基于干涉法的量块长度测量技术研究

论文摘要

量块是重要的长度实物标准，它将长度单位传递到工业生产的各个环节，在产品质量保证体系中发挥着重大作用，高等级量块的测量与检定多借助于干涉法进行。本文基于光干涉理论，采用高精度的光干涉测试技术，以干涉条纹小数重合方式直接测量量块长度为基本原理，研究了高等级量块长度测量的四种数字化干涉术方法：条纹法、快速傅立叶变换法、相位偏移干涉法和在国内首次提出的虚光栅移相莫尔条纹法；深入研究了干涉测量装置的数字化、智能化技术，研制了一台用于量块长度测量的泰曼格林平面干涉仪，该仪器是光、机、电、算相结合，融硬、软件于一体，实时处理图像数据的智能化装置。重点研究了干涉条纹图像的数字化技术和分析处理算法，创新地提出了条纹法中干涉条纹细化及条纹中心自动提取算法，实现了干涉条纹小数的自动读取；FFT法中量块边缘识别、阴影校正以及基于样本的块重建干涉图区域延拓算法，实现了干涉图的预处理；相移干涉术中波面相位解包的种子算法，实现了干涉图的波面统一；研究了集光栅技术、莫尔技术、相移干涉术为一体的虚光栅移相莫尔条纹法测量量块的原理及关键技术。提出应用阻尼最小二乘迭代技术，直接对干涉场的光强数据进行拟合，实现了对相移干涉法中移相器的在线标定。建立了以Windons为平台的计算机辅助干涉术软件系统，编制了集移相器标定、通讯控制、初始参数设定、图像采集、分析处理、算法与数值计算、图形绘制、测试结果输出、系统管理与维护等功能为一体的软件包；以不同的原理方法对量块进行了干涉测试，应用装置配属的软件系统实时分析处理了图像数据。测试结果表明：本文研究的干涉测试装置及提出的数字化干涉术方法，实现了用不同原理方法处理同一工程问题的目的，拓展了高等级量块测量与检定的工程化应用范围，装置数字化、智能化、集成化程度高，软件算法优化，计算速度快，精度高(相移干涉术可达λ／50)，达到了国外同类仪器水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 本论文的主要研究工作
• 2 干涉法测量量块长度的基本原理
• 2.1 干涉法测量量块长度的基本原理
• 2.1.1 干涉条纹的小数部分重合法
• 2.1.2 干涉测量装置
• 2.1.2.1 干涉仪
• 2.1.2.2 相移控制驱动系统
• 2.1.2.3 图像采集与处理系统
• 2.1.2.4 软件系统
• 2.1.3 干涉仪工作原理
• 2.2 干涉条纹图像的数字化
• 2.2.1 干涉图像的采集
• 2.2.2 干涉法数字波面复原技术和方法
• 2.2.2.1 强度分析方法
• 2.2.2.2 相位分析方法
• 2.3 量块长度测量的数字化干涉术方法
• 2.3.1 条纹法
• 2.3.2 快速傅立叶变换法（FFT法）
• 2.3.2.1 FFT法进行干涉测试的基本原理
• 2.3.2.2 数字化原理
• 2.3.3 相位偏移干涉法
• 2.3.3.1 相位偏移干涉术的基本方程
• 2.3.3.2 重叠四步平均法
• 2.3.4 虚光栅移相莫尔条纹法
• 2.3.4.1 虚光栅移相莫尔条纹法原理
• 2.3.4.2 虚光栅移相莫尔条纹法处理静态干涉图范例
• 2.4 本章小结
• 3 静态干涉条纹处理方法研究
• 3.1 条纹法处理单幅干涉图方法及关键技术
• 3.1.1 干涉条纹图小数部分的自动读取
• 3.1.1.1 干涉条纹图像的预处理
• 3.1.1.2 细化后干涉条纹的二次曲线拟合
• 3.1.2 干涉条纹整数部分K的确定
• 3.1.3 双波长干涉条纹法测量量块长度
• 3.1.4 测量结果的修正
• 3.2 快速傅立叶变换法（FFT法）处理单幅干涉图方法及关键技术
• 3.2.1 处理过程概述
• 3.2.2 干涉图的预处理
• 3.2.2.1 量块边缘的识别
• 3.2.2.2 干涉图阴影校正
• 3.2.3 干涉图的区域延拓
• 3.2.3.1 以孔径边缘余弦函数的极值点为相对坐标原点进行外插
• 3.2.3.2 用最小二乘迭代法对干涉条纹图进行插值
• 3.2.3.3 基于二维快速傅立叶变换（2-DFFT）的迭代延拓
• 3.2.3.4 边界对称反转外延
• 3.2.3.5 水平（垂直）方向的边界周期延拓
• 3.2.3.6 基于样本的块重建算法延拓干涉图
• 3.2.4 滤波器的设计与选取
• 3.2.4.1 滤波器中心频率的确定
• 3.2.4.2 滤波带宽的确定
• 3.2.4.3 滤波区域的确定
• 3.2.5 波面统一
• 3.3 本章小结
• 4 动态干涉条纹处理方法研究
• 4.1 相位偏移法干涉图像处理方法及关键技术
• 4.1.1 相移干涉术的关键部件-移相器
• 4.1.1.1 压电晶体移相器
• 4.1.1.2 移相器的标定
• 4.1.1.3 移相器的类进动现象对干涉测量的影响
• 4.1.2 波面统一
• 4.1.2.1 波面解包原理
• 4.1.2.2 波面解包的种子算法
• 4.1.3 干涉条纹图像波面复原
• 4.1.4 相移干涉术相位复原处理实例
• 4.1.4.1 光盘基片平整度的测量原理
• 4.1.4.2 测试实例
• 4.2 虚光栅移相莫尔条纹法干涉图像处理方法
• 4.2.1 移相参考干涉图的生成
• 4.2.1.1 待测干涉图载频的获取
• 4.2.1.2 移相参考干涉图的生成
• 4.2.2 图像滤波提取莫尔信息
• 4.2.2.1 莫尔条纹图的频谱分析
• 4.2.2.2 莫尔条纹图信息的滤波提取
• 4.2.2.3 窗函数法设计滤波器
• 4.2.2.4 滤波过程流程图
• 4.3 本章小结
• 5 测量结果处理及数据分析
• 5.1 干涉图处理算法软件的工程化实现
• 5.1.1 核心层设计
• 5.1.1.1 条纹法处理流程图
• 5.1.1.2 快速傅立叶变换法处理流程图
• 5.1.1.3 相位偏移干涉法处理界面及流程图
• 5.1.1.4 虚光栅移相莫尔条纹法处理流程图
• 5.1.2 功能层设计
• 5.2 基于干涉法测量量块不确定度的评定
• 5.2.1 影响测量不确定度的因素分析
• 5.2.2 标准不确定度的评定
• 5.3 测量结果及数据分析
• 5.3.1 双波长激光干涉法（条纹法）实测量块长度及结果分析
• 5.3.1.1 干涉条纹的数据采集与处理
• 5.3.1.2 双波长激光干涉法测量量块长度结果及数据分析
• 5.3.2 快速傅立叶变换法测量量块结果及数据分析
• 5.3.3 相移干涉术测量量块长度实例及数据分析
• 5.3.3.1 干涉条纹图像的数据采集及其离散波面的复原
• 5.3.3.2 数据处理及结果分析
• 5.3.4 虚光栅移相莫尔条纹法测量量块结果及数据分析
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 本文所做的工作及创新点
• 6.2 博士在读期间发表论文情况
• 6.3 博士在读期间科研和获奖情况
• 6.3.1 科研项目
• 6.3.2 有关获奖
• 致谢
• 参考文献