1 中国科学院空天创新信息研究院，北京 100094
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
根据外差激光多普勒测振过程的物理原理，分析了其在目标存在低频高速运动情况下测量高频低速振动的过程。在这一过程中，因杂散光而产生的测量噪声表现出啁啾特性，该研究还阐明了这种噪声的影响和表现形式、特点。针对此啁啾噪声，提出了一种微分预处理解调方法，理论分析表明这种解调方法有明显的啁啾噪声抑制效果，并进一步进行了仿真和实验验证。搭建了存在杂散光的外差激光多普勒测振系统，对目标振动进行了测量，分别通过常规解调方法和微分预处理解调方法进行解调，实验结果验证了啁啾噪声的存在和微分预处理解调方法抑制啁啾噪声的有效性，该方法可使啁啾噪声功率下降约81.8%，可有效降低杂散光对测量结果的影响。
信号处理 激光多普勒测振 啁啾噪声 杂散光 微分预处理
1 北京工业大学材料与制造学部，北京 100124
2 北京工业大学理学部，北京 100124
3 中国科学院计算光学成像技术重点实验室，北京 100094
三维显微测振仪可用于测量微结构的三维振动，其两条离轴光路用于接收包含面内振动信息的信号光，系统的机械形变会直接影响光纤的耦合效率，从而影响系统的测振精度。结合衍射传播理论和光纤耦合原理，建立了离轴光路的信号光传输耦合模型，针对信号光平面与光纤平面存在倾角的问题，利用频域坐标旋转变换法将倾斜的物面信号光场投影到平行的参考平面上，再基于菲涅耳衍射传播计算得到光纤平面的光场分布，进而结合光纤的模场分布可计算得到光纤耦合效率。研究了耦合透镜、光纤等元件的机械形变对光纤耦合效率的影响，阐明了光纤耦合效率和各个机械变形量的关系，为三维激光多普勒显微测振系统的设计和装调工作提供了理论指导。
测量 干涉测量 三维显微测振 机械形变 光纤耦合 衍射传播理论 光学学报
2023, 43(10): 1012002
1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
2 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
3 中国科学院大学光电学院, 北京 100049
本文提出一种光学环形器噪声评价指标,介绍激光外差干涉原理。通过建立典型环形器在激光干涉系统位移测量中的噪声传递模型并结合环形器的噪声来源,分析和论证环形器非线性误差系数与杂散光相位对系统位移测量误差的影响,提出以环形器方向性为环形器噪声评价指标的误差评价方法,通过数值仿真验证其适用性。针对环形器噪声的主要来源,基于理论分析模型设计并研制一种点衍射空间光环形器。搭建验证系统并与商用典型环形器进行对比,点衍射空间光环形器方向性达到129 dB,较商用典型环形器提高66 dB,实现较高精度的目标位移测量。
测量 干涉测量 环形器 噪声分析 方向性 杂散光
1 中国科学院 光电研究院 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院大学 光电学院, 北京 100094
针对工业检测中对微米量级测量精度、秒级测量时间的检测需求, 提出了全视场外差短相干形貌测量方案。本方案采用短相干光源, 实现大步长测量, 节约扫描时间; 采用全视场外差技术, 实现干涉轮廓的快速反演, 在抑制振动、直流噪声对测量精度影响的同时, 提高数据反演的效率。搭建了实验验证系统, 对测量时间和测量精度进行了实验验证, 结果表明, 系统的探测时长小于10 s, 测量精度优于2 μm。后续经进一步优化设计, 探测时间可小于5 s, 探测精度优于微米量级。该方案具有测量速度较快和测量精度较高等优势, 在对效率要求较高的工业检测领域具有一定的应用前景。
光学测量 三维形貌 短相干测量 全视场外差 optical measurement three-dimensional profilometry short coherent light source full-field heterodyne
1 中国科学院 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院大学 光电学院, 北京 100049
结构光三维测量技术具有快速、无损接触、重复性好等特点, 被广泛应用在模具检测及工程制造中, 但传统投影式结构具有离焦模糊的缺点。本文采用全视场外差干涉的原理, 使用高精度声光移频外差干涉条纹代替传统光栅投影中的编码条纹, 与传统工业相机结合使用便可获取快速的全视场三维数据。根据对系统参数的建模计算, 设计加工了外差干涉三维测量仪, 联合使用电动平台及棋盘格标定板来获取该系统的相位高度映射模型, 最后对标准陶瓷台阶进行了测量。实验结果复现了原物体的三维形貌及高度信息, 在30°的观测角下系统的高度分辨率为22 μm, 视场内的空间分辨率优于58 μm, 测量标准陶瓷平板, 高度误差为75 μm。该方法具有检测速度快、体积紧凑、抗环境干扰性强等特点。
三维测量 全视场外差 声光移频 相位高度映射 three dimensional measurement full-field heterodyne acoustic optical frequency shifter phase-to-height 光学 精密工程
2019, 27(10): 2097
伍洲 1,2,3李杨 1,2,3,***相里斌 1,2,**张文喜 1,2,3,*[ ... ]吕彤 1,2,3
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
3 中国科学院大学, 北京 100049
提出了一种适用于长焦光学镜片面形测量的新型激光干涉仪。利用全视场外差移相技术能有效抑制振动和大气等环境因素对长腔干涉测量的影响,采用Twyman-Green干涉仪结构,实现测量波面和参考波面的外差相干测量。搭建了实验验证系统,实验证明该方案能较好地抑制外界振动和大气湍流对测量精度的影响,实现了较高精度的长腔干涉测量,仪器的RMS(Root Mean Square)重复测量精度达到0.45‰λ。该技术可以作为长腔干涉测量的可选方案之一。
测量 全视场外差 长腔干涉 面形检测 低差频移相
1 北京交通大学 理学院, 北京 100044
2 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用, 但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称, 所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1 μm(快轴)×200 μm(慢轴)且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管, 分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场(侧模)的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里, 设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长, 模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角, 再用自聚焦透镜进行聚焦, 最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm×0.17 mm的方形光斑, 且快慢轴方向发散角分别为3.3°×2.4°。同时, 通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布, 结果表明: 宽发射面激光二极管光束整形中, 通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。
激光二极管 光束整形 圆柱透镜 自聚焦透镜 laser diode beam shaping cylindrical lens self-focused lens 红外与激光工程
2018, 47(12): 1218006
Author Affiliations
Abstract
Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China
Digital holographic microscopy using multiframe full-field heterodyne technology is discussed in which two acousto-optic modulators are applied to generate low-frequency heterodyne interference and a high-speed camera is applied to acquire multiframe full-field holograms. We use a temporal frequency spectrum analysis algorithm to extract the object’s information. The twin-image problem can be solved and the random noise can be significantly suppressed. The relationship between the frame number and the reconstruction accuracy is discussed. The typical objects of microlenses and biology cells are reconstructed well with 100-frame holograms for illustration.
090.1995 Digital holography 180.6900 Three-dimensional microscopy 110.1650 Coherence imaging 040.2840 Heterodyne Chinese Optics Letters
2016, 14(5): 050901
为了对双声光调制器(AOM)的频差进行高精度检测，设计了一种基于频谱校正的外差干涉检测方法及实验系统。通过测量外差干涉信号的频率，获得双AOM 的实际频差大小。信号频率的精确提取采用加Hanning 窗的比值频谱校正法。仿真分析了利用不同信噪比信号对频差的检测精度与采样点数的关系，并设计搭建实验系统对一组双AOM 的频差进行检测，结果表明，所采用的算法对双AOM 频差的检测精度优于2 Hz。该检测方法可以为高精度外差测量系统的误差分析提供有效参考。
测量 频差检测 声光调制器 外差探测 频谱校正 激光与光电子学进展
2015, 52(5): 051205
