1 大连理工大学 机械工程学院，辽宁大连6024
2 大连理工高邮研究院有限公司，江苏 高邮5600
为实时检测二维线性模组的运动误差，搭建了误差实时测量系统。该系统由四自由度运动误差测量模块、滚动角误差测量模块和线性光栅尺组成，实现单轴六自由度运动误差测量。基于齐次坐标转换矩阵（Homogeneous Transformation Matrix，HTM）原理构建二维模组的空间误差模型，对功能点的实际空间位置进行表示；完成测量系统标定实验，并基于阿贝-布莱恩原则处理实验数据完成比对实验。最终，测量系统的定位误差、直线度误差和角度误差测量精度分别达到±1.2 μm，±1.3 μm和±1''，并根据空间误差模型分析二维线性模组XZ平面对角线位置的测量误差。结果表明，使用二维线性模组空间误差模型求解后，XZ平面对角线位置的测量误差由68 μm降至13 μm，证明采用该系统进行线性模组误差测量是有效的；此外，因为加载状态下二维线性模组各位置的运动误差会改变，为验证测量系统能够实时测量出线性模组的空间误差变化，在Z轴滑块上加装质量为2 kg的标准砝码进行对照实验。结果显示，在使用二维线性模组空间误差模型求解后，XZ平面对角线位置的测量误差由56 μm降至14 μm。
误差测量系统 二维线性模组 空间误差模型 实时测量 error measurement system two-dimensional linear module spatial error model real-time measurement 光学 精密工程
2023, 31(21): 3111
基于条纹投影的光学三维测量方法被广泛应用于医疗诊断、工业检测等各行各业中。计算莫尔轮廓术因具有高精度, 实时测量能力, 且对物体表面反射率不敏感等优点在条纹投影测量轮廓术中占有重要地位。近些年来, 许多基于计算莫尔轮廓术的衍生方法被提出, 它们不仅实现了测量精度、测量速度的进一步提高, 同时也在增强测量不同物体的适应能力。概述了计算莫尔轮廓术基本理论及其衍生方法, 并分析了它们的特点, 明确了计算莫尔轮廓术的发展动态。
三维测量 条纹投影 计算莫尔轮廓术 实时测量 高精度 3D measurement fringe projection computer-generated Moiré profilometry real time measurement high precision
光学 精密工程
2023, 31(16): 2343
1 湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068
2 大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028
光学元件化学机械抛光（CMP）过程中元件与抛光垫之间接触压力分布是影响元件抛光去除效率和抛光效果的关键因素，但因元件、磨料、抛光垫之间的接触状态较复杂、且不停变化，难以通过仿真计算获得。为了研究确定性抛光去除机理，设计了一套CMP面压力分布在位实时检测装置，将薄膜压阻传感器阵列式布置于抛光垫下，对元件与抛光垫接触面的压力分布展开实时检测，并通过仿真分析抛光垫与元件表面接触压力分布理论模型，与实测结果进行对比。基于自主搭建的实验平台，模拟工况进行研磨实验，并使用基恩士CL-3000激光位移传感器测量抛光垫面形。实验结果表明：随着研磨时间增加，抛光垫面形逐渐平整并接近当前研磨条件下的极限，其标准差由0.2079 mm降低为0.1839 mm，使用压力分布检测装置测得区域压力值标准差第一阶段下降8.2%，第二阶段下降0.2%，工件与抛光垫接触面压力分布逐渐均匀，与抛光垫面形逐渐平整的趋势相对应，证明该装置可以有效检测抛光过程中的压力分布及实时变化。
化学机械抛光 接触面压力分布 薄膜压阻传感器 在位实时测量系统 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1512002
提出了一种基于单帧四灰阶条纹投影实时测量物体三维面形的新方法。该方法将四灰阶中非零三阶的不同灰度依次等宽循环排列以编码成一帧三灰阶条纹,将该三灰阶条纹投影到待测物体上,利用图像采集相机采集相应的四灰阶变形条纹,其中第四灰阶对应变形条纹图中的阴影区域。采用图像分割方法分别提取该四灰阶变形条纹中的三阶非零条纹,并通过二值化方法解调出三帧占空比为1/3且条纹相对错位1/3周期的二值化变形条纹。对上述二值化变形条纹进行基频提取后,通过傅里叶逆变换处理,可获得三帧相移量为2π/3的正弦条纹,最后利用相位测量轮廓术对物体三维面形进行恢复。实验验证了所提方法的可行性,所提方法刷新率快,且对投影仪伽马效应不敏感,在实时三维测量中具有广阔的应用前景。
测量 三维测量 相位测量 四灰阶条纹 二元光栅 单帧条纹 实时测量 光学学报
2021, 41(18): 1812003
传统2+1三维实时测量方法需要投影两帧相移光栅加一帧背景光图像，提出了一种新型双色2+1三维实时测量方法，该方法仅需两帧双色光栅。事先编码两帧双色光栅，红色通道分别为相移量相差π的正弦条纹，蓝色通道为与正弦条纹直流分量等值的背景光，由此可以标定出彩色CMOS相机红蓝通道灵敏度之比。测量时按照上述方法编码两帧相移量差π/2的双色光栅并合成为重复视频，重复视频通过投影仪投影到待测物体表面，并利用彩色CMOS相机即可同步实时采集彩色变形条纹图视频。经计算机处理提取不同时刻的彩色变形条纹图序列，从而利用2+1算法实现运动物体实时在线三维测量。此方法利用红蓝通道能有效减少颜色串扰，并且只用投影两帧双色光栅，提高了测量的实时性。实验结果和分析证实了该方法应用于物体实时运动的可行性和有效性。
相位测量轮廓术 三维实时测量 2+1算法 双色光栅 相位算法 phase measuring profilometry 3D real-time measurement 2+1 algorithm bi-color grating phase calculation
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院 青藏高原研究所, 北京 100101
4 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布, 本文采用腔衰荡光谱技术(CRDS)设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统, 该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法, 通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法, 使得浓度计算结果得到明显提升。然后, 分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号, 采集的衰荡信号信噪比达62 dB, 并在实验室使用标准气体进行了标定试验, 标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10-9, 测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后, 系统进行了实际试验, 在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体, 进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。
光谱学 腔衰荡光谱技术 痕量气体 实时测量 spectroscopy cavity ringdown spectroscopy isotopes aburdance highly sensitivity real time detection
1 中国民航大学 电子信息与自动化学院, 天津 300300
2 中国民航大学 航空工程学院, 天津 300300
3 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
航空发动机作为飞机上的核心动力装置, 对其运行状态的监测, 可以提高飞机的安全性与经济性。航空发动机尾喷温度场蕴含着燃烧室内部燃料燃烧程度等有效信息, 对其温度场的监测可实现对发动机运行状态的评估。传统的温度场测量方法一般采用单点温度计测量法、激光诱导荧光法(LIF)、可调谐半导体激光法(TDLAS)等, 单点温度计测量法测量数据较离散、LIF设备应用复杂、TDLAS仪器设备价格昂贵。因此针对传统测量方法所存在的问题, 提出了纹影测量法。首先需要纹影系统对温度场进行纹影成像, 得到正确的纹影图像; 根据纹影图像求得截面的折射率分布; 根据折射率分布算得温度场分布, 实现对温度场的测量。纹影测量法是一种非接触、高精度的测量方法, 且无需特殊的激光收发装置。实验证明该方法可有效地应用于实验室微型涡喷发动机尾喷区域温度场的测量, 可进一步为航空发动机的状态监测提供支持。
航空发动机 尾喷温度场 纹影法 实时测量 aero-engine the temperature field of tail spray schlieren method real-time measurement
四川大学光电科学技术系, 四川 成都 610064
针对当前单帧条纹技术存在的精度受到影响等问题及传统相位测量轮廓术受多帧采集限制的情况, 提出了一种基于单帧变形条纹的空间等步相移轮廓术。先提取所采集的单帧变形条纹图的零频成分, 通过滤除背景光并归一化处理, 可获得振幅为常数1的纯交流正弦变形条纹, 当该纯交流正弦变形条纹与该条纹顺延若干像素后的正弦变形条纹相加时, 根据和差化积即可获得一幅新的具有一定相移量的纯交流正弦变形条纹, 依此反复即可获得5帧相移变形条纹, 从而可以利用5帧相移解相算法重构待测物体的三维面形。实验验证了本方法的可行性和实用性。与传统相移轮廓术相比, 所提方法仅需要获取一帧变形条纹图, 无需采集多帧变形条纹, 可以实现实时三维测量, 而与傅里叶变换轮廓术相比有更高精度。
单帧条纹 三维测量 空间相移 相移轮廓术 实时测量 single-shot pattern 3D measurement spatial phase shift phase shifting profilometry real-time measurement
华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学研究所暨激光生命科学教育部重点实验室, 广东 广州 510631
本文发展了一种针对于固定FRET质粒的单波长激发的E-FRET方法(SDW-E-FRET)。相比于E-FRET方法, SDW-E-FRET只需要测量供体激发时供体通道的荧光强度(IDD)和FRET通道的荧光强度(IDA), 因此该方法可以实现活细胞的快速定量FRET成像。结合双通道荧光显微成像系统, 该方法无需任何机械切换, 定量FRET成像的速度只取决于CCD相机的成像速度, 因而特别适合活细胞实时动态定量FRET成像。在本研究小组发展的双通道荧光显微镜平台上, 应用SDW-E-FRET方法测量了C5V和C17V的FRET效率, 得到了与其它方法测量的一致的结果。
定量FRET成像 FRET探针 单波长激发 实时测量 活细胞 quantitative FRET imaging FRET probe single wavelength excitation real-time measurement living cells
