基于涡旋光相移干涉的物体表面形貌测量研究
发布时间：2021-11-09 19:24
涡旋光是一种具有螺旋相位波前和中心相位奇点的特殊光场,由于其相位的特殊性,涡旋光的光强呈中心为暗核的圆环形分布。随着涡旋光在自由光通信、通信编码、光学捕获、光学操纵等领域的快速发展,利用涡旋光的相位特性开展精密测量的研究也日益增加。随着高精度零部件在机器制造业广泛应用,对物体表面形貌高精度测量的技术需求也与日俱增。基于涡旋光独特的相位性质,采用涡旋光与相移干涉测量相结合的方法在高精度物体表面形貌测量领域具有应用前景。本文在研究涡旋光各种特性的基础上,基于涡旋光相移干涉技术进行了物体表面形貌测量的研究。基于涡旋光与平面波干涉理论,本论文设计了涡旋光作为参考光、平面波作为测量光的物体表面形貌测量实验方案。本方案中利用反射式纯相位液晶空间光调制器来产生涡旋光,并通过对液晶空间光调制器加载图像实现涡旋光的数字化操控。通过采集涡旋光与平面波的干涉图像,结合相移干涉原理和解包裹算法来获得测量物体的表面形貌信息。本论文先利用光学软件VirtualLab Fusion对设计的方案进行了仿真分析,其中的涡旋光和表面形貌均由液晶空间光调制器编码产生,经过对比仿真结果和预设形貌,验证了设计方案的可行性。最后...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
同步获取两幅π/2相移干涉图样的移相干涉光路[67]
中北大学学位论文9基于压电陶瓷的移相干涉技术将压电陶瓷引入干涉测量系统，利用压电陶瓷的压电效应，可以使得与压电陶瓷相连的反射镜产生伸缩，从而参考光路与测量光路的相位差规律变化。为如图1-2所示天津大学的吕晓旭等人设计的基于压电陶瓷移相器的迈克尔逊干涉仪。He-Ne激光（632.8nm）在准直后，在经分光棱镜BS1分成两路光。一路光照射在反射镜M2后反射后到达分光棱镜BS3，透射分光棱镜BS3后入射毛玻璃屏GG，另一路光经分光棱镜BS2反射到与压电陶瓷移相器相连的反射镜M1上，经反射镜M1反射后到达分光棱镜BS3，再经分光棱镜BS3反射后到达毛玻璃屏GG。两路光在毛玻璃屏GG表面相交发生干涉形成干涉条纹。分光棱镜BS4、BS5和BS6组成监控光路单元，在光电二极管PD判断下监测相移过程。压电陶瓷在电压作用下能够快速移动，实现纳米量级微位移。图1-2基于压电陶瓷移相器的马赫泽德干涉技术[68]Figure1-2Machzedeinterferencetechnologybasedonpiezoelectricceramicphaseshifting[68]研究发现基于压电陶瓷的相移技术具有很多优点，高分辨率的位移、输出力大、相应速度迅速以及不发热和位移重复性高等[69]。压电陶瓷移相器设计工艺过程简单，成本要求相对较低，而且压电晶体的伸缩特性，能与压电陶瓷移相器相连的镜面的移动位移精度达到几个纳米，实现高精度控制，且操作方式简单，在一定程度上能够降低测量环境中振动的干扰。但其也存在一定的缺点，压电陶瓷具有迟滞现象，由于其升压与降压曲线之间存在位移差，这会造成难以成成位移量与电压的线性关系，导致测量结果存在误差。压电陶瓷具有蠕变现象，在控制压电陶瓷的电压在一段时间内保持稳定时，其改变的位移在一定值会随着时间而缓慢变化，对于要求精度很高的测量误差会很大。另外，
中北大学学位论文10外界环境如温度的变化都会使压电陶瓷的输出位移产生影响。这些因素都是基于压电陶瓷移相干涉技术误差产生的来源。对压电陶瓷相移器进行标定可以在一定程度上消除测量过程中的系统误差，或者使用反馈系统来矫正测量过程在压电陶瓷的位移输出以保证相移的精度[70]。光栅移相干涉技术光栅相移干涉技术是通过在干涉光路中加入衍射元件实现相移的方法。常用的衍射相移器件有衍射光栅和声光调制器等[71]。如图1-3所示为Cole.G.C等人在1997年提出了一种基于声光调制（AcousticOpticalModulator，AOM）的反馈式移相干涉仪。声光调制器作为一种衍射光栅，是光栅相移技术中典型的相移器件，同时使用声光调制器件可以用于补偿振动误差。文章中通过使用高速度的光电二极管用于判别干涉时由于振动产生的误差信号，利用DSP处理后实现声光调制器实时补偿。声光调制器作为相移器件的相移方法能够对环境振动实时监控，并且可以快速响应补偿振动产生的误差。同样，该相移技术也存在其缺点，虽然在一定程度上声光调制器对误差有所补偿，但是通过这种相位补偿的方式会是干涉条纹的对比度下降，声光调制的拉曼奈斯衍射效应将导致光场的频率和光强产生变化。因此，这是这种相干涉方法中今后需要中内光电解决的问题。图1-3基于声光调制的反馈式移相干涉仪[72]Figure1-3Feedbackphase-shiftinginterferometerbasedonacousto-opticmodulation[72]空间光调制器移相技术空间光调制器是一种衍射元器件，利用外加电压控制液晶分子的指向方向，从而实
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于干涉条纹相关性测量PZT相移特性的方法[J]. 赵英明,杨若夫,杨春平,马小莉,程马兵. 压电与声光. 2016(03)
[2]涡旋光束拓扑荷值的干涉测量方法[J]. 周洋,李新忠,王静鸽,王辉,李贺贺. 河南科技大学学报(自然科学版). 2016(03)
[3]二维方向小波构造的新型散斑相位奇异法测量面内微位移[J]. 高毓羚,潘广贞. 中国激光. 2015(11)
[4]迈克尔逊干涉仪对压电陶瓷动态特性的研究[J]. 孙宝光,谭仁兵,张启义. 压电与声光. 2015(05)
[5]光学涡旋应用于微测量的研究进展[J]. 孙海滨,刘婷婷,孙平. 激光杂志. 2015(06)
[6]同步移相干涉仪中的延迟阵列移相特性研究[J]. 郑东晖,陈磊,李博,李金鹏,乌兰图雅. 光学学报. 2015(04)
[7]利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束[J]. 郭帅凤,刘奎,孙恒信,张俊香,郜江瑞. 量子光学学报. 2015(01)
[8]基于液晶空间光调制器的同步移相共光路干涉技术[J]. 郝本功,钟志,刁鸣,单明广. 光电子.激光. 2013(06)
[9]分数阶双涡旋光束的实验研究[J]. 方桂娟,孙顺红,蒲继雄. 物理学报. 2012(06)
[10]用反射式纯相位液晶空间光调制器产生涡旋光束[J]. 薄斌,门克内木乐,赵建林,程明,杜娟,宁安琪. 光电子.激光. 2012(01)
博士论文
[1]基于几何位相的光学轨道角动量产生与调控研究[D]. 靳金金.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[2]涡旋光束的高效产生与检测[D]. 陈瑞山.中国科学技术大学 2018
[3]光学相移位相测量系统的设计研制与实验[D]. 吕晓旭.天津大学 2004
硕士论文
[1]单晶硅片超精密磨削表面形貌的测量和表征[D]. 葛琦.大连理工大学 2019
[2]基于结构光照明显微的多视角表面形貌测量方法研究[D]. 任斐斐.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2019
[3]基于白光干涉仪三维表面形貌研究[D]. 尹雄.武汉工程大学 2018
[4]正交移相干涉装置的设计研制与实验[D]. 赵英明.电子科技大学 2017
[5]涡旋光束产生及深聚焦中的奇点分裂现象研究[D]. 王慧.华侨大学 2016
[6]光轨道角动量模分复用技术在光通信中的应用[D]. 张基彪.电子科技大学 2016
[7]相移干涉术中相移非线性误差的分析及校正算法的研究[D]. 张涛.哈尔滨工程大学 2015
[8]涡旋光束的特性研究[D]. 陈志婷.燕山大学 2013
[9]液晶光调制器实现光波移相的实验研究[D]. 顾佳佳.辽宁师范大学 2013
[10]液晶空间光调制器在光学涡旋和共线全息中的应用研究[D]. 薄斌.内蒙古大学 2012
本文编号：3485929
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
同步获取两幅π/2相移干涉图样的移相干涉光路[67]
中北大学学位论文9基于压电陶瓷的移相干涉技术将压电陶瓷引入干涉测量系统，利用压电陶瓷的压电效应，可以使得与压电陶瓷相连的反射镜产生伸缩，从而参考光路与测量光路的相位差规律变化。为如图1-2所示天津大学的吕晓旭等人设计的基于压电陶瓷移相器的迈克尔逊干涉仪。He-Ne激光（632.8nm）在准直后，在经分光棱镜BS1分成两路光。一路光照射在反射镜M2后反射后到达分光棱镜BS3，透射分光棱镜BS3后入射毛玻璃屏GG，另一路光经分光棱镜BS2反射到与压电陶瓷移相器相连的反射镜M1上，经反射镜M1反射后到达分光棱镜BS3，再经分光棱镜BS3反射后到达毛玻璃屏GG。两路光在毛玻璃屏GG表面相交发生干涉形成干涉条纹。分光棱镜BS4、BS5和BS6组成监控光路单元，在光电二极管PD判断下监测相移过程。压电陶瓷在电压作用下能够快速移动，实现纳米量级微位移。图1-2基于压电陶瓷移相器的马赫泽德干涉技术[68]Figure1-2Machzedeinterferencetechnologybasedonpiezoelectricceramicphaseshifting[68]研究发现基于压电陶瓷的相移技术具有很多优点，高分辨率的位移、输出力大、相应速度迅速以及不发热和位移重复性高等[69]。压电陶瓷移相器设计工艺过程简单，成本要求相对较低，而且压电晶体的伸缩特性，能与压电陶瓷移相器相连的镜面的移动位移精度达到几个纳米，实现高精度控制，且操作方式简单，在一定程度上能够降低测量环境中振动的干扰。但其也存在一定的缺点，压电陶瓷具有迟滞现象，由于其升压与降压曲线之间存在位移差，这会造成难以成成位移量与电压的线性关系，导致测量结果存在误差。压电陶瓷具有蠕变现象，在控制压电陶瓷的电压在一段时间内保持稳定时，其改变的位移在一定值会随着时间而缓慢变化，对于要求精度很高的测量误差会很大。另外，
中北大学学位论文10外界环境如温度的变化都会使压电陶瓷的输出位移产生影响。这些因素都是基于压电陶瓷移相干涉技术误差产生的来源。对压电陶瓷相移器进行标定可以在一定程度上消除测量过程中的系统误差，或者使用反馈系统来矫正测量过程在压电陶瓷的位移输出以保证相移的精度[70]。光栅移相干涉技术光栅相移干涉技术是通过在干涉光路中加入衍射元件实现相移的方法。常用的衍射相移器件有衍射光栅和声光调制器等[71]。如图1-3所示为Cole.G.C等人在1997年提出了一种基于声光调制（AcousticOpticalModulator，AOM）的反馈式移相干涉仪。声光调制器作为一种衍射光栅，是光栅相移技术中典型的相移器件，同时使用声光调制器件可以用于补偿振动误差。文章中通过使用高速度的光电二极管用于判别干涉时由于振动产生的误差信号，利用DSP处理后实现声光调制器实时补偿。声光调制器作为相移器件的相移方法能够对环境振动实时监控，并且可以快速响应补偿振动产生的误差。同样，该相移技术也存在其缺点，虽然在一定程度上声光调制器对误差有所补偿，但是通过这种相位补偿的方式会是干涉条纹的对比度下降，声光调制的拉曼奈斯衍射效应将导致光场的频率和光强产生变化。因此，这是这种相干涉方法中今后需要中内光电解决的问题。图1-3基于声光调制的反馈式移相干涉仪[72]Figure1-3Feedbackphase-shiftinginterferometerbasedonacousto-opticmodulation[72]空间光调制器移相技术空间光调制器是一种衍射元器件，利用外加电压控制液晶分子的指向方向，从而实
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于干涉条纹相关性测量PZT相移特性的方法[J]. 赵英明,杨若夫,杨春平,马小莉,程马兵. 压电与声光. 2016(03)
[2]涡旋光束拓扑荷值的干涉测量方法[J]. 周洋,李新忠,王静鸽,王辉,李贺贺. 河南科技大学学报(自然科学版). 2016(03)
[3]二维方向小波构造的新型散斑相位奇异法测量面内微位移[J]. 高毓羚,潘广贞. 中国激光. 2015(11)
[4]迈克尔逊干涉仪对压电陶瓷动态特性的研究[J]. 孙宝光,谭仁兵,张启义. 压电与声光. 2015(05)
[5]光学涡旋应用于微测量的研究进展[J]. 孙海滨,刘婷婷,孙平. 激光杂志. 2015(06)
[6]同步移相干涉仪中的延迟阵列移相特性研究[J]. 郑东晖,陈磊,李博,李金鹏,乌兰图雅. 光学学报. 2015(04)
[7]利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束[J]. 郭帅凤,刘奎,孙恒信,张俊香,郜江瑞. 量子光学学报. 2015(01)
[8]基于液晶空间光调制器的同步移相共光路干涉技术[J]. 郝本功,钟志,刁鸣,单明广. 光电子.激光. 2013(06)
[9]分数阶双涡旋光束的实验研究[J]. 方桂娟,孙顺红,蒲继雄. 物理学报. 2012(06)
[10]用反射式纯相位液晶空间光调制器产生涡旋光束[J]. 薄斌,门克内木乐,赵建林,程明,杜娟,宁安琪. 光电子.激光. 2012(01)
博士论文
[1]基于几何位相的光学轨道角动量产生与调控研究[D]. 靳金金.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[2]涡旋光束的高效产生与检测[D]. 陈瑞山.中国科学技术大学 2018
[3]光学相移位相测量系统的设计研制与实验[D]. 吕晓旭.天津大学 2004
硕士论文
[1]单晶硅片超精密磨削表面形貌的测量和表征[D]. 葛琦.大连理工大学 2019
[2]基于结构光照明显微的多视角表面形貌测量方法研究[D]. 任斐斐.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2019
[3]基于白光干涉仪三维表面形貌研究[D]. 尹雄.武汉工程大学 2018
[4]正交移相干涉装置的设计研制与实验[D]. 赵英明.电子科技大学 2017
[5]涡旋光束产生及深聚焦中的奇点分裂现象研究[D]. 王慧.华侨大学 2016
[6]光轨道角动量模分复用技术在光通信中的应用[D]. 张基彪.电子科技大学 2016
[7]相移干涉术中相移非线性误差的分析及校正算法的研究[D]. 张涛.哈尔滨工程大学 2015
[8]涡旋光束的特性研究[D]. 陈志婷.燕山大学 2013
[9]液晶光调制器实现光波移相的实验研究[D]. 顾佳佳.辽宁师范大学 2013
[10]液晶空间光调制器在光学涡旋和共线全息中的应用研究[D]. 薄斌.内蒙古大学 2012
本文编号：3485929
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