中国工程物理研究院 总体工程研究所, 四川 绵阳 621000
光纤内窥镜被广泛应用于复杂结构狭小空间里的破坏损伤探测, 但因其固有特性及外界噪声影响致使采集到的图像呈现蜂窝网格状, 且存在30%左右的桶形畸变。针对此问题, 提出了一种基于光纤内窥镜图像标定方法, 首先设计了可自由移动的标定系统, 然后采用高斯滤波、二值化处理、mark点识别、畸变矫正等方法对标定板图像中的光纤束进行处理, 最后使用该标定方法对光纤内窥镜拍摄的不同类型的标定板图像进行标定矫正。试验结果表明, 所提标定方法适合多种场景和不同质量图像的矫正识别, 测量误差仅为10 μm。
光纤内窥镜 标定系统 畸变矫正 微位移 optical fiber endoscope, calibration system, disto
1 中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川绵阳62999
2 中国工程物理研究院，四川绵阳61999
为了实现动态加速度与时变振动环境的综合模拟，研制了一套适应动态加速度场的轻量宽频激振装置。首先提出了压电-液压串联复合激振方法和装置构型，解决了传统激振方法“宽频不轻量、轻量不宽频”的难题。设计了六单元并联压电激振模块，建立了精密装调工艺，并联激振效率达到74.2%。为满足动态加速度环境下的宽频激振需求，提出液压内嵌式定中方案，研制了具有“缸中缸”构型的液压激振模块。基于分频器，提出了串联复合激振系统的分频控制方法，实现了压电、液压激振模块的协调工作、均衡出力。以力平衡控制结合零位移反馈补偿控制，提出了液压激振模块定中控制方法，实现了动态加速度环境下的精确定中。提出了变增益、长时波形再现两种时变振动控制方法，研制了一体化的控制系统。测试结果表明，串联复合激振装置在离心加速度不低于60 g、加速度变化率不低于15 g/s工况下，分别实现了50 kg负载下的6 grms振动加速度、10~2 000 Hz频率范围的宽频激振。该装置已应用于多项惯性器件、组件和系统的环境试验考核，载荷控制效果良好。相比飞行试验，本文成果为飞行器制导、控制系统功能性能考核提供了高效经济的实验室手段，特别在大样本数据获取方面具有优势。
压电激振 液压激振 柔性机构 微位移放大 离心机 hydraulic excitation piezoelectric excitation compliant mechanism micro-displacement amplification centrifuge 光学 精密工程
2023, 31(22): 3318
1 山东大学 信息科学与工程学院，山东青岛266237
2 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东青岛6637
3 中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛266555
光学干涉测量技术得益于高灵敏性和高重复性常用于位移等几何量的高精度测量。为了实现纳米级位移精确测量，以涡旋光与平面波干涉模型为基础，建立并验证了花瓣状干涉图旋转角度与位移的线性关系，提出一种微位移测量方法。位移测量模型使用涡旋光束干涉光路，经仿真验证了原理的可行性，并搭建位移实验系统进行测量实验。实验结果表明，当位移量为200.0 nm时，测量结果为196.3 nm，误差为3.7 nm，误差百分比为1.9%，可实现纳米量级的微位移测量。与传统的球面波干涉、共轭涡旋光干涉等位移测量方案相比，该微位移测量方法在测量可靠性和测量精度方面均具有明显的优势。
干涉测量 涡旋光 微位移 平面波 interferometry measurement vortex beams micro-displacement plane wave 光学 精密工程
2022, 30(17): 2058
南京师范大学计算机与电子信息学院, 江苏 南京 210023
提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。
测量 激光反馈干涉 高频调制 频分复用 微位移测量 光学学报
2022, 42(10): 1012003
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学 物理与光电工程学院，山西 太原 030024
本文提出了一种纳流通道-谐振腔耦合结构，用于实现对荧光物质微位移的检测。在本文中，首先，使用时域有限差分法，研究了量子点偏振态及结构参数对荧光与结构耦合效果的影响，进而对结构进行优化；然后，通过测量耦合结构输出光功率的变化，实现对荧光物质微位移的检测；最后，对影响传感灵敏度的因素进行研究。结果表明，相比传统方法，纳流通道-谐振腔耦合结构的折射率处于2.8~3.3之内时，该结构都可以实现对荧光物质微位移的高精度准确传感，并且通过减小纳流通道与谐振腔的间距可进一步提高传感灵敏度。
纳流通道 谐振腔 量子点 微位移 nanofluidic channel resonant cavity quantum dots micro-displacement
针对目前位移传感器体积较大和分辨率较低的问题, 文章设计了一种面内位移检测的双层纳米光栅结构, 用耦合波理论阐述光栅的衍射性质, 使用Gsolver软件对双层光栅的上下两层光栅间隙、光栅周期、光栅占空比以及入射波长进行了优化仿真分析, 研究在各参数下, 双层纳米光栅面内位移对衍射效率的影响, 最终得到一组对位移敏感的光栅结构。仿真结果表明, 当两层光栅间隔为200 nm、光栅厚度为390 nm、光栅周期为800 nm以及入射光的波长为850 nm时, 双层光栅的光透射特性较好。可通过检测透射光强的变化来获得光栅的面内微位移。
光栅 衍射光强 Gsolver软件 衍射效率 微位移 grating diffracted light intensity Gsolver software diffraction efficiency micro-displacement
1 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051
基于涡旋光与球面波的干涉原理，提出一种物体微位移的光学测量方法。改进马赫泽德干涉光路，其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光，另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上，两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变，螺旋干涉条纹发生旋转，通过干涉条纹的旋转角度可以确定物体的微位移量。经理论分析、仿真和实验证明:基于涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化能够实时监测物体位移量的变化，同时可以有效计算物体的微位移。实验中，测量物体的产生位移量为27 nm，通过涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化实际测得物体的位移为25.75 nm，误差为1.25 nm。
涡旋光 微位移 螺旋相位 空间光调制器 vortex beam micrometric displacement spiral phase spatial light modulator 红外与激光工程
2020, 49(4): 0413005
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100089
随着微电子机械系统(MEMS)惯性传感器件对微位移检测精度的要求越来越高, 微位移检测技术已经成为惯性传感领域的研究热点, 亚波长光栅的出现为微位移测量提供了一个全新的发展前景。以离面型双层亚波长光栅位移传感系统为研究对象,分别研究了亚波长光栅等周期与不等周期时系统的位移传感特性, 利用Rsoft软件对2种结构中双光栅相对运动时系统透射率与光栅位移量之间的关系以及系统关键结构参数对位移检测灵敏度的影响规律进行模拟仿真, 并对2种双光栅位移传感系统进行了结构优化设计与性能仿真, 理论验证了离面型双层亚波长光栅位移传感系统结构的灵活性及方案的可行性。
亚波长光栅 倏逝波 微位移检测 sub-wavelength gratings evanescent wave micro-displacement detection
1 中国计量大学计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
2 清华大学物理系, 北京 100084
受限于面阵像元尺寸和细分技术,利用面阵器件进行长度测量难以达到亚微米级。提出了一种基于法布里-珀罗(F-P)标准具多光束干涉成像原理的二维亚微米级位移测量方法,通过计算同心干涉圆环圆心坐标变化量得到焦平面内的二维微位移。采用虚拟面阵像元细分和峰位坐标局域细分技术等处理面阵海量信息,减小未定系统误差影响,实现同心干涉圆环圆心坐标的准确求取。实验采用间隔约为2 mm的F-P标准具、焦距约为50 mm的光学透镜,对焦平面内不同位置处的成像同心干涉圆环圆心进行计算,测量范围基本可达到3 mm。实验采用激光相调差动干涉仪进行位移比对测量,在34 μm量程范围内,测量结果的直线拟合标准差为0.0154w″(w″为相对像元间隔),包含因子为2.45时扩展不确定度为0.036w″,验证了该测量方法的准确性。
测量 干涉测量法 微位移 法布里-珀罗标准具 数理统计 中国激光
2019, 46(12): 1204002
