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。     

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。     

无衍射光的干涉实验与理论分析

分析了两束无衍射光的干涉场分布形式和干涉条纹轨迹。将一束单色光入射两小孔产生的两束相干光照射轴锥镜,在轴锥镜后将产生两束无衍射光。根据单束倾斜光入射轴锥镜的无衍射理论,分析出这两束无衍射光产生的干涉场为每束无衍射光的无衍射场的线性叠加。利用零阶贝塞尔函数的零点公式,推导出两束无衍射光的干涉条纹的轨迹为双曲线。计算结果表明,干涉场中两中心的间距与两孔实际的间距和干涉场距轴锥镜的距离成正比。实验结果与理论仿真相一致。     

表面粗糙度数字全息检测

鉴于数字全息表面粗糙度测量是对被记录的数字全息图进行数值重建获得相应的相位值,将其映射为表面轮廓值后来计算表面粗糙度参数的,分别以标准分辨率板和高度标定板为检测样本,对构建的数字全息测量系统进行了重建误差及重复性测试,包括横向尺寸误差及高度误差,横向尺寸重建误差及重复误差分别为1.11%和0.61%,高度重建误差及重复误差分别为11%和1.8%。以宽带介质膜平面反射镜为样本,测得其3段评定长度（包含15个取样长度）的表面粗糙度平均值分别为0.010 37 m、0.010 33 m和0.009 67 m。     

自由空间无衍射光通信模拟系统及其传输性能

无衍射光的中心光斑直径相对于高斯光束较小且发散角为零,在自由空间光通信领域具有良好的应用前景。介绍了一种自由空间无衍射光通信模拟实验系统,它通过串口连接上位机,应用微处理器进行信号的调制与解调,采用双头脉冲间隔调制,无衍射光的发生使用圆锥透镜法,在接收端使用PIN光电二极管将光信号转换为电信号,再经过放大电路、整形电路和微处理器的解调,最后通过串口将数据传输给上位机。上位机通过对发送数据与接收数据的对比计算出误码率,进而给出整个系统的传输性能评价。在无衍射光的最大传输距离内,当比特率为9 600 bps时,该系统的误码率优于610-5。     

角向偏振无衍射光束的传输特性及其偏振态研究

从理论和实验两个方面研究角向偏振无衍射光束在自由空间和障碍物空间中的传输特性. 理论上模拟了角向偏振无衍射光束在自由空间以及障碍物空间传播过程中的光强分布与偏振态变化情况. 实验中利用高斯光束先通过偏振转换仪, 再入射到轴棱锥上产生角向偏振无衍射光束. 进而研究其在空间中的传输情况, 并通过分析其经过扇形障碍物后光强分布变化情况讨论障碍物对偏振态的影响和光束的自重建特性. 结果表明: 障碍物遮挡区域光强沿z轴方向逐渐恢复, 且阴影区域沿障碍物所在位置的相反方向移动; 光束的偏振态局部发生变化, 该变化与障碍物所在位置有关. 理论仿真和实验结果一致.     

基于激光散斑成像的零件表面粗糙度建模

表面粗糙度是衡量机械表面加工水平的重要参数. 通过构建一套激光散斑成像采集系统, 获取了不同表面加工类型和不同粗糙度值的零件表面激光散斑图像. 应用Tamura纹理特征理论提取图像的纹理粗糙度、对比度、方向度特征, 并分析了这三个特征与表面粗糙度的关系. 发现了纹理粗糙度特征与表面粗糙度的单调关系, 推导出平磨、外磨、研磨三种表面加工工艺的粗糙度值与图像纹理粗糙度特征的数学函数关系, 实现了表面粗糙度的测量. 同时, 利用Tamura纹理特征与加工工艺的依赖关系, 建立了基于贝叶斯网络的工艺识别推理模型, 推理出了零件表面加工工艺. 通过为多种加工类型表面建立粗糙度测量模型, 为粗糙度测量提供了新思路. 实验证明所提的粗糙度测量模型能以较高的准确率识别出零件表面加工类型并测量出其表面粗糙度值.     

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。     

无衍射 Mathieu光束自重建特性的理论和实验研究

首次对无衍射Mathieu光束的自重建特性进行理论和实验研究, 利用Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束的自重建机理. 基于菲涅尔衍射积分理论, 推导出了高斯吸收型圆形障碍物部分遮挡后的Mathieu光场重建后的解析表达式, 并数值模拟了无衍射Mathieu光束的经圆形障碍物部分遮挡后光场的自重建过程. 采用柱透镜-轴棱锥组合光学系统产生近似零阶无衍射Mathieu光束, 实验分别验证了轴上和轴外障碍物遮挡时近似零阶无衍射Mathieu光束的自重建特性. 理论模拟与实验结果相符.