激光共焦干涉面形快速高精度自动测量

针对传统球面面形干涉测量中手动调整被测件姿态精度低、速度慢的问题,提出了激光共焦干涉面形快速高精度自动测量方法。该方法通过共焦精密定焦技术实现了对被测件共焦位置的高精度轴向定位;通过五维自动调整架对被测件进行姿态调整,实现了被测件的高精度横向定位;通过Zernike拟合对被测件进行精调以减小离焦误差和倾斜误差,实现了对干涉面形的零条纹调整。最终实现了激光共焦干涉面形自动测量。构建了激光共焦干涉面形测量系统,实验表明:该方法的面形测量结果与Zygo干涉仪的测量结果相差0.000 6λ,重复测量精度可达0.001 9λ,平均单次干涉面形测量时间为16.5 s,与手动调整至零条纹相比测量效率提高了1.56倍。该方法为干涉面形的快速高精度测量提供了一种有效的手段。

可调谐超快激光贝塞尔光束加工方法研究

为了实现高效率和加工精度可灵活调节的超快激光微器件加工,提出了一种基于可调谐贝塞尔光束的超快激光加工方法。该方法通过调节可对初级贝塞尔光束压缩的双远心光学系统压缩比,实现了超快激光贝塞尔光束的中心主瓣半径和最大无衍射传输距离的灵活调节,其中不同压缩比的双远心光学系统通过闭环反馈控制的高分辨位移音圈致动器控制实现。理论分析和实验测试证实,在锥透镜(底角2°)和双远心光学系统(f_(1)=250 mm,f_(2)=36、18、9 mm)配合下,超快激光贝塞尔光束的中心主瓣半径和最大无衍射传输距离分别为3.73μm和5.28 mm,1.86μm和1.32 mm,0.93μm和0.33 mm。同时,设计了一套贝塞尔光束检测系统,可以实现对上述设计的可调谐贝塞尔光束的精确测量。最后对厚度为1 mm的熔融石英样品进行了打孔实验,实验结果表明熔融石英上的表面微孔直径与设计的贝塞尔光束的中心主瓣直径相符。该研究内容为实现高精密高效超快激光加工提供了一种新方法,具备工程化价值。

激光共焦显微光束的偏转扫描

为了提高激光共聚焦系统的扫描速度,本文提出一种逐场扫描的场同步扫描方法。构建了激光共焦显微系统,将美国THORLABS公司的GVS002型二维检流计振镜应用于该系统,根据光学系统参数以及扫描范围要求计算振镜的整场扫描波形。借助NI公司的PCIe6353多功能数据采集卡,输出行同步的扫描波形,同时,对共焦显微系统共焦位置上针孔处的光强信号进行采集,先后扫描一幅256×256和512×512的图像,记录扫描图像和成像时间;然后,在相同的硬件结构下,以场同步的方式输出扫描波形,记录扫描图像和成像时间。实验结果表明:场同步方式扫描256×256图像的速度可提高10倍,扫描512×512图像的速度可提高5倍,且满足共焦显微成像的清晰、抗干扰能力强等要求。与行同步扫描方法相比,场同步扫描方法可以消除行与行之间转换的停留时间,在不改变硬件的情况下大幅提高扫描速度。

被测件随机移相干涉面形测量方法

针对光学元件的面形测量,提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法,用于降低移相干涉仪的成本,避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图;然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布;最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性,在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统,并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试,同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明:在激光光源波长λ为632.8nm的情况下,凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ,和0.002λ;平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ,面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差,降低了仪器成本,测量精度高。

改善调幅式传感器测量电路精度的措施

在分析影响调幅式传感器测量电路精度因素的基础上 ,提出利用数字合成技术、自稳幅技术、数字式相敏检波技术、数字集合平均技术等措施 ,来改善调幅式传感器测量电路的检测精度。实验表明利用该技术 。

基于两步法超精密圆度仪误差分离系统

基于两步法误差分离原理的圆度仪误差分离系统 ,克服了传统的“多步法”分离过程中存在的“谐波抑制问题”,缩短了分离时间 ,有效地抑制了分离过程中引入的测量噪声及系统漂移的影响。该装置不仅可以使圆度仪主轴回转误差从被测工件测量结果中可靠分离 ,而且整个测量过程实现了全自动无人操作 。

超精圆度仪全自动误差分离装置的研制

介绍作者研制的用于提高圆度仪测量精度的全自动误差分离装置。该装置不仅可以使圆度仪主轴回转误差从被测工件测量结果中可靠分离 ,而且整个测量过程实现了全自动无人操作 。

高精度七米激光测长机的误差补偿技术

简要介绍了笔者研制的大型计量测试仪器—“高精度七米激光测长机及其计量管理系统”的工作原理,详细地介绍了其测量过程中采用的误差补偿技术并进行实验验证。

关于鱼的生长方程的研究──Ⅰ.鱼的生长方程的修正

指出vonBertalanffy生长公式的局限性在于公式导出时所用假设“鱼的体重增加量同体重的2／3次方成比例，减少量同体重成比例”的根据不充分；其不足之处在于解方程时将变量l误为鱼的体长。本文作了更为一般的假设，即鱼的体重增加量同体重的P次方成比例；减少量同体重的q次方成比例。进而通过严格的数学推导，得出鱼的更为一般的生长方程w=w∞[1-e－k(s-s0)]r，使vonBertalanffy生长公式是该方程的特殊情形．

关于鱼的生长方程的研究──Ⅱ.估计参数的一种新方法

目前描述鱼的体重生长的方程主要有（1）和作者对该方程推广而导出的方程（2），本文对基于这两个方程的4种参数估计法，指出了其不足Z处，并提出了一种估计参数的新方法——搜寻逼近法。该方法比前4种方法具有更好的拟会化度，通过实例计算得到进一步的证实。此外，还对鱼的样本资料的处理作了论述。这对更好的掌握鱼的生长规律、进而合理利用和开发渔业资源具有重要意义。

球体轮廓及半径非接触超精密测量方法研究

提出一种基于斐索干涉原理及子孔径拼接技术基础上的获取球体表面完整轮廓测量信息的非接触超精密测量的新方法，即利用激光球面干涉系统拾取球形工件在不同转位上的部分轮廓子孔径相关干涉测量信息，后经多孔径拼接及图像处理来获得球形工件完整轮廓的测量信息．该方法除可用于球形工件完整轮廓测量信息外，还可用于球形工件曲率半径的超精密非接触测量．还给出了测量系统中采用的消除阿贝误差和闲区误差的光路布局，并就受环境影响引起的状态差异误差进行了补偿抑制．实验表明：对状态差异误差、闲区误差和阿贝误差获得了较明显的抑制效果．

高准确度、高稳定性、宽范围回转体自动定心系统的研究

本文介绍了利用新型微位移驱动器、位移传感器、X—Y弹性工作台等组成的定心系统。该系统利用传感器测得的信号,通过模型处理可同时获得x、y两方向的偏移分量进行偏心调整。准确度分析和实验表明:在200×200μm的调整范围内,该系统驱动分辨力优于0.022μm,定心准确度优于0.05μm,定心稳定性优于0.

具有高空间分辨力的双极性绝对式差动共焦检测方法

提出一种用于超精密三维微细结构测量的横向光学超分辨、轴向纳米级分辨的绝对式高空间分辨力共焦检测方法,该方法利用超分辨光瞳滤波技术最大程度地改善共焦显微系统的横向分辨力,利用探测器轴向偏置的双探测共焦光路布置和双探测信号归一化差动接受最大程度地改善共焦显微系统的轴向分辨力,最终实现共焦检测系统的高空间分辨力双极性绝对测量。文中以整形环形光横向超分辨为例,初步验证了提出的高空间分辨力差动共焦扫描检测方法的有效性。实验表明:当入射激光束波长λ=632.8 nm,测量物镜数值孔径取NA=0.85,ε=0.5,μM=6.95时,整形环形光瞳式差动共焦传感器的横向分辨力优于0.2μm,轴向分辨力优于2 nm。

激光共焦透镜曲率半径测量系统

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位,并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值,从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量,并实现信号采集和数据处理。实验表明,利用该系统测量透镜的曲率半径时,测量重复性优于2μm,满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量。该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高。实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求。

激光差动共焦透镜中心厚度测量系统的研制

基于高精度光学共焦定位技术研制了一种全新的非接触透镜中心厚度测量系统,该系统利用差动共焦技术的高轴向层析特性和轴向响应曲线的绝对零点对被测透镜的前表面顶点和后表面顶点分别进行精密瞄准定位;同时,利用激光干涉仪获得透镜前、后表面顶点的位置坐标;然后通过光线追迹算法计算透镜中心厚度,进而实现了透镜中心厚度的高精度非接触测量。实验结果表明,该系统测量精度高,测量标准差小于1μm,满足透镜中心厚度测量的精度要求。

圆柱度仪测量基准的误差分离技术

针对大尺寸试件的圆柱度误差的超精测量时仪器的测量基准的误差分离问题，提出了一种可分离出基准间的平行度误差以及直行基准的直线度误差的方法，即反向法误差分离技术。利用该方法建立的两截面及多截面误差分离模型已用于重要试件圆柱度误差的超精测量中，误差分离结果的不确定度为０．２２μｍ。

高频角振动激励源设计及关键技术

针对现有力矩电机驱动角振动激励源频率难以超过100 Hz、波形失真大、不能满足宽频高精度角振动校准需求的现状,提出采用框式结构电磁驱动方法,显著降低驱动线圈电感以实现驱动力快速响应,并采用精密轻质空心杯空气轴承实现轴系定位,以克服摩擦力、提高回转定位精度,结合有限元分析仿真,将空气轴承转子与励磁线圈骨架进行整体优化设计,使轴系固有频率提升至2800 Hz以上。新的角振动激励装置的测试结果表明,工作频率范围达到600 Hz,角加速度波形失真度小于2%,可实现1 kg承载和1760 rad/s2最大角加速度,超出德国PTB角振动标准给出的50g承载和1400 rad/s2最大角加速度的技术指标,可更广泛用于高精度角振动校准及角运动传感器的动态性能评价。

基于热电偶的精密环境温场测量的关键问题研究

分析了热电偶温度测量不确定度、温场稳定度测量不确定度和温场均匀度测量不确定度,为精密环境的温场参数测量和控制提供理论保障.分析表明,热电偶测温不确定度与热电偶热电动势、参考端温度传感器的测量不确定度密切相关;温场均匀度测量不确定度与热电偶热电动势的测量不确定度密切相关;温场稳定度测量不确定度与热电偶热电动势和温差拟合函数的关系密切,在一次线性拟合的条件下取决于拟合函数的斜率.针对测量过程中存在的脉冲噪声和热电偶非线性的干扰,结合精密环境温度信号变化缓慢的特点,提出综合运用均值滤波和中值滤波处理热电偶热电动势测量数据去除测量中脉动噪声和热电偶非线性对测量结果的影响.

高分辨力分光瞳差动共聚焦传感技术研究

为了提高现有共聚焦传感技术的轴向分辨力、实现微观形貌的高精度测量,在提出分光瞳差动共聚焦传感技术的基础上,对其关键参数优化理论进行了进一步研究,并研制了一种具有最优参数的分光瞳差动共聚焦显微传感器,其融合了分光瞳差动共聚焦显微技术和基于可编辑探测器件的虚拟针孔技术,利用探测区域偏移可使分光瞳共聚焦显微技术轴向特性曲线产生相移这一特性,沿特定方向在探测面上对称设置两个虚拟针孔,通过探测它们的强度响应并进行差动处理实现高轴向分辨力、高定位精度测量。对所研制的传感器进行了轴向响应特性及传感器非线性验证,给出了其轴向相对位移测量公式,还利用所研传感器对实际的高度标准样品进行了测量,经实验验证,所研传感器轴向分辨力可达5 nm,横向分辨力为0.82μm,为微细结构三维表面的高精度测量提供了一种新的传感技术及系统。