正弦相位调制位移干涉测量技术中调制频率的优化选择

针对正弦相位调制(SPM)干涉测量技术用于位移测量时,调制频率对干涉信号相位解调的影响,提出一种调制频率的优化选择依据.通过对干涉信号的频谱进行分析,发现当被测位移幅度较小时,较小的调制频率即可满足相位解调的要求;而当被测位移较大时,必须相应地增大调制频率,才能获得比较准确的测量结果.模拟计算以及实验结果表明,被测位移信号的幅度每增大四分之一测量光源波长,调制频率需要相应增大4倍于被测信号频率的大小,才能满足正弦相位调制位移干涉测量技术信号处理的需要.     

基于条纹投射和正弦相位调制的表面形貌测量系统

基于条纹投射和正弦相位调制技术,提出了一种用于测量物体表面三维形貌信息的光纤干涉系统。通过杨氏双孔结构实现了条纹投射,并以余弦电压信号驱动压电陶瓷实现正弦相位调制。为了消除机械振动、温度波动等外部干扰,采用相位控制系统对相位漂移进行检测,并生成实时相位补偿信号。补偿后相位误差可达6.8 mrad,从而获得高精度的干涉条纹相位稳定度。对待测件的表面轮廓连续测量两次,时间间隔为10 min,测量重复度达到0.05波长。实验结果证明:该系统能够实现较高精度的表面形貌测量。     

正弦相位调制全深度频域多普勒光学相干层析成像技术

将多普勒探测与正弦相位调制复频域光学相干层析成像技术(OCT)相结合,建立了基于正弦相位调制的全深度频域多普勒光学相干层析成像系统。利用正弦相位调制B-M扫描方法,并采用傅里叶变换结合带通滤波的方法重建复干涉谱信号,获得全深度层析及多普勒图像。成像深度范围扩大为原来的2倍,在整幅图像范围内均可获得较高的速度探测灵敏度。基于该系统获得了血流仿体的全深度层析图及全深度多普勒图。实验测量的系统最小可探测速度为5.35μm/s。     

利用正弦相位调制干涉仪探测声辐射激励的固体表面微振动

为了提取固体表面的微振动信息,本文提出了一种基于正弦相位调制干涉仪和实时归一化PGC-DCM算法的探测方法。采用归一化PGC-DCM算法实现载波相位调制深度和载波相位延迟的计算,然后对正交干涉信号分量进行预归一化,再经过运算消去干涉信号条纹的对比度系数,实现正交干涉信号分量的完全归一化,最后利用微分交叉相乘原理实现干涉信号相位的解调。利用数值仿真证明了解调算法的有效性,并在光学暗室环境中搭建了一套正弦相位调制干涉系统,对多种不同频谱特征的固体表面微振动进行探测实验和信息解调;实验结果表明,所提方法能够准确探测固体表面的微振动信息,在3 kHz的被测微振动频率范围内,干涉信号相位解调的平均信噪失真比为33.0956 dB,动态范围优于22.75 dB。     

3D形貌测量中一种基于主成分分析的单帧投影栅算法

将主成分分析(PCA)引入投影栅形貌测量中,提出 了一种基于PCA的单帧投影栅算法。由计算机生成正弦条纹图,利用DLP投影仪投影到 被测物体表面,由CCD相机采集受物体 形貌调制的畸变条纹图并保存在计算机中进行处理。首先由采集的变形条纹图构成5帧 空域相移图;然后将多帧相移条纹图分解成不相关的主成分,由第1和第2主成分利用反正 切函数计算得到变形条纹相位信息;最后根据条纹相位的单调性,采用聚类分析法确定相位 全局符号。实验结果表明,本文算法无需确定相移量就可直接解调出与物体形貌对应的相位 数据,运算速度快,测量精度高,适用于在线三维形貌测量。     

采用同步相位检测的微小振动实时测量

提出了一种半导体激光正弦相位调制干涉仪。该干涉仪可以实时测量物体的微小振动。利用简单的电路构成实时相位检测器 ,对干涉信号中的相位信号进行同步检测 ,最终获得实际振动的振幅频率。文中给出了具体的理论分析和实验结果。     

减小正弦相位调制菲佐干涉仪多光束干涉影响的方法

在利用正弦相位调制菲佐干涉仪进行测量时,由于菲佐板及待测物体表面对入射光的多次反射而产生多光束干涉,干涉信号的强度随相位变化不是严格的余弦分布.按照双光束干涉的算法进行相位信息提取,会引入一定的误差.以正弦相位凋制菲佐干涉仪纳米精度微小位移测量为应用背景,分析多光束干涉情况下该干涉仪信号解调算法的误差,进而对干涉仪的相关参数进行优化,并通过误差补偿对测量结果进行修正,有效减小了多光束干涉产生的影响.     

消除正弦相位调制干涉仪中光强调制影响的全光纤干涉仪

在激光二极管(LD)正弦相位调制(LD-SPM)干涉仪中,通过注入电流调制激光二极管波长的同时,光源输出的光强也被调制,成为测量误差的主要来源之一.提出一种新的消除激光二极管正弦相位调制干涉仪中光强调制影响的干涉仪,给出了具体的理论分析.该干涉仪采用全光纤结构,有效减小外界干扰对干涉测量的影响;采用容易实现的前置信号处理电路和实时相位检测器对干涉信号进行处理,消除了激光二极管光强调制产生的测量误差;同时实现了物体微小位移的高精度实时测量,测量的重复精度达到1 nm.实验结果与其他消除光强调制影响的方法测得的结果基本一致,验证了该方法的实用性.     

条纹反射法测量镜面手机外壳多尺度三维形貌

对基于条纹反射的镜面物体三维形貌测量进行了研究,测量并分析了镜面手机外壳不同横向空间分辨率的三维形貌。由计算机控制液晶显示屏生成正弦条纹图像,用CCD相机记录由待测镜面物体反射的变形条纹图像并进行相位解调。相位分布受物体表面梯度调制,对相位数据进一步求导和积分可以分别得到表面曲率和高度分布。通过带通滤波分析,可以分解得到样品不同横向空间尺度的三维形貌,为加工工艺改进提供定量依据。对镜面手机外壳的测量结果表明,本文方法具有很高的灵敏度和很大的动态范围,高度方向分辨率可达亚μm量级。在普通实验条件下,能够同时得到表面形状缺陷、喷漆质量以及微观痕迹的定量数据;曲率分布数据特别适合于对任意形状镜面物体表面形貌瑕疵的检测定位。     

基于“2+1”相移算法的正交复合光三维测量方法

提出一种基于"2+1"相移算法的正交复合光栅投影三维测量方法。用2帧相移量相差为π/2的正弦光栅加1帧背景光代替传统正交复合光栅相位测量轮廓术(OCGPMP)中3帧等相移正弦光栅,并将受背景项调制的载波频谱放在受2帧正弦相移光栅调制的载波频谱中间,由于背景项只有直流分量对载波的调制,与相邻调制载波交流调制成分不会发生频谱混叠,从而拓展了两相移光栅的载波频谱宽度,有效减少了频谱混叠,降低了相位测量误差。计算机仿真和实验结果表明,该方法将测量精度提高到传统OCGPMP的1.74倍。     

频谱泄漏对正弦相位调制干涉测量精度的影响

在正弦相位调制(SPM)干涉仪中,若调制频率或者采样频率发生变化将使干涉信号出现频谱泄漏,减小了谐波分量的幅值,在测量结果中引入了误差。对频谱泄漏的产生及其对测量精度的影响进行了理论分析,获得了频谱泄漏引入测量误差的计算方法。实验测得频率漂移量在-0.3~0.3Hz内,得到的频谱泄漏引入的误差为0.3~7.9nm,当超出这个范围时,频谱泄漏误差将迅速增长。实验结果与模拟分析结果一致。     

光热调制激光波长测量物体的微小振动

提出了一种新型半导体激光正弦相位调制干涉仪。使用此干涉仪测量了物体的微小振动。利用光热效应调制光源波长降低了光源光强变化引起的测量误差。模拟计算和实验结果证明了此干涉仪的有用性     

A surface profile reconstruction system using sinusoidal phase-modulating interferometry and fiber-optic fringe projection

A fiber-optic sinusoidal phase modulating (SPM) interferometer for surface profile reconstruction is presented. Sinusoidal phase modulation is created by modulating the drive voltage of the piezoelectric transducer. The surface profile is constructed basing on fringe projection. Fringe patterns are vulnerable to external disturbances such as temperature fluctuation and mechanical vibration, which cause phase drift and decrease measuring accuracy. We build a closed-loop feedback phase compensation system, the bias value of external disturbances superimposed on fringe patterns can be reduced to about 50 mrad, and the phase stability for interference fringes is less than 5.76 mrad. By measuring the surface profile of a paper plate for two times, the repeatability is estimated to be about 11 nm, and is equivalent to be about λ/69. For a plane with 100 × 100 points, a single measurement takes less than 140 ms, and the feasibility for real-time profile measurement with high accuracy has been verified.     

基于两步相移干涉的微表面形貌检测系统

为了精确稳定地测量物体微表面形貌,设计了一种基于改进迈克尔逊结构的空间两步相移干涉系统。该系统在泰曼-格林偏振干涉仪的基础之上,使用改进的迈克尔逊结构实现分光,采用偏振方向分别为0和45的两偏振片作为相移器件,在单个CCD相机中同时记录两幅具有90相移的干涉图像,然后由离散希尔伯特变换法提取相位,获取物体表面形貌信息。搭建了两步相移干涉光路,并通过对玻璃平板表面的检测,验证了该系统的可行性。结果表明,在实验室环境下系统重复测量结果的均方根误差小于0.02,在实际微表面测量中具有良好的稳定性。     

消除光强调制影响的双波长正弦相位调制干涉仪

在双波长半导体激光(LD)正弦相位调制(SPM)干涉仪中,通过注入电流调制LD波长的同时,光源的输出光强也被调制,影响了测量精度。提出了一种新的双波长LD SPM干涉仪,通过对干涉信号进行处理,得到与干涉信号相位相关的线性方程组,利用该方程组精确计算相位,消除了光源光强调制的影响,使测量误差由6μm减小至1μm,并利用该干涉仪与波长扫描技术相结合实现了绝对距离的测量,当待测距离为60~280 mm时,测量结果的重复性为1μm。     

632.8nm高精度移相菲佐干涉仪测量误差分析

为了满足高精度光学系统对光学元件纳米级的检测精度要求,提出了一种理论可实现纳米级测量的632.8nm移相菲佐干涉仪的设计方案。通过对检测凹面和凸面的632.8nm移相菲佐干涉仪的基本结构和测量原理的分析,指出影响干涉仪测量精度的几种主要误差:移相误差、几何结构误差、振动误差、探测器误差(非线性误差和量化误差)、光源误差(波长不稳定和强度不稳定)、空气扰动和折射率变化误差。通过对这些误差理论分析和模拟,量化了各误差对测量精度的影响,其中移相误差、几何误差、振动误差和空气折射率误差影响最为显著。根据测量精度要求和仿真结果,得到实现纳米级测量的干涉仪系统参数和环境参数设置要求。     

车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器

基于建立的车载直接探测激光雷达系统,对接收光学鉴频器进行了研究。针对边界层、对流层和平流层不同的气溶胶和大气分子浓度以及风速动态范围,同时采用直接探测的两种主要技术。利用多光束菲索(Fizeau)干涉仪(MFI)和阵列光电倍增管(PMT),接收气溶胶散射信号,获得边界层风速。采用双法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(DFP)和光电倍增管探测器,分析分子散射信号,得到对流层风场。使用实际的激光雷达系统参数和大气模型参数,对两个鉴频器进行了优化设计,分析了它们的风速测量灵敏度和精度。多光束菲索干涉仪鉴频器系统在±50 m/s风速范围内测量灵敏度为1.3%/(m.s-1),高度分辨率为200 m,边界层内风速测量误差小于1 m/s。双法布里-珀罗干涉仪鉴频器系统在±100 m/s风速范围内的测量灵敏度约为0.3%/(m.s-1),高度分辨率为1000 m,对流层风速测量误差小于3 m/s。