莫尔条纹干涉光学系统仿真设计

摘褥子随着激光技术、现代光学和计算机技术的发展，全息干涉测量、斑点干涉测量、莫尔条纹干涉测量和数字图像处理产生了包含主要研究和研究内容的“现代光测量新领域”。莫尔条纹干涉法是一种具有80年代初期兴起的非接触式测量、全场及实时分析的高灵敏度大容量路径的光学测量法，通常采用6002400线/mm频率的高密度光栅。莫尔条纹干涉法是20世纪80年代初期才发展起来的现代光学方法，由于其高灵敏度、大规模路径、非接触、整体、实时观测的优点而受到广泛关注。本文总结了莫尔条纹干涉仪中使用的光路种类，比较了优缺点。了解莫尔条纹的形成原理和测温原理，设计了用于温度场测量的莫尔条纹干涉光路测试系统。在对莫尔条纹干涉法温度场测量基本原理的研究基础上，分析和掌握了莫尔条纹的形成规律，设计了光路测试系统，在光学设计软件ZEMAX中利用仿真设计，分析了仿真结果测量结果。深入讨论了仿真设计的光学参数对莫尔条纹干涉法测温的影响。本设计的内容对莫尔条纹干涉法在温度场测量中的应用有一定的参考价值。关键词：莫尔条纹干涉仪、温度场测量、ZEMAX模拟设计Abstractwith the development of laser technology，modern optics and computer technology，some modern optical measurement fields appeared，some modern optical measurement fields appearedas a modern mechanical methods of optical measurement，moire inter ferometriy method has high sensitivity，Large number of process，nmoire inter ferometriy method has high sensitivitythis paper summariss the types of optical moire fringe interfer ometriy，And compaes advantages And disad vantages . through understanding thebased on the moire fringe interferometriy for measureing of temperature field，We analyzed and mastered the moire fringe formation rule，analyzed and mastered the moire fringe formation rulesimulation measurement results were analyzed。the optic parameters in the test system ha Ve been discussed and conclude the effects of the moire fringe inter ferometriy to measure the temperaturethe contents of this design on moire fringe in terfer ometriy has a certain reference value for measureing in the temperature field applications .keywords 3360 moire fringe simulation，the temperature field measurements，ZEMAX simulation目录1简介11.1主题背景11.2莫尔条纹技术开发11.2.1莫尔条纹技术分类21.2.2莫尔条纹干涉技术应用21.3主题的研究重要性和内容31.3.1专题的研究重要性31.3.2主题的研究内容32莫尔条纹干涉原理和一些典型的光路系统42.1莫尔条纹干涉仪原理42.1.1莫尔条纹42.1.2莫尔条纹干涉仪基本原理42.2莫尔条纹干涉术中常用的几种光路82.2.1双光束光路系统82.2.2 3镜像光路系统92.2.3大型准直镜光路系统92.2.4晶格光谱路径系统102.3汇总103莫尔条纹干涉测量温度系统设计113.1莫尔条纹干涉光路测试系统113.2光学参数选择113.2.1两个晶格之间的角度113.2.2选择两个光栅之间的距离d 123.3摘要12使用4 ZEMAX软件设计光路模拟134.1系统设计134.1.1选择模拟程序模式134.1.2选择零部件和设置参数134.1.3生成3D视图154.2分析模拟结果184.2.1两个晶格光栅对莫尔条纹间距的影响184.2.2光栅之间角度对莫尔条纹间距的影响204.2.3相位对象半径对莫尔条纹间距的影响224.2.4相对象的材质对莫尔条纹间距的影响254.2.5汇总275汇总28参考文献29审计311简介1.1任务背景莫尔条纹法是一种测量20世纪60年代开始出现的物体整体变形的技术。20世纪80年代中期以来，随着高频光栅制作技术的发展，首先D Post提出了莫尔条纹干涉仪的测量原理和相关测量技术。莫尔条纹干涉法是一种高灵敏度的光学测量方法，可以进行非接触测量、全场和实时分析，通常使用频率为600-2400线/毫米的高密度光栅测量比传统莫尔条纹方法高几十倍或数百倍以上的位移灵敏度。莫尔条纹干涉法的这种优点已经引起了众多实验力学家的关注，被认为是20世纪80年代以来实验力学领域最受关注的方法。近年来，莫尔条纹法的研究热点以微/纳米莫尔条纹法为工具，使用多种高分辨率电子显微镜技术，发展迅速。近年来，莫尔条纹干涉法的应用取得了很大进展，从室温到微现，从室温到高低温，或者从静态到动态，都有莫尔条纹干涉法成功应用的例子。莫尔条纹干涉法在固体力学的基本规律研究中，在固体力学与材料科学、生物科学、阿曼电子学等学科的交叉领域中发挥着重要作用。自20世纪90年代以来，每年都有数十篇有关莫尔条纹干涉法应用研究的文章刊登在国内外学术杂志及会议文集上。经过十几年的发展，莫尔条纹干涉法的理论研究也基本成熟，应用研究也取得了很大进展。现在莫尔条纹干涉法原则上可以得到全息干涉法、斑点干涉法等所能得到的所有结果。莫尔条纹干涉法随着闸门技术的不断完善和普及，必将在科学研究和工程应用中发挥更大的作用。1.2莫尔条纹技术发展摩埃也称为摩埃纹，来自法语1，意在显示水的波纹或波纹。几个世纪前，法国人把称为摩埃丝绸的丝绸叠在一起，形成复杂的波纹。当丝绸相对运动时，花纹会摇晃。这个有趣的图案当时被称为摩埃条纹，在国内比较普遍的意译被翻译成云纹。1874年，瑞利(L.Raylrigh)首次开发了摩埃条纹图案，作为根据光栅配置情况评估光栅子线条图案之间间距均匀性的测量手段。莫尔条纹技术自20世纪40年代以来一直在开发和完成。该技术主要用于固体力学参数的测量研究。1.2.1莫尔条纹技术分类直到今天，莫尔条纹测量技术主要由四个部分组成：几何莫尔条纹法、莫尔条纹干涉法、电子束莫尔条纹法、纳米莫尔条纹法。几何莫尔条纹干涉法：1948年，r .韦尔和b .谢帕德首次提出了几何莫尔条纹法，这是由于衍射效应的影响，光栅频率超过50 Lines/mm(即每毫米50线)时产生的条纹对比度很差，其精度约为0.02mm 23。莫尔条纹干涉法：上世纪80年代初，邮报等为零。首先提出了42m的测量精度高的莫尔条纹干涉法4。1989年，戴普伦提出了莫尔干涉法的理论解释波前干涉理论5。电子束莫尔法：1991年，kiss moto，s .Dally和Read提出电子束莫尔6，0。以1m的测量精度获得了莫尔条纹。纳米云纹技术：2000年，辛格龙名、戴福龙等提出了以晶体材料为晶格的纳米云纹法7，测试准确度达到原子大小水平，即0 .1nm。1.2.2莫尔条纹干涉技术的应用经过几十年的开发，莫尔条纹干涉技术成功地应用于复合材料、形状记忆合金等meso-mechanics实验研究和激光焊接残余变形、微电子封装测量等。我们可以举出两个例子：激光焊接残余变形测量8:使用莫尔条纹干涉技术测量激光焊接残余应力。这有助于理解激光焊接残余应力与工艺参数的关系，改进焊接工艺以评估激光焊接质量具有重要意义。高温材料的弹性系数和泊松比测量9:通过激光莫尔条纹干涉法的波前干涉原理，高温材料的弹性系数和泊松比非接触式测量解决了材料的高温弹性系数和泊松比测试中的大问题。1.3主题的研究意义和内容1.3.1主题的研究意义莫尔条纹干涉法是一种基于莫尔效应的光学方法，通过求出莫尔条纹的位移量(或莫尔条纹相位的变化)计算光时产生的光偏角，得到流体的折射率分布和温度分布。莫尔偏角法实现了对试件的非接触、对流场的无扰动、高角度分辨率、高空间分辨率的实时观测。因此，本主题的研究不仅为微小尺度对流换热的温度场测量提供了合适的技术方法，而且对促进热参数光学测试技术的发展也具有学术意义。1.3.2主题的研究内容1.了解和研究莫尔条纹干涉法的基本原理，并在此基础上讨论莫尔条纹干涉法的各个光学参数对条纹质量的影响。2.设计可用于燃烧场温度测量的莫尔条纹干涉光路测试系统。3.使用Zemax软件验证模拟实验。2莫尔条纹干涉仪原理和几种典型的光路系统2.1莫尔条纹干涉法原理2.1.1莫尔条纹在透射式直线光栅中，表示主光栅的雕刻面(图2-1)相互重叠，之间留下小间隙(图2-1)，两个光栅的夹角保持小。当两个网格的角线重合时，光线通过缝隙形成高光。在两个光栅刻划线的扭转中相互遮挡光线，形成暗带。这个明亮的条带和暗的条带形成明暗的条纹称为摩埃条纹。图2-1莫尔条纹形成了结构图2-2莫尔条纹2.1.2莫尔条纹干涉仪的基本原理莫尔条纹干涉法用于测量的几何解释。云纹偏角法是基于云纹效果的光学方法。莫尔效果生成的莫尔条纹用作测试信息的载体。图2-3是莫尔条纹生成机制的示意图，图中两个光栅G1和G2的螺距为p，与x轴的角度为2。如图2-2所示，在一级明亮图案中选择一个点(x，y)，可以详细分析莫尔条纹的形成。(2-1)其中，k和m都是整数，对于一级明亮图案，mk=1解释为(2m-k=1)。(2-2)实验中角度较小，具有以下近似值：(2-3)一个级别高光对应于l=m- k=1。如图2-4所示，二次亮子的分析可以得到相应的l=m- k=2。因此，(2-3)样式描述了莫尔条纹的明亮图案位置，反映了条纹的位置x和条纹的级别l之间的关系。条纹间距