一种液面微形貌测量技术及在微浮力和表面张力研究中的应用

应用改进的云纹法测量微小物体漂浮在水面上所产生的水面凹陷曲面的三维形貌,并根据此三维形貌来定量测量微小物体受到的微浮力和表面张力,分析其与水面的相互作用.通过对不同大小的硬币浮在水面上所形成的液面三维形貌的测量以及进一步的分析表明:硬币浮在水面上是表面张力和浮力共同作用的结果,其中浮力起主要作用.该实验验证了所提出的技...     

Transmission-speckle correlation for measuring dynamic deformation of liquid surface

In this paper, a method based on transmission-speckle correlation is proposed for measuring static and dynamic deformation of liquid surface. In the method, a high-speed camera placed vertically above the tested liquid surface is used to observe and record a special speckle pattern put in advance at the bottom of liquid. According to the Snell׳s law, the deformation of liquid surface will lead to the movement of the transmission-speckles. In terms of this, the quantitative relationship between height changes of liquid surface and the in-plane displacement of transmission-speckles can be deduced. Combining with multi-directional Newton iteration algorithm, the dynamic deformation field of liquid surface can be calculated from the in-plane displacement vector field of transmission-speckle images in different moment using speckle correlation method. The sensitivity of the method in measuring height changes of liquid surface is discussed. In this paper, a validation test to measure the surface morphology of a plano-convex lens demonstrates the feasibility and the effectiveness of the method. In addition, the dynamic deformation and propagation process of ripples in the water surface caused by a droplet were investigated.     

一种基于畸变等效曲面的图像畸变校正

介绍了一种图像畸变的等效曲面模型,用于修正由于光学系统或图像传感器产生的畸变。分析了球形畸变模型的原理,推导出基于球形模型的畸变校正公式,并给出了基于球形模型的畸变校正的具体实现方法,通过实验对这种畸变校正的效果进行了验证。这种曲面畸变模型的校正具有实现简单,不需求解方程组等优点,并可以推广到其他曲面,具有比较广泛的实用性。     

光学自由曲面数控化加工方法

在光学系统中，为了满足特殊的成像要求，需要使用自由曲面光学零件，但由于自由曲面是一类非常复杂的曲面，用传统的光学加工方法很难加工。本文概要介绍了光学非球面的多种加工方法，探索了这些方法加工光学自由曲面的可能性，提出了用数控化加工方法加工光学自由曲面，并利用这种方法加工了一块自由曲面透镜。     

正交偏振法消除生物组织表面反射光的研究

应用光谱方法测量生物组织成分时, 信号的拾取一般有两种方法：透射法和反射法。其中,根据光纤测头与生物组织接触与否,反射法分为接触和非接触两种形式。接触测量时, 只有携带了组织信息的深层反射光进入测头, 但接触测量中压力、温度等变化会导致测量条件的变化,进而影响光谱数据的稳定性;非接触测量时, 虽然克服了接触压力、测头温度等对测量的干扰,却会导致不携带光与组织相互作用信息的表面反射光进入测头,由于表面反射光强度高且集中,将会影响检测器的动态范围。因此非接触测量的最大问题是如何有效地消除生物组织表面反射光的影响。针对非接触测量中生物组织表面反射光的消除方法进行了系统研究, 对课题组之前提出的正交偏振法进行了理论和实验分析。首先,以不同被测物为对象,研究了表面反射光的偏振态,结果表明表面反射光的偏振度与表面粗糙度密切相关,表面粗糙程度越小,偏振度越高,由此推断出,经表面光滑的Intralipid溶液反射后的表面反射光具有保偏特性;然后,以Intralipid-20%溶液为被测对象,对正交偏振法消除表面反射光的效果进行了研究,实验结果显示正交偏振法可以消除97%以上的表面反射光;最后,比较分析单波长下不同源探距离处的接触和非接触式光谱测量曲线,二者高度重合,这一现象进一步说明了正交偏振法消除表面反射光的有效性。该研究通过评价正交偏振法消除组织表面反射光的能力,旨在消除接触式漫反射光谱检测中测量条件变化对测量的影响,以期推动近红外无创光谱检测技术的进一步发展。     

Effect of periodic surface cracks on the interfacial fracture of thermal barrier coating system

Periodic surface cracks and interfacial debonding in thermal barrier coating (TBC) system may be induced during cooling process. The objective of this work is to investigate the effect of periodic surface cracks on the interfacial fracture of TBC system. The finite element method (FEM) incorporating cohesive zone model is used in analysis. It is found that surface crack spacing has significant effect on the initiation and propagation of short interface crack. Three different regions are identified for describing the effect of surface crack spacing. In Region I the interface crack driving force is dramatically reduced due to high surface crack density. In this case, the initiation of interfacial delamination can be delayed. Region II applies as the surface crack spacing is moderate. Analysis of this transition zone brings to the definition of normalized critical surface crack spacing. Region III arises for sufficient large surface crack spacing. In this case, the interface crack driving force reaches a steady state, where the effects of adjacent surface cracks are relatively insignificant and can be ignored. It can be concluded that an appropriately high surface crack density can enhance the durability of TBC system.     

一种用于光学平面面形误差绝对测量的新方法

本文探讨了一种可绝对测量光学平面面形误差的新方法,利用该方法可以消除或修正干涉仪测量光学平面面形误差时所存在的固有系统误差和参考光学平面本身的面形误差,同时也对干涉仪进行了绝对校准。     

光学透明频率选择表面的设计研究

以氟化镁为基底材料, 采用基底、金属网栅与频率选择表面一体化设计方法设计了一种雷达波与光学波段双带通的结构. 利用模式匹配法对设计结构的传输特性进行了仿真研究, 并将设计结果与制备样件的测试结果进行了对比分析. 结果发现: 采用一体化设计的方法设计光学透明频率选择表面, 不仅能够快速得到电场基函数而且还能够准确预估其谐振尺寸, 从而在提高计算效率的同时避免了模式互作用零点的出现. 采用一体化设计方法获得了具有稳定滤波特性的光学透明频率选择表面, 为雷达/红外双模制导头罩的电磁屏蔽技术和隐身技术提供了一种有效技术方案. 关键词： 复合制导 频率选择表面 金属网栅 一体化设计     

Dynamic aberrations correction of Roll-Nod conformal seeker based on the diffraction surface and anamorphic asphere surface

Traditional optical domes are spherical, which have a large air resistance coefficient. In order to reduce the coefficient of air resistance, conformal optical technology was proposed, which used a streamlined design of the outer surface of the dome. However, conformal domes generate dynamic aberrations varying significantly with look angles in the field of regard(FOR). Thus, correcting the dynamic aberrations is the core task of conformal optics. This Letter presented a correcting method of dynamic aberrations based on the diffraction surface and anamorphic asphere surface. This method is derived from the arch corrector and can only be used on the Roll-Nod gimbal. For the seeker with a Roll-Nod gimbal, the arch corrector is replaced with a diffractive surface superimposed on the inner surface of the conformal dome. To correct astigmatism, which is the main aberration that needs to be corrected, anamorphic asphere surfaces are used in the imaging system. Compared with the arch corrector, this method can reduce the size of the correction element while retaining sufficient design freedom. Design results show that this method can well correct the dynamic aberrations in a larger FOR. With a simpler form in structure, this method can improve the reliability of conformal optical systems and promote the application of conformal optical technology.     

半空间背景下目标电磁散射等效模型研究

在电磁场积分方程方法框架下,应用等效原理求解了半空间背景下目标的电磁散射问题,可针对目标仅处于半空间界面单侧及目标跨越半空间界面处于半空间两侧的几何相对位置。与传统的半空间格林函数计算方法不同的是,这一方法使用的是各自介质的自由空间格林函数,因此可以回避索墨菲积分并且可以很方便与快速算法(如多层快速多级子)相结合,并对求解临近半空间界面的目标获得较好的收敛性。在等效原理方法中需要用有限的界面等效无限大半空间界面,因此采用了锥形入射波以降低开放边界引起的边缘效应。不同于一般目标的远场雷达散射截面表达,在该模型下,半空间电磁散射的远场描述需要用差场雷达散射截面。给出的算例能与现有文献以及仿真软件很好的吻合,并可作为实用工具分析半空间背景对目标远场响应的影响。     

A simplified method to determine the coverage dependence of surface diffusion coefficients

A new method to determine the coverage dependence of surface diffusion coefficients from coverage-gradient experiments is presented. The initial coverage-gradient employed is an evacuated circular region surrounded by a constant coverage. In order to demonstrate this method, Fick's second law equation was numerically solved using coverage-dependent surface diffusion coefficients. An analysis of the results demonstrates that the coverage dependence of the surface diffusion coefficient can be determined using a simple extrapolation procedure. The coverage dependence can be obtained for a wide range of functional forms for the surface diffusion coefficient. The extrapolation procedure requires only that the number of adsorbates that have diffused back into the initially evacuated region be measured as a function of time. This method should be useful in the interpretation of coverage-gradient surface diffusion experiments, especially those performed using laser-induced thermal desorption techniques.     

UV-laser-based fabrication of a planar,polymeric Bragg-structure

The fabrication of a planar polymeric Bragg-structure by a UV-laser-lithographic method is described in this paper: A polymeric substrate is irradiated by a UV-excimer laser inducing photo-reactions at the substrate surface. In this way the polymeric material can be locally removed from the substrate surface or the surface refractive index can be locally changed in a reproducible way. Several integrated optical microstructures can be generated by UV-laser-lithographic methods (amplitude and phase mask methods in contact modus), e.g. waveguides or surface relief gratings. A polymeric planar Bragg-structure is realized which can be used as a (de-) multiplexer in optical telecommunications technology or as a temperature or strain sensor in optical sensor technology.     

基于分层光学扫描的三维数字化测量技术

采用切削分层光扫描测量与计算机数据信息合成相结合的方法，有效地解决了具有复杂内外腔结构零件的三维数字化测量。该方法比传统三维测量速度快、自动化程度高，能同时准确测量零件内外腔表面，零件边缘测量误差可控制在CCD两个像素内。利用获取的铝合金精密小箱体三维数据，在计算机上重构了零件的三维模型，并用RP技术制造出了零件物理原形。     

基于物理光学法的建筑物内高功率微波耦合场分布计算

利用物理光学法计算了高功率微波在建筑物内的耦合场分布。根据建筑物墙壁和窗户的透射率可以得到墙壁内侧的透射场,将它代入到矢量衍射公式中直接计算出在整个建筑物内的透射场;根据建筑物地面的反射率得到地板表面的反射场,将它代入到矢量衍射公式中可计算出整个建筑物内的反射场;对透射场与反射场进行矢量相加,得到叠加场。将本文方法得到的场分布情况和时域有限差分法得到的场分布进行比较,二者结果一致。物理光学法的优点在于其物理图像清晰,计算量小,计算速度快,适合应用在大型建筑物内部耦合场分布计算上。     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息.结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22%和3.37%.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息,结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22％和3.37％.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

高频位相型曲面变形光栅的转移工艺研究

本文研究了在室温和８５℃温度环境下高频位相型曲面变形光栅的转移工艺。实验结果表明：通过这种方法可以复制出高质量的曲表面试件变形栅，并具有灵敏度高、条纹质量好、方法简便、可用于工业现场等优点。为云纹干涉法对曲面变形问题的研究提供了重要的手段。     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

两位置球面面形检测方法研究

三位置球面面形绝对检测方法在一定的条件下可以简化为两位置球面面形检测方法.本文在研究三位置绝对检测原理的基础上,提出了基于菲索干涉系统新的两位置球面面形检测方法.该方法的简化条件分为参考面面形误差偶对称或被检面面形误差偶对称两种不同的情况.实验结果表明,两位置检测方法可以有效实现PVr值λ/30的高准确度检测,且检测结果PVr值重复性在±λ/300范围内,RMS值重复性在±λ/4 000范围内.采用两位置检测方法得到的面形误差分布结果与三位置绝对检测方法非常接近,PVr值相差小于λ/300,RMS值相差小于λ/2 500.因此在一定条件下,两位置检测方法可以有效简化实验装置和检测步骤,且不失三位置绝对检测方法的准确度和重复性.     

同步辐射激发直接干化学刻蚀

同步辐射激发直接光化学刻蚀是近年来发展的一项新技术 ,它不需要常规光刻中的光刻胶工艺 ,用表面光化学反应直接将图形写到半导体材料的表面上。由于所用的同步辐射在真空紫外 (VUV)波段 ,理论上的分辨率可以达到电子学的量子极限 ,且没有常规工艺中的表面损伤和化学污染 ,是一种非常具有应用潜力的技术。本文的最后部份重点讨论了与上述技术密切相关的VUV和软X射线激发的表面光化学反应机理。