光学三维测量技术与应用

光学三维测量技术是一种可视化的测量技术,能完成复杂形体的点、面、形的三维测量,能实现非接触测量,在制造业和航空航天领域得到广泛应用。航空三维激光扫描与摄影测量技术利用激光测距原理和航空摄影测量原理,与基于全球定位系统(GPS)和惯性测量装置(IMU)的机载定位定向系统(POS)联接,可以快速获取大面积地球表面三维数据。本文对光学三维测量技术和航空三维激光扫描技术做一简单介绍,给出三维激光扫描技术在航空航天领域的几个应用。     

水下成像镜头的光学设计

水下光学成像技术,如水下摄影、水下电视、水下激光距离选通成像系统等,是海洋研究与开发的得力工具,但由于水对光的散射和吸收等特殊的光学特性,以及使用环境的特殊性,使水下光学成像系统的设计和研制较陆上光学系统有更大的难度。本文指出了主要的技术关键,及设计与使用水下光学成像系统时需注意的问题,最后给出了水下电视光学成像系统设计研制的实例。     

口径自适应光学透镜中心厚度测量方法及装置

透镜作为光学系统中的核心部件之一,其加工质量极大影响着光学系统的使用性能。其中,透镜中心厚度的偏差对整个光学系统成像质量的影响最大。现有的非接触式和接触式测量设备都存在着一些缺点,因此本文提出了一种口径自适应光学透镜中心厚度测量方法,并基于此方法设计和搭建了一套透镜中心厚度测量装置,进行了测量精度对比和重复性测量实验。结果表明,本文所研究的测量装置误差与产线上所使用的测量装置误差相当,满足对光学透镜的检测要求。本装置具有结构简单可靠、操作方便、测量精度高且可以节省光学透镜生产成本等优点,已在生产线得到应用。     

航空相机气密光学窗口及其保护罩的设计

为了保证航空相机的成像效果,设计了气密光学窗口及其保护罩。本文对光学窗口的设计流程进行了分析,讨论了光学窗口设计的考虑因素,例如光学材料、光学厚度、压力和气密安装方案等。为了实现在非工作状态下对光学窗口的保护,设计了双层舱门结构形式的光窗保护罩,实现了系统的小型化。通过仿真分析和试验,测试了气密光学窗口和光窗保护罩的稳定性,系统能够在2个大气压和高低温环境下正常工作,性能良好。光学窗口保护罩整个厚度仅为37mm,能够实现快速开启与关闭,单程时间为7.7 s。相关分析方法解决了光学窗口设计问题的盲目性,使光学窗口的设计更加合理可靠。本文提出的方案为航空相机光学窗口的设计和保护提供了参考和技术支持。     

光学遥感卫星精密敏捷成像控制技术综述

从控制的角度综述了多功能、高质量成像需求下,超稳定、超精确、超敏捷高分辨率光学遥感卫星精密敏捷控制的关键技术和研究进展。以卫星成像与姿态控制系统性能的关系为基础,从姿态机动能力与多功能成像、姿态确定精度与成像质量和姿态控制精度与成像质量三个方面论述了精密敏捷控制技术对光学遥感卫星成像的重要性。在此基础上,结合光学遥感卫星姿态控制系统的组成及原理,分析了影响姿态控制精度和姿态机动能力的主要因素,对高精度姿态确定、精密姿态控制和敏捷姿态控制三个关键技术方向进行了讨论和总结。最后,综合当前技术的发展趋势,围绕一体化成像控制的设计思想展望了精密敏捷控制技术未来的发展趋势,为实现高分辨率光学遥感卫星多功能、高质量成像控制提供了理论依据和工程参考。     

氧浓度光学检测方法及其新应用

基于氧对荧光的猝灭作用,氧浓度光学检测方法可用于实验流体力学中表面压力测量,即光学压力测量技术。它是一种无接触、实时的氧浓度或表面压力测量的新技术,能够快速获得复杂流场中模型表面压力分布的连续图像。光学压力测量已在航空、航天、建筑和车辆的设计等领域显示其独特的优越性。本文介绍OPM技术的基本原理和特点,以及目前研究和应用的进展。     

在轨光学相机探测图像数字仿真系统设计与实现

根据在轨光学相机测量原理与工作环境,建立了空间目标相对运动学与反射光学特征模型、相机成像模型以及背景恒星成像模型;分析了相机测量噪声及相机探测灵敏度并在仿真中考虑了对干扰因素成像质量的影响,完成了现有星表中背景恒星的视星等根据相机的探测波段范围进行了仪器星等的等效计算,以提高仿真图像的逼真度;根据相机工作原理设计了仿真流程,应用Visual C++与Open GL技术完成了仿真软件的实现。     

光学相干成像技术在激光加工过程实时监测与控制中的应用研究进展

激光加工技术,主要包括激光焊接技术、激光增材制造技术和激光减材制造技术,具有高加工质量、效率、无工具磨损等优点,在航空航天、生物医疗、通讯电子等领域应用广泛。随着产品精度与性能要求的逐渐提升,对激光加工的精度、效率及可控性提出了更高要求。因此,激光加工过程实时监测及调控成为当前的研究重点。相比于传统的光声热电传感监测,光学相干成像技术可以与激光束同轴耦合,从而直接获取激光加工结构的尺寸和形貌特征,具有高成像速度、高测量分辨率以及长测量范围等优点,被广泛应用于激光加工过程实时监测中。系统介绍了光学相干成像系统的基本组成、成像原理以及系统指标,在此基础上综述了光学相干成像技术在激光焊接、激光增材制造和激光减材制造实时监测与控制中的应用。最后,归纳了目前光学相干成像技术在激光加工过程监测中存在的不足和发展趋势,为激光加工过程实时监测与控制的研究工作提供了坚实基础和发展方向。     

基于数字图像相关的光学引伸计应变测量精度研究

基于数字图像相关(DIC)方法的光学引伸计在应变测量领域有着广泛的应用。为了提高数字图像相关方法的测量精度,本文采用二维DIC与三维DIC的光学引伸计、基于双45°反射镜成像的二维光学引伸计以及电测法,对单轴拉伸试验中不锈钢试件的应变进行同时测量,比较分析了各个光学引伸计在测量轴向与横向应变方面的优劣以及误差产生的原因。实验结果表明:试件离面运动的存在大幅降低了普通二维光学引伸计的应变精度;基于双45°反射镜成像的二维光学引伸计可以有效消除离面刚体位移对测量结果的影响,其应变测量精度(尤其是横向应变精度)高于其他光学引伸计,且测量结果与电测法的测量结果高度吻合;三维DIC光学引伸计的横向应变精度明显不如轴向应变精度。     

光学相干层析技术在光学表面间距测量中的应用

搭建了适于镜头中光学表面间距测量的实验装置,用于非接触高精度测量镜面间距.该装置以光纤型时域光学相干层析系统为基础,通过光学表面的层析成像精确测量其相对位置.对样品扫描装置进行了改进,利用高精度导轨移动光纤准直器来移动成像范围,实现对不同深度光学表面的层析成像.利用实验测量系统完成了对空气间隙样品及已装调好镜头的光学表面间距的测量,其中空气间隙样品的测量值为6.026mm,用游标卡尺得到的对比测量值为6.02mm;对镜头关键参数空气间隙的测量值为10.750mm,其设计值为(10.7±0.03)mm.实验系统误差为3.871μm,测量灵敏度为10.5μm.结果显示该方法具有非接触、高精度、高灵敏度的特点.     

基于原子磁力仪的高精度电流传感器

高精度电流测量对产生核磁共振陀螺中稳恒磁场具有重要意义,基于光泵原子磁测量方式的新型电流传感器实现了对电流的精确测量,可应用在各种高精度设备的校准及其他精密探测领域.这种新型的电流传感器,具有极高的线性度,通过实验表明,基于光泵原子磁力仪的电流传感器线性度最高可达0.00001％,性能优于其他电流传感器,解决了线性度低...     

光纤传感技术在航空发动机温度测试中的应用

温度测试对于航空发动机设计与研制具有极其重要的意义。航空发动机的测温环境具有高温、高压、高速气流冲击、高转速、安装空间狭小等特点,还要求测温系统具有大量程、高精度和高稳定性的工作性能,可供选择的测温方法非常有限。光纤温度传感器具有体积小、抗电磁干扰、极端环境下的安全可靠和使用灵活等优点,并具有串联复用的准分布式传感能力,在航空发动机温度测试中有很好的应用前景。本文对比总结了基于光纤布拉格光栅、光纤法布里-珀罗、光纤超声和光纤辐射等几类典型的光纤温度传感器的传感原理、制造工艺和技术特点,分析了航空发动机研制中不同对象和场景的温度测试需求,对光纤温度传感技术在航发测温领域中的应用研究现状进行了分类整理和发展水平综述,对其在未来实际应用中存在的不足进行了分析,最后对其在未来研究及应用的发展方向进行了展望,为后续航发测温领域研究及应用提供参考。     

光频梳在精密测量中的应用

光学频率梳在过去17年间极大地促进了精密科学领域的发展。光学频率梳首先建立了微波频率与光学频率的直接联系,为时频领域的相关研究带来了突破性的进展;在此基础上,利用光学频率梳稳定的频域梳齿特性极大地推动了激光精密计量与测试技术的进步,同时光学频率梳良好的时域相干性也为实现高速、宽带的高精密分子光谱探测提供了前所未有的手段。简述了光学频率梳的产生于发展,综述了光学频率梳在激光频率测定、绝对距离测量和精密吸收光谱探测、高速非线性光谱与光谱成像及高精度时间频率传递应用中的进展。这也说明了光学频率梳作为一种具有优秀时频特性的激光器必将继续推动精密科学领域的发展。     

无执行机构的曲面形状精密测量装置与方法

针对目前三维表面形貌测量存在测量精度低与测量速度慢等问题,研发设计了一种无执行机构的曲面形状精密测量装置与方法,它具有测量精度高、速度快的优势。采用液晶空间光调制器改变照明角度,以及改变被测样品的探测深度,只需计算机控制即可完成,无需执行元件,测量速度快。综合运用了图像传感器成像技术和图像高清晰三维处理技术,使得整个测量过程智能化。     

New research trends on high-precision time transfer technology

High-precision time transfer plays an important role in the areas of fundamental research and applications. Accompanying w ith the remarkable improvements in the ability of generating and measuring high-accuracy time-frequency signal,seeking for new time-transfer techniques betw een distant clocks w ith much further improved accuracy attracts attentions w orld-w idely. The time-transfer technique based on optical pulses has the highest precision presently,and the further improvement in the accuracy is heavily dependent on the time-domain properties of the pulse as w ell as the sensitivity of the applied measurement on the exchanged pulse. The application of optical frequency comb in time transfer for a precision up to femtosecond level are currently the focus of much interest,and has recently achieved many breakthroughs. Further investigations show that,utilizing quantum techniques,i.e. quantum measurement technique and quantum optical pulse source,can lead to a new limit on the measured timing information. Furthermore,it can be immune from atmospheric parameters,such as pressure,temperature,humidity and so on.Such quantum improvements on time-transfer have a bright prospect in the future applications requiring extremely high-accuracy timing and ranging. The potential achievements w ill form a technical basis for the future realization of sub-femtosecond time transfer system.     

一种反射式光纤传感器的研究

为了解决传统的单端输出Y型分支结构的反射式光纤传感器易受入射光强变化、被测表面形貌不同等因素影响的问题,作者研制了一种具有两个输出端的新结构光纤传感器,并对该光纤传感器在精加工表面上的光反射特性进行了理论分析和实验研究。研究结果表明,光纤测头两输出信号之比与测量距离的变化有较好的线性关系,并能显著减少光源发光强度波动及被测表面粗糙度对位移测量结果的影响,从而有利于提高抗干扰能力和测量精度。因此,这是一种性能比较优越的非接触式微位移传感器。     

NOVEL FIBER GRATING SENSOR DEMODULATION TECHNIQUE BASED ON OPTICAL WAVELET FILTERING

The optical wavelet filter is designed. It can filter and choose frequency swiftly. It can realize demodulation of distributed fiber Bragg grating(FBG) measurement system. Its scanning resolution and scanning period depend on wavelet function. Wavelet function is controlled by computer. Compared to conventional scan filter, optical wavelet filtering has some advantages such as simple structure, high scan frequency, high resolution and good linearity. At last, the error of optical wavelet filter scanning procedure is analyzed. Scanning step length refers to the shifting of optical wavelet window's central frequency. It affects system precision directly. If scanning step length is different, the measured signal is different. The methods of reducing step length guarantee scanning periodic time are presented.     

基于光辐射压力的激光功率测量技术

随着激光应用领域的快速拓展,超高峰值功率、超窄脉宽逐渐成为未来激光行业的重点研究方向之一,这种激光的超高电场能量给高精度的激光功率测量提出了挑战。传统的激光功率测量方法,如光电法、热释电法、量热法等逐渐显露出不适用于上述激光功率测量的缺点,此外上述方法都难以实现实时、在线测量。为了克服以上困难,需要一种新型激光功率测量原理与方法。以美国国家标准与技术研究院为代表的机构提出了一种光辐射压力测量法,该方法使激光作用在高反射率的反射镜上,激光动量形成了光辐射压力,这个力可以采用多种力学传感方式进行计量。该方法不但能实现激光功率快速、准确测量,而且不影响激光能量传输,可以实现实时、在线的激光功率测量。系统回顾了国内外通过光辐射压力测量激光功率的基本原理和系统组成,光辐射压力测量激光功率的研究现状,并对该方法的发展方向进行了展望。     

A New Method of Non-Contact Measurement for Microtopography in Semiconductor Wafer Implementing a New Optical Probe Based on the Precision Defocus Measurement

In this paper, a new method of non-contact measurement has been developed for 3D topography for a semiconductor wafer, implementing a new optical probe based on precision defocus measurement. The developed technique consists of the new optical probe, precision stages, and the measurement/control system. The basic principle of the technique is to use the reflected slit beam from the specimen surface to measure the deviation of the specimen surface. The defocusing distance can be measured by the reflected slit beam, where the defocused image is measured by the proposed optical probe, giving very high resolution. A distance measuring formula has been proposed for the developed probe, using the laws of geometric optics. A precision calibration technique has been applied, giving about 10 nm resolution and 72 nm four-sigma uncertainty. In order to quantitise the micro pattern on the specimen surface, some efficient analysis algorithms have been developed to analyse the 3D topography pattern and some parameters of the surface. The developed system has been successfully applied to measure the wafer surface, demonstrating the line scanning feature and the excellent 3D measurement capability.     

基于ART的光学过程层析成像扇束图像重建

光学过程层析成像是近几年发展起来的一种新型的光学测量技术，它源于医学CT的基本理论和方法，可认为是医学CT技术在工业过程监测领域的自然延伸和发展。然而，由于过程层析成像的被测对象为快速变化的工业过程，因此，其投影数据的数量比医学CT少得多，而实时性则要求更高。利用一种扇束扫描制式的光学传感器有利于提高光学过程层析成像的空间分辨率及测量精度，但在这种扫描制式下，引用医学CT的常见图像重建算法(如数据重排方法、反投影法和滤波反投影法等)却不适用或难以胜任工业检测的要求。为此提出了一种代数重建技术来提高光学过程层析成像的测量精度和速度。该算法不仅适用于少数投影数据的情况，也能使求解过程遍历几乎所有的图像像元，因此成像效果好和实时性较高，具有工程应用价值。