正交移相干涉装置的设计研制与实验

发布时间：2020-11-02 00:49

　　 作为精密测量的重要方法,光学干涉测量广泛应用于物体表面粗糙度、透明物体调制波前相位以及光学零件加工检验等技术领域。移相干涉技术是将移相器引入到干涉光路,建立干涉测量中的相位移动控制。干涉光路易受环境振动的影响,抗振是干涉装置研制中需要考虑的因素。光路结构的轻量化和干涉数据处理也是研制过程中的要点。因此轻量抗振以及数据算法简单的移相干涉装置的研制具有重要意义。本文提出了正交移相共轭干涉技术,使用偏振光学中的琼斯矩阵推导了简单快速的相位恢复算法。研制了干涉装置样机,并对实验室的透明连续相位板和液晶衍射光栅进行实验数据测量与分析。论文的主要研究内容如下:(1)对于正交移相干涉装置,移相器精度与测量数据密切相关。移相器由高压驱动电源控制,因此要对移相器驱动电压和相移特性关系精确标定。使用了一维闭环压电陶瓷作为移相器,能够对振动和非线性误差反馈补偿,采用了两种测试标定方法。一种是使用四参数正弦拟合标定移相器电压相移特性的方法,一种是基于干涉图样明暗条纹相关性测量移相器电压相移特性的方法。两种方法对装置样机中的压电陶瓷移相器标定,使得移相干涉的相移可控。(2)正交移相干涉装置对激光光源的准直性要求较高。采用了光纤准直两级激光扩束镜压缩高斯光束发散角的方法,设计了光纤准直两级激光扩束镜的光学机械结构,并应用于研制的干涉装置中。干涉装置样机主要是光机结构组件,结构的频响特性决定了结构本身的抗振性能,结构设计中要考虑轻量化和小型化。对干涉装置中的偏振光学器件集成结构和共轭成像系统结构做模态分析,分析了关键结构的频响特征,优化了结构设计。(3)使用研制的正交移相干涉装置样机开展实验。实验分为两部分:先测量φ25.4mm连续相位板的透射波前相位,测量数据和商用干涉仪WYKO的数据对比。结果表明:相位板波前峰谷PV(peak to valley)值最大误差为0.052λ(λ=1064nm),均方根RMS(root means square)值最大误差为0.006λ。正交移相干涉装置测量结果和WYKO的数据吻合度较好。接着测量了电场下透射式液晶衍射光栅的调制相位分布,结果表明:调制相位分布PV值为0.942λ,二维波前调制相位分布与实验采集的远场衍射光斑光场分布一致。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH744.3
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 移相干涉技术研究国内外现状分析
        1.2.1 同步移相干涉技术
        1.2.2 声光调制移相干涉技术
        1.2.3 基于压电陶瓷的移相干涉技术
    1.3 本文的主要研究内容
第二章 正交移相干涉原理及相位恢复算法
    2.1 引言
    2.2 正交移相干涉原理
    2.3 正交移相干涉装置系统方案
    2.4 正交移相干涉相位恢复算法
    2.5 本章小结
第三章 一维闭环压电陶瓷移相器电压相移标定方法
    3.1 引言
    3.2 四参数正弦拟合标定移相器方法
        3.2.1 四参数正弦拟合算法
        3.2.2 四参数正弦拟合法实验标定
    3.3 干涉条纹相关性标定移相器方法
        3.3.1 干涉条纹图样相关匹配方法
        3.3.2 干涉图样归一化相关法实验标定
    3.4 本章小结
第四章 正交移相干涉装置关键部件光学设计及结构设计
    4.1 引言
    4.2 高斯光束准直原理
    4.3 激光扩束光学系统像差分析
    4.4 1064nm光纤准直激光扩束镜光学机械设计
        4.4.1 第一级光纤准直激光扩束镜光学设计
        4.4.2 第二级激光扩束镜光学设计
        4.4.3 两级激光扩束镜光学机械设计
    4.5 偏振光学元件集成及共轭光学系统结构设计
        4.5.1 偏振光学元件集成结构设计
        4.5.2 共轭光学系统结构设计
    4.6 正交移相干涉装置整体封装与样机
    4.7 本章小结
第五章 实验与分析
    5.1 引言
    5.2 离散余弦变换最小二乘法解包裹
    5.3 连续相位板波前相位检测实验
        5.3.1 连续相位板解包裹相位
        5.3.2 连续相位板相位检测对比实验
    5.4 液晶衍射光栅调制相位分布检测实验
        5.4.1 液晶衍射光栅调制相位分布
        5.4.2 液晶衍射光栅远场衍射光斑
    5.5 实验结果与分析
    5.6 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 工作展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 赵英明;杨若夫;杨春平;;正交移相干涉法测量液晶衍射光栅调制相位[J];中国科学院大学学报;2017年01期

2 赵英明;杨若夫;杨春平;马小莉;程马兵;;基于干涉条纹相关性测量PZT相移特性的方法[J];压电与声光;2016年03期

3 孙宝光;谭仁兵;张启义;;迈克尔逊干涉仪对压电陶瓷动态特性的研究[J];压电与声光;2015年05期

4 郑东晖;陈磊;李博;李金鹏;乌兰图雅;;同步移相干涉仪中的延迟阵列移相特性研究[J];光学学报;2015年04期

5 汪相如;谭庆贵;黄子强;孔令讲;杨若夫;幺周石;;液晶光学相控阵的双波束成形和2维扫描技术[J];激光技术;2013年05期

6 郑春艳;杨若夫;徐林;孔令讲;敖明武;杨平;黄子强;吴健;;液晶闪耀光栅波前相位测量方法[J];中国激光;2011年10期

7 葛宝臻;崔鹏;吕且妮;魏耀林;;基于离散余弦变换最小二乘法实现数字全息再现像的相位解包裹[J];中国石油大学学报(自然科学版);2008年06期

8 张翠玉;黄子强;;二元光学液晶闪耀光栅的特性分析[J];光学学报;2008年07期

9 李卓;邱慧娟;;基于相关系数的快速图像匹配研究[J];北京理工大学学报;2007年11期

10 王俐;卢亚雄;黄子强;邹杰宇;蔡宁;;电控平行排列液晶光栅的光衍射特性研究[J];现代显示;2006年12期

相关博士学位论文 前3条

1 郭仁慧;近红外大口径波长移相干涉仪关键技术及应用研究[D];南京理工大学;2013年

2 刘兆栋;φ600mm近红外相移斐索干涉仪校准及测试技术研究[D];南京理工大学;2011年

3 吕晓旭;光学相移位相测量系统的设计研制与实验[D];天津大学;2004年

相关硕士学位论文 前2条

1 朱波;移相式斐索中波红外干涉仪关键技术及应用研究[D];南京理工大学;2014年

2 黄根旺;斐索型移相式激光干涉仪研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

本文编号：2866342