动态响应快、线性度好、非接触、测量精度高等特点而优先被用于复杂三维物体离面位移的测量。但是物体表面散射光的多普勒信号非常微弱，因此解决信号的强度、信噪比则是实现测量的关键。研究了激光多普勒技术及散射光相位的无规变化的统计规律，设计出一种空间分辨力很高的参考光路，将它用于固体离面位移测量效果很好，其相对误差为0．3％。     

InSb光栅耦合的太赫兹表面等离激元共振传感方法

仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹(THz)表面等离激元(SPP)共振生化传感结构,该结构通过在锑化铟(InSb)基底表面刻蚀亚毫米光栅形成.基于波矢匹配方程的仿真结果表明,当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时,光栅的-1和+1级THz衍射波束能够分别激励传播方向相反的低频SPP和高频SPP.由于采用商业THz时域谱装置可以准确测量低频SPP,本文系统地分析了低频SPP的共振和传感特性对光栅结构参数的依赖关系.仿真结果表明:InSb光栅耦合的THz-SPP共振传感芯片的折射率灵敏度随光栅周期的增大而减小;当光栅周期为120μm、入射角为30°时,折射率灵敏度为1.05 THz/RIU,在此条件下,传感芯片不能对生物分子单分子吸附层作出可探测的响应,究其原因是,低频SPP的消逝场穿透深度远大于生物分子尺寸,致使两者相互作用不足.为了探测生物分子,仿真分析了多孔薄膜覆盖InSb光栅的增敏方法.多孔薄膜具有分子富集作用,能够将THz表面波与生物靶标的相互作用从单分子尺度扩展至整个薄膜厚度,从而提高传感器的生物检测灵敏度.以酪氨酸吸附为例的仿真结果表明,当InSb光栅表面覆盖厚...     

基于光闸叠栅条纹的纳米检焦方法

针对投影光刻机短波长、大数值孔径、短焦深的特点,讨论了一种基于光闸叠栅条纹的纳米检焦方法.该方法采用三角测量的基本原理,利用双光栅光闸叠栅条纹的光强调制机理,并结合像横向剪切器和光弹调制的光学特性,建立了单个光栅周期内焦面位移量和输出光能量线性关系.其具有非接触、强实时性和高稳健性的特点,经理论分析和模拟测试,达到纳米...     

薄膜-光栅混合结构中的古斯-亨兴位移与光束形变现象

讨论了基于薄膜-光栅混合结构的导模共振滤光片中的古斯-亨兴位移与光束形变现象.模拟结果表明,这种结构可以产生入射光波长300倍量级的横向位移量,同时位移最大的波长上反射率也最大,因而便于实验观测与在实际应用中提高能量利用率.分别采用经典的稳态位相法以及基于高斯光束角谱展开的数值计算方法,计算了有限大小光束入射到薄膜-光栅结构后所产生的古斯-亨兴位移效应以及相伴的光束变形效应,着重讨论了人射光束腰斑大小对位移量的影响,这些数值模拟可为下一阶段的实验打下理论基础.     

基于叠栅条纹的光刻对准理论分析及标定方法

在线光栅用于纳米光刻对准理论的基础上,为实现光栅方向的标定和掩模硅片对准,提出一种利用相位斜率消除角位移的新方法,并给出线光栅标记及其对准原理。在对准前,掩模对准标记和硅片对准标记存在角位移,重点讨论了此种情况下叠栅条纹的特性以及与光栅物理参数的关系,并给出了相应的计算公式。基于傅里叶频域分析法,对叠栅条纹频率成分与条纹的关系做了简要分析。利用提取叠栅条纹行列方向的一维相位,通过数据拟合,得出了相位斜率与角位移的内在关系,实现了条纹方向的标定。模拟实验结果表明,该方法简单可靠,可分辨的最小角位移低于0.02°。     

基于表面等离激元的长波QWIP光栅优化

为了提高长波量子阱红外探测器的灵敏度及探测率,采用表面等离激元效应来提高量子阱红外探测器中二维光栅的耦合效率。利用三维时域有限差分算法,分析表面等离激元作用下,长波量子阱红外探测器中二维金属薄膜光栅参数对入射光的调制作用。计算结果表明,对于8 m的入射光,当光栅周期P=2.8 m,孔直径D=1.4 m,光栅层厚度L=0.04 m时,X Y平面内Z方向电场值最大,光栅的耦合效率最高。     

电寻址液晶光阀系统上的叠栅条纹的观察与测量

利用电寻址液晶光阀系统生成叠栅条纹,对教学实验室中较难实现的圆形光栅及其动态叠栅条纹进行了模拟,并且利用电寻址的动态叠栅条纹测量了圆形光栅转速.此外,提出了远场衍射观察光线偏折的方法.     

光折变相位栅衍射动态特性的严格耦合波分析

利用严格耦合波衍射理论分析了光折变体相位光栅的衍射问题,给出了光折变二波耦合动态特性的严格耦合波分析及其对入射光束夹角和初始入射光强比的依赖关系.实验上对掺铜KNSBN晶体二波耦合的动态特性进行了测量,实验结果和数值模拟符合得很好.     

基于外光注入互耦合垂直腔面发射激光器的混沌随机特性研究

通过在互耦合垂直腔面发射激光器(VCSELs)系统中增加外光注入, 建立了一种基于偏振可调光反馈VCSEL驱动互耦合VCSELs混沌系统模型, 分析了增加外光驱动对互耦合激光器随机特性的影响. 以不可预测度作为随机特性的评价指标, 采用信息论中的排列熵作为相应量化工具, 对系统输出混沌信号的不可预测性进行定量分析.数值研究了光强度、时延、偏振旋转角度以及驱动激光器与耦合激光器间的频率失谐对输出信号随机特性的影响.结果表明: 外光注入能够增大互耦合VCSELs输出混沌信号的排列熵, 即外光注入能够有效提高耦合系统的随机特性; 驱动激光器可调偏振片偏转角度调节到45° 附近, 注入强度适中, 满足耦合强度大于驱动激光器自反馈强度条件, 系统输出信号的排列熵较大; 在耦合时延与驱动激光器反馈时延不相等的同时, 增加驱动激光器与耦合激光器频率失谐, 外光注入互耦合VCSELs的随机特性能够得到进一步提高.