同轴双无衍射光的理论与实验

提出同轴双无衍射光的概念。如果两束汇聚角略有不同的同轴无衍射光同时存在,则它们相互之间叠加干涉后产生一种纵向呈周期变化的光场结构,这是一种新的光束空间分布,这种光束在横向仍是一种同心环光斑,可用于精密对准。而在不同纵向位置,这些同心环的强度分布是不同的,且是周期性变化的。同轴双无衍射光的轴向周期性可用于沿光束传播方向的定位。文中提出了双环缝法、分段圆锥透镜法、正弦相位环光栅法等实现同轴双无衍射光的理论与实验方法,分析了同轴双无衍射光的横向与纵向传播的衍射光斑特性,理论计算与实验测量的结果基本相符合。     

衍射元件表面粗糙度对衍射效率的影响

基于多层衍射光学元件的位相延迟表达式,提出了单点金刚石车削影响下的多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型,并给出了相应的分析表达式.以基底材料分别是硒化锌和硫化锌构成的多层衍射光学元件在近红外波段（1.4~2.5m）的应用为例进行分析.结果表明表面粗糙度会导致多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的明显降低,从而降低了混合成像光学系统的成像质量.因此,单点金刚石车削衍射元件时,要根据使用需求制定合理的表面粗糙度加工误差.     

基于光切法的表面粗糙度检测的图像处理研究

介绍了表面粗糙度的检测方法，阐述了利用视频化改造后的9J型光切显微镜，基于光切法的表面粗糙度检测的数字图像处理方法，利用Canny算子进行边缘检测和保持连通的边缘细化算法进行细化处理，得到了较为理想的表面粗糙度轮廓曲线，为后续的表面粗糙度参数的计算奠定了基础。     

一种产生无衍射线结构光的新型光学元件

提出一种可产生无衍射线结构光的新型光学元件组合三角棱镜,由正、负等腰三角棱镜胶合在一起设计而成,其变换光束特性与单个正等腰三角棱镜相同,等效底角由正、负等腰三角棱镜底角之差决定,因此可通过较大底角的正、负等腰三角棱镜组合得到更小角度的底角,以获得更大焦深的无衍射线结构光,解决了单个正等腰三角棱镜小角度加工困难的技术问题。采用几何光学理论分析产生无衍射线结构光的原理,计算无衍射线结构光的相关参数,由衍射积分理论分析和模拟光束经过新型光学元件后的光强分布特性。实验结果表明:平面波正面入射新型光学元件可以产生具有大焦深的无衍射线结构光。     

新型棱镜产生近似无衍射线结构光

为了改善三角棱镜系统产生近似无衍射线结构光的能量均匀分布在若干条光斑上,不适合直接应用于三维表面测量且中心光斑对能量利用率较低的问题,提出了一种新型光学元件.该元件在三角棱镜的基础上,通过在其底部胶合一个与原三角棱镜底面大小相等,横截面为等腰梯形的凸台制成.采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角三角棱镜的组合,平面光束通过新型光学元件后将产生中心光斑较强的近似无衍射线结构光.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的空间光强分布特性.仿真的结果表明,衍射积分分析的结果与几何光学分析的结果是一致的:新型光学元件可以产生一种性能更好的近似无衍射线结构光.并且通过改变棱镜的结构参量,能够方便地调节光束的中心光斑尺寸、近似无衍射范围等参量.     

无衍射光经望远镜系统的变换

对于轴锥镜透镜产生的无衍射光，它的中心光斑半径和无衍射距离是固定的，一旦应用中要求新的光束参数，则只能再制造一个新的轴锥镜透镜。本语文提出了种用普通球面透镜望远为改变无衍射光束参数的新方法，该方法是基于无射光和环光源之间的透镜变换关系。无衍射光首先被望远系统的第一块透镜变换为一个环光源，第二块不同焦距的透镜再将该环光源变换为一个不同参数的新无衍射光。新的光束参数由两个透的焦距比值决定 。     

透明材料表面粗糙度的测量

运用光切法和相衬法对透明材料表面粗糙度进行测量。     

变折射率组合三角棱镜产生无衍射线结构光

提出一种可产生大焦深无衍射线结构光的新型光学元件——变折射率组合三角棱镜,由正、负等腰三角棱镜胶合在一起设计而成,其变换光束特性与单个正等腰三角棱镜相同,等效折射率由正、负等腰三角棱镜折射率之差决定,因此可通过两个折射率接近的正、负等腰三角棱镜组合得到一个更加接近1的等效折射率,以获得更大焦深的无衍射线结构光,解决了单个正等腰三角棱镜小角度加工困难的技术问题.采用几何光学理论分析了产生无衍射线结构光的原理,计算了无衍射线结构光的相关参数.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的光强分布特性.研究表明,平面波正面入射新型光学元件可以产生具有大焦深的无衍射线结构光.     

光针扫描法检测光滑表面粗糙度

提出了一种用于光滑表面粗糙度测量的方法，利用两个标准参考面和两个偏振片实现对表面粗糙度的测量，通过两1／4波片克服光路可逆性的缺陷，给出了测量系统光路图，导出了该方法工作原理的数学表达式，并对该方法产生的测量不确定度进行了理论计算与计算机仿真，最后通过对一标准粗糙度样块进行测量，证明了该方案的可行性。结果表明实测值与样块厂家提供的标称值相符，并可实现0．2nm的测量精度。     

无衍射光莫尔条纹的中心定位方法

无衍射光莫尔条纹被广泛应用在精密测量领域中,实现无衍射光莫尔条纹中心的精确定位是高精度测量的关键。通过对无衍射光莫尔条纹图像特征进行分析,提出了一种无衍射光莫尔条纹的中心定位方法。该方法首先根据光强分布特征,提取莫尔条纹图像中两光斑中心局部同心圆区域;然后进行局部同心圆环检测,确定初始圆心集;再对初始圆心集进行聚类分析确定两光斑中心的初始位置;最后删除异常点并迭代求取两光斑中心较精确的位置,实现无衍射光莫尔条纹两光斑中心的定位目的。理论和实验结果表明该方法能快速、准确地同时确定两光斑中心位置,且误差小于1 pixel。     

基于机器视觉的表面粗糙度测量与三维评定

表面粗糙度的测量与评定一直是机械行业的重要课题。提出了一种基于机器视觉检测工件表面粗糙度的方法。首先利用显微镜获取端铣、刨、车不同等级下工件表面的序列图像,采用方差聚焦测度算子对序列图像中的每一个点进行高度计算;然后再利用高斯插值法计算出微观物体表面的准确高度,重构其表面微观形貌;最后计算出各个工件表面的三维粗糙度。通过对实验数据的分析和讨论,可以确定出表面均方根偏差Sq、表面偏斜度Ssk和表面峰密度Sds这三个参数,它们是常用地对工件表面粗糙度进行评价的可靠参数,可为以后三维粗糙度体系的科学建立提供依据。     

参数可控长距无衍射光束的生成方法研究

为了消除光学器件几何参数对无衍射光束传播特性调整的限制,实现长距空间中无衍射光束传播时特性参数的可控性,首先,通过研究axicon折射阴影区的电场分布特征,发现axicon无衍射区外过临界面后的近轴区域虽处于几何折射阴影近轴区域内,但仍存在光强服从第一类零阶贝赛尔函数分布的球面波;以此为基础,提出了一种不受传播空间距离限制的无衍射光束的生成方式;最后,在近12 m的尺度范围内进行无衍射光传播特性参数测试,发现其实验参数与理论计算值的差值不超过0.1μm。该无衍射光通过对第一类零阶贝塞尔函数分布的球面衍射光斑准直生成,本质上区别于传统的干涉无衍射光束生成方式,易于生成大尺度空间无衍射光束。该无衍射光生成方式适合用于非能量使用情况下大尺度空间的直线基准、光束空间通讯等领域,具有较大的价值与意义。     

A novel technique of laser measurement for the surface roughness

This paper describes a non-contact system for the surface roughness measurement without damage. It is suitable for various materials.     

离子束作用下的光学表面粗糙度演变研究

 为了获得超光滑光学表面,介绍了离子束作用下改善表面粗糙度的抛光方法,并通过相关的实验进行了验证。光学材料是典型的硬脆材料,在加工过程中的表面粗糙度要经历复杂的演变过程。离子束加工作为光学镜面加工中的最后一道工序,如果在修正面形的同时,能够有效地改善表面粗糙度,那么离子束加工的性能就可以得到更好的延伸。分析了离子束作用下的粗糙度演变机理,在此基础上提出了倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术2种改善表面粗糙度的方法,并使用原子力显微镜进行了测量。实验结果表明：以45°倾斜入射抛光熔石英样件,其粗糙度由初始的0.67nm RMS减小到0.38nm RMS;涂上牺牲层的材料表面粗糙度由0.81nm RMS减小到0.28nm RMS,倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术能够有效地改善表面粗糙度。     

激光测头光束质量分析与控制

 建立了光束质量控制的数学模型,提出了一种可定量评价光束质量的参数优化选择方法。针对激光测头进行了两片式光束质量控制光学系统的优化设计,并与光束聚焦控制、准直控制方法进行对比实验。激光结果证明:该优化光束控制系统在测量范围内既保持了光束的均匀性,光斑尺寸较小(光腰尺寸为34 μm),又保证了光束的精细度,有效地抑制了光束质量引入的测量误差,在±5 mm测量范围内,其均方根误差仅为6.3 μm,测量精度明显优于聚焦控制和准直控制系统。     

利用激光三角测距法提高三维面型检测精度的方法

本文首先介绍了根据激光三角测距原理并采用片光照明、面阵ＣＣＤ接收的三维面形检测原理，其优点在于物面相对于测量头仅需一个方向移动即可完成二维扫描，使测量系统结构简单、便于控制。其次分析了影响其测量精度的几个主要因素，即散斑噪声、接收器件本身的分辨率、投影片光束的宽度与稳定性。散斑噪声造成了投影光斑的抖动，ＣＣＤ的分辨率限制了测量系统的分辨率，而片光束的质量影响着ＣＣＤ光敏面上像斑的准确定位。针对其各自的特点给出了相应的解决途径。     

光束偏转法自动测试激光等离子体冲击波系统的研制

根据光束偏转原理，研制了激光等离子体冲击波自动测试系统的硬件和软件。该系统使用计算机与可编程序控制器作为上下位机，采取上下位机通讯的方式控制步进电机及二维移动架的移动，以改变探测光的相对位置，并利用单模光纤和光电倍增管将探测到的光偏转信号传入数字示波器进行存储，最后计算机将示波器中采集到的光偏转信号进行分析处理。使用该系统对激光等离子冲击波的衰减过程进行了实际测试，得到了较为理想的实验结果。     

基于光学三角原理的内径非接触测量方法

基于光学三角测量原理,提出了一种非接触测量内径的方法。对激光双光三角测量原理与单光三角测量原理进行了分析对比。采用单光三角测量原理设计了一种非接触式测量内径的光电测量系统。论述了系统的组成和总体结构,并通过实验对测量系统的精度进行了验证。结果表明,系统的测量误差不大于0.03mm,重复性测量精度优于±0.03mm。     

Surface roughness effects on the turbulence statistics in a low Reynolds number channel flow

A high-resolution particle image velocimetry was used to characterize a low Reynolds number turbulent flow in a channel. Experiments were conducted over a sand grain-coated surface of large relative roughness, and the results were compared with measurements over a smooth surface. The roughness perturbation significantly modified the outer layer. Even though the streamwise Reynolds stress shows less sensitivity in the outer layer to the boundary condition, significant enhancements were observed in the wall-normal Reynolds stress and the Reynolds shear stress. These modifications were considered as footprints of the larger-scale eddies transporting intense wall-normal motions away from the rough wall. A quadrant decomposition shows that strong and more frequent ejections are responsible for the larger values of the mean Reynolds shear stress over the rough wall. The results also indicate that spanwise vortex cores with mean vorticity of the same sign as the mean shear are the dominant smaller-scale vortical structures over the smooth and rough walls. A linear stochastic estimation-based analysis shows that the average larger-scale structure associated with these vortices is a shear layer that strongly connects the outer layer flow to the near-wall flow. A proper orthogonal decomposition of the flow suggests that the large-scale eddy is more energetic for the rough wall, and contributes more significantly to the resolved turbulent kinetic energy and the Reynolds shear stress than the smooth wall.