迭代最小二乘法用于非线性移相器的标定

针对移相干涉仪中移相器的非线性会影响测量结果准确性的问题,提出了一种基于迭代最小二乘拟合的标定干涉仪移相器的新方法。对移相器加电压并采集若干幅干涉图后,通过在帧间和帧内迭代开展最小二乘拟合可计算出干涉图间移相值,从而得出了电压值与移相值的对应关系曲线,通过对曲线作非线性拟合并对电压值进行精密调整,完成移相器的精确标定。在改造后的干涉仪上对此标定方法进行验证,与Zygo干涉仪相比,相同元件下两者测量结果之差的RMS值为1.726 nm。该标定方法可以降低高精度面形测量干涉仪对移相器线性度的要求。     

干涉仪移相器相位移π/2标定方法的研究

干涉仪移相器的相位标定在很大程度上决定了移相干涉仪的测量精度。本文是用傅里叶变换的原理,测量出推动移相器移动的压电陶瓷堆(PZT)的微位移量,并在此基础上提出了一种用空域滤波法得到干涉因光强分布,并判断其移相误差从而校正移相器步进π/2的方法。本文组建了一套数字平面干涉仪,对干涉仪移相器进行实验,在5步法情况下其移相误差在0.5%以下。     

移相干涉测量术及其应用

为了对移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用有全面了解，介绍了移相干涉术的基本原理。结合激光数字波面干涉仪，阐述移相干涉术的四步重叠平均算法、压电晶体移相器(PZT)的结构、3 PZT的组合方法、移相器的标定误差和非线性误差的校正方法、波面相位解包的自适应种子算法、波面相位的评价指标等内容。结合移相数字波面干涉仪，叙述了移相干涉测量技术在普通光学元件、红外光学元件、大口径光学元件、非球面光学元件等测量中的应用并指出了应用过程中的注意事项。最后明确指出光干涉技术正沿着高相位分辨率、高空间分辨率、宽波段和瞬态高速测量的方向发展，并将会在瞬态波前测量、微机械的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用。     

自适应压电式移相器的研究

移相器是移相干涉仪中的重要部件,压电式移相器由于分辨力高、响应快、控制容易而被大量采用。但压电陶瓷的非线性误差与位移量小,一直影响其应用范围的扩大。针对该问题,从压电式移相器机构与扩展方法入手,设计了具有放大特性的柔性铰链式移相器。采用单神经元(Proportional sum derivative,PSD)控制算法,实现微驱动定位的自适应实时控制,改善了非线性,降低了环境干扰的影响,提高了压电式移相器的性能。所设计的压电式移相器用3组压电陶瓷堆驱动,可用于100 mm孔径镜片,位移行程达30μm以上。实验验证该方法有效,控制精度达0.01μm。     

压电瞬态响应在换能器声功率测量中的应用

探索一种简便的聚焦超声功率测量方法,利用压电陶瓷片直接接收超声信号,通过机电类比得到压电瞬态响应由压电片在声波作用力下引起受迫振动产生的电压响应与固有振动产生的高频衰减响应叠加而成,分析输出压电信号与换能器声功率之间的换算关系。对输出压电信号进行二次包络提取,获得表征声功率变化的电压幅度曲线,分别找出不同换能器驱动电压下包络曲线的最大峰值电压,将其平方值与声功率计所测声功率进行线性拟合,并对理论关系式中的比例系数进行标定。实验结果所得线性拟合度较高,且标定后所得声功率与声功率计所测值相对误差低于8.7%,证明了通过压电瞬态响应测量换能器声功率具有可行性。      

移相干涉术的新方法—声光变频移相法

提出了一种变频移相的方法，并用声光器件作为变频移相器件进行了移相干涉实验，这种方法可以完成压电陶瓷移相方法无法实现的一些移相干涉测量。     

由三个压电陶瓷堆组成的干涉仪移相器的校正与标定

根据傅里叶变换原理 ,提出了一种对由三个压电陶瓷堆 (PZT)组成的干涉仪移相器进行非线性及平行性校正与标定的方法。在对各个压电陶瓷堆进行非线性校正的基础上 ,利用干涉图像自动分析系统 ,综合分析各个压电陶瓷堆之间的牵制作用 ,从而得到对整体干涉仪移相器平行性校正的补偿依据。组建了一套卧式数字平面干涉仪 ,在干涉仪移相器承重 6kg的情况下进行实验 ,非线性误差由 12 %校正至 0 3 %。由于干涉仪相移器承重而引起的移相过程中的条纹旋转降至 2° ,条纹间距变化小于 2 %。     

基于虚拟仪器的压电陶瓷驱动技术研究

针对压电陶瓷驱动器的非线性应变,以压电陶瓷微位移驱动原理为基础,分析了扫频激光器腔长控制原理;在硬件时钟的定时下,分析了压电陶瓷的驱动特性,并通过调整驱动信号的步长电压来调节压电陶瓷的非线性。设计了基于虚拟仪器的控制系统,并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明,该测量系统可以使压电陶瓷在其伸长范围内线性地伸长。     

压电陶瓷压电特性的激光调制法测量研究

介绍可测量压电陶瓷压电特性的激光干涉调制测量方法.采用相干检测原理对信号进行提取,不仅可以抑制噪声对干涉信号的影响,而且还可以大大降低光电探测器和电路的1/f噪声.与通常干涉仪测量方法相比,这种方法具有测量灵敏度高等优点.利用该方法对压电陶瓷压电特性进行了测量,讨论了激励电压信号的频率、幅度对压电陶瓷压电常数d₃₁的影响,并对其压电迟滞曲线进行了测量.     

移相器微位移旋转误差的分析及测试

以压电陶瓷(PZT)微位移器为主要研究对象, 引入一种处理静态干涉图的新方法--虚光栅移相叠栅条纹法,设计实验对一台实际使用的移相器微位移旋转误差进行测试研究,对其引起的波面旋转情况进行了定量的计算分析,并给出测试结果.用虚光栅移相叠栅条纹法处理实验中加有载频的干涉图时,不需要使用任何移相器件,可以进行动态位相的检测,整个移相过程用计算机进行控制,避免了引入额外的移相误差.     

菲索干涉仪中精确移相的实现

为了实现移相式菲索干涉仪对光学元件面形的高精度测量,建立了干涉仪同步采集移相系统,并对精确移相方法进行了研究。介绍了移相系统的构成和工作原理,计算了测量过程中移相器的速度。针对PZT移相器在移相过程中会引入离焦误差,并存在加速段和减速段的问题,详细设计了移相器的行进过程。最后,对移相器的性能进行了标定。在改造后的干涉仪上开展了重复性验证实验,结果表明：干涉仪可以获得λ/11 340的RMS测量重复性。对改造后干涉仪与Zygo公司生产的Verifire XP/D干涉仪的测量精度做了比对实验,结果显示：相同元件下两者测量结果的面形RMS之差约为0.9 nm,表明提出的移相系统及移相方法在重复性和准确度方面都能满足纳米级面形测量的要求,为研制高精度移相干涉仪奠定了基础。     

基于动态全息的面内微振动测量系统

为了实时测量高频、微小面内振动,利用硅酸铋（BSO）晶体的光折变特性搭建了基于动态全息的面内微振动测量系统。通过粗糙表面的散射信号光携带面内振动信息,与参考光在晶体内干涉形成动态全息并实时衍射,参考光的衍射光和信号光的透射光之间形成新的干涉,通过光电探测器对干涉信号进行解时域或频域的探测,即可得到振动信息。以剪切式压电陶瓷驱动的散射片为被测物,实验测量了0.5～240 kHz的亚微米量级的面内振动。     

低压微位移驱动电路及控制方法

讨论了低压微位移驱动电路及控制方法在光电轮廓仪上的运用。采用低压驱动电路驱动压电陶瓷相移器对参考光束进行相移，从而使仪器质量减轻、体积缩小、成本降低。在运用该电路时，为了解决压电陶瓷低电压区非线性误差大的问题，用PC计算机控制压电陶瓷上所加电压的电压值，由摄像头摄取图像并计算出干涉条纹的间隔，然后由PC计算机修改压电陶瓷上所加的电压值，直至干涉条纹相位差达到要求值。该方法的优点是：可消除压电陶瓷低压区的非线性误差，使得开环电路得到闭环的效果；可降低机械零部件的装配难度。     

消除移相干涉测量中线性移相误差的五帧算法

在移相干涉测量中存在着移相器的移相误差,这对测量结果的精度有很大的影响。提出了消除移相器线性误差的五帧算法,使用该算法对五帧干涉图像进行处理。使用MATLAB软件针对移相干涉测量过程进行了模拟仿真。仿真结果表明,该算法在相位提取过程中可以消除移相器的线性误差因子,并对于常见的高斯噪声影响不敏感,从而提高了表面形貌测量精度。     

基于椭圆芯保偏光纤模间干涉的光学电压互感器

设计了一种基于椭圆芯保偏光纤模间干涉的光纤电压互感器,能对温度等环境干扰信号进行自动温度补偿.用缠绕了椭圆芯保偏光纤的石英晶体作为电压传感头,在被测高压电场的作用下,保偏光纤的长度因石英晶体的逆压电效应形变而受到调制,进而改变模间干涉输出两个边瓣的光强分布,对两个干涉输出边瓣进行探测实现高电压的测量.在地面低压端用一个缠绕了保偏光纤的压电陶瓷(PZT)实现模间静态相位差的实时调整,以补偿环境温度变化带来的静态工作点漂移.实验结果表明,高压电压互感器在额定电压附近能获得0.5%的测量精度,在被测电压超过10 kV时具有很好的线性度.     

利用劳埃镜干涉测量压电陶瓷的压电系数

利用劳埃镜干涉测量了压电陶瓷的横向压电系数d31,将平面反射镜安装在压电陶瓷的一端,当压电陶瓷在外加横向电场的作用下产生微米量级的纵向形变时,劳埃镜干涉条纹间距将发生相应的变化,从而放大了压电陶瓷的微小形变.通过相机采集干涉条纹的位置与条纹间距的相关信息,并运用Matlab程序对其进行分析,得到压电陶瓷在不同驱动电压下对应的形变量,计算出该材料的压电系数.     

基于掺铒光纤中动态粒子数光栅的振动检测

根据动态粒子数光栅形成机理,设计了一种线性双波混频结构的光纤系统。系统中,1490nm波长分布式反馈(DFB)激光器光源发出的连续激光,通过环形器进入一根3m长掺铒光纤作为注入光,被与掺铒光纤另一端光学耦合的压电振动镜反射后形成反射光。掺铒光纤中注入光与后向传播的反射光干涉形成驻波场,通过空间烧孔效应沿光纤纵向形成动态粒子数光栅。压电振动镜对反射光波进行相位调制时,环形器反射端口输出的双波混频(TWM)信号可视作输出光波的强度调制。实验中通过此双波混频系统对压电换能器产生的机械振动进行检测,结果表明:光纤双波混频检测系统具有良好的动态响应特性,能够测量50Hz~10kHz的振动信号,采集到的输出信号频率与压电驱动信号频率很好地吻合。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

基于二维傅里叶变换的单帧干涉图相位提取方法

针对大口径光学元件干涉测试过程中,测试装置和干涉腔长较大,气流扰动和环境振动对移相测试过程产生影响等问题,采用一种基于二维傅里叶变换的单帧干涉图处理方法,只需要对一幅空间载频干涉条纹图进行处理即可获得待测相位,具有抗振测试的优点。对该方法的基本原理和算法过程进行分析,并对近红外大口径移相平面干涉仪中600 mm口径的光学平晶进行了面形测试。实验结果表明:采用该方法所得波面峰谷值(PV)为0.112,波面均方根值(RMS)为0.014,与移相算法所得波面数据相比,波面峰谷值偏差不到(1/500);波面均方根值(RMS) 偏差几乎为零。