数字全息检测及其控制系统研究

论文摘要

数字全息检测是激光无损检测技术的一个重要方法,其记录、存储和再现过程全部采用数字化的方式。在形貌测量、微电路检测、微小粒子检测、应力场检测、生物细胞观测、变形和振动测量、记录运动物体状态以及构件缺陷无损检测等领域,数字全息检测技术能够充分发挥其特点和优势,有着广泛的应用前景。实时、高效是数字全息检测的重要特点。随着计算机技术、CCD采集技术、数字图像处理技术以及自动控制技术的快速发展和普及,数字全息检测技术也正朝着智能化、自动化测量的方向发展。鉴于数字全息检测系统的发展趋势,本文设计了一套自动的数字全息检测控制系统,对于常用的数字全息检测都很适用,这不仅会提高系统研发效率,缩短系统研发周期,为数字全息检测系统的调试提供很大的帮助,也会降低系统的成本,提高系统的可靠性,为系统应用于工程实际带来很多方便。数字全息检测系统需要控制的环节很多,使得这些环节有机统一起来,协调工作是十分困难的。本文设计了数字全息检测的三个子控制系统,形成了相应的软硬件模块,并使得各个子系统能够协调工作。实现了基于液晶空间光调制器的相移系统,相移系统中显示在液晶显示器上的计算全息图有多种编码方式,讨论了常用编码方式的选择方法,同时,通过系统测试实验验证了利用液晶空间光调制器作为相移器件的可行性；实现了自动的数字采集系统,采集系统中利用VC++程序设计语言开发了CCD采集控制软件；设计了基于单片机和步进电机的电控系统,详述了系统中软硬件的设计和使用方法,实现了通过控制步进电机转速、步进角和转动方向来精确定位的电控旋转台控制系统。根据设计开发的数字全息检测控制系统,建立了一个反射式微小物体三维面形检测系统。该系统利用液晶空间光调制器计算全息相移器在参考光中引入相移通过旋转照明物光的方式实现被测物体表面的三维面形测量。该检测系统的灵敏度由照明物光的微小转角及初始入射角决定,被测物体表面的三维轮廓信息可以从物光转动前后的相位变化中直接得到。由于系统为反射式测量,其结果必然会受到散斑噪声的影响,可以利用在参考光中引入相移、数据压缩和平滑滤波处理等方法来抑制残余的噪声,从而获得较好的三维面形检测结果基于光学变焦系统构建了透明材料加载过程中的实时应力场检测系统。该系统利用光学变焦系统将被测物体成像到CCD探测面上,然后与参考光干涉形成像面全息图。再通过选通滤波器对不同时刻全息图差值图像的频谱进行滤波,从中分离出物光频谱,通过傅里叶逆变换获得可以用于实时数字全息检测的光波场强度图像,即带有变形场信息的条纹图像。利用条纹图像可以观测透明材料受损伤破坏的动态演化全过程,再对条纹图像进行定量分析,便可实现加载条件下透明材料变形过程中的应力应变场实时检测。本文设计开发的数字全息检测控制系统还可用于其它相关光学系统中,基于DMD的数字光刻系统就是一个很好的实例。利用3ds max或OpenGL等软件设计出被加工微小器件的三维模型,然后将三维模型的剖面按顺序显示在DMD上,再用一束平行光以一定的入射角照射DMD,经DMD反射的+1级光波通过光学变焦系统作用在记录材料上,由计算机精确控制放有记录材料的电控升降台的位置和剖面图在DMD上显示的时间,即可实现微小器件的数字光刻加工综上所述,一套自动的数字全息检测控制系统,可以使数字全息检测及其控制系统的水平和自动化程度上一个新台阶,也可为数字全息检测系统的市场推广奠定一定的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 数字全息技术概论
• 1.3 数字全息检测技术的国内外发展概况
• 1.4 数字全息检测控制系统组成
• 1.5 主要研究内容和研究工作的创新点
• 1.6 本章小结
• 第二章 数字全息检测基础理论
• 2.1 标量衍射理论
• 2.1.1 基尔霍夫积分定理
• 2.1.2 菲涅耳-基尔霍夫衍射公式
• 2.1.3 瑞利-索末菲衍射公式
• 2.1.4 光传播的角谱理论
• 2.2 菲涅耳衍射公式及其空域近似计算
• 2.2.1 菲涅耳衍射公式
• 2.2.2 柯林斯公式
• 2.2.3 菲涅耳衍射积分在空域的近似计算
• 2.3 菲涅耳衍射公式的快速傅里叶变换计算
• 2.3.1 传递函数法计算
• 2.3.2 一次快速傅里叶变换计算
• 2.3.3 菲涅耳衍射积分的逆运算
• 2.4 数字光全息术
• 2.4.1 数字光全息术的特点
• 2.4.2 数字全息图的记录
• 2.4.3 数字全息图的再现
• 2.4.4 数字全息记录的基本条件
• 2.5 本章小结
• 第三章 数字全息检测控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于LC-SLM的相移系统原理及其控制
• 3.2.1 相移技术
• 3.2.2 LC-SLM的调制特性
• 3.2.3 基于LC-SLM相移系统原理
• 3.2.4 计算全息编码
• 3.2.5 基于LC-SLM相移系统的测试
• 3.3 基于步进电机的电控系统设计
• 3.3.1 控制系统组成与协议
• 3.3.2 AT89S52单片机
• 3.3.3 步进电机
• 3.3.5 ST-24HB驱动器技术指标
• 3.3.6 电控旋转台控制系统设计
• 3.3.7 上位机控制系统设计
• 3.4 采集系统控制
• 3.5 本章小结
• 第四章 数字全息检测控制系统应用实例
• 4.1 反射式微小物体的三维面形检测
• 4.1.1 数字全息三维面形测量原理
• 4.1.2 角度的测量与选取方法
• 4.1.3 数字全息三维面形测量实验研究
• 4.2 透明材料加载过程中的实时应力场检测
• 4.2.1 实时应力场检测原理
• 4.2.2 光学变焦系统原理
• 4.2.3 酒精灯火焰的数值全息再现
• 4.2.4 实时应力场检测系统的实验研究
• 4.3 基于DMD的数字光刻系统
• 4.3.1 DMD工作原理
• 4.3.2 DMD灰度成像模型
• 4.3.3 利用3ds max7模拟微小三维物体
• 4.3.4 基于DMD的数字光刻系统
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 电控旋转台控制系统程序关键代码
• 附录B 攻读博士学位期间发表论文
• 附录C 攻读博士学位期间EI、ISTP收录论文
• 附录D 攻读博士学位期间参加的课题