莫尔条纹干涉光学系统仿真设计_精品文档文档格式.docx

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关键词：

莫尔条纹干涉法，温度场测量，ZEMAX仿真设计

Abstract

Withthedevelopmentoflasertechnology,modernopticsandcomputertechnology,somemodernopticalmeasurementfieldsappeared,suchasholographicinterferometry,speckleinterferometry,moireinterferometryanddigitalimageprocessing.MoireInterferometrytheisanoncontactmeasurementappearedintheearly1980s.Ithasmanyadvantageswithhighsensitivityoftheaudienceandreal-timeanalysisofalargerangeopticalmeasurementmethod.Usuallyahighdensroygrettingwith600to2400lines/mmcanbeused.Asamodernmechanicalmethodsofopticalmeasurement,moireinterferometrymethodhashighsensitivity,alargenumberofprocess,non-contact,wholefield,alargemeasuringnrangeandreal-timeobservationsadvantageofwidespreadattention.

Thispapersummarizesthetypesofopticalmoirefringeinterferometry,andcomparesadvantagesanddisadvantages.Throughunderstandingtheformationofmoirefringeprincipleandtheprincipleofmeasuringtemperature,wedesignedthemeasurementoftemperaturefieldbaseonmoirefringe.BasedontheMoirefringeinterferometryformeasuringoftemperaturefield,weanalyzedandmasteredthemoirefringeformationrule,anddesigntheopercaltestsystem.Further,wesimuatedtheopticalsystembyopticdesignsoftwareZEMAX.Simulationmeasurementresultswereanalyzed.TheopticparametersinthetestsystemhavebeendiscussedandconcludetheeffectsoftheMoirefringeinterferometrytomeasurethetemperature.Thecontentsofthisdesignonmoirefringeinterferometryhasacertainreferencevalueformeasuringinthetemperaturefieldapplications.

Keywords:

moirefringesimulation,thetemperaturefieldmeasurements,ZEMAXsimulation

目录

1绪论 1

1.1课题背景 1

1.2莫尔条纹技术的发展 1

1.2.1莫尔条纹技术的分类 2

1.2.2莫尔条纹干涉技术应用 2

1.3课题的研究意义及内容 3

1.3.1课题的研究意义 3

1.3.2课题的研究内容 3

2莫尔条纹干涉法原理及几种典型的光路系统 4

2.1莫尔条纹干涉法原理 4

2.1.1莫尔条纹 4

2.1.2莫尔条纹干涉法基本原理 4

2.2莫尔条纹干涉法中的几种常用光路 8

2.2.1双光束光路系统 8

2.2.2三反镜光路系统 9

2.2.3大准直镜光路系统 9

2.2.4光栅分光光路系统 10

2.3小结 10

3莫尔条纹干涉法测量温度的系统设计 11

3.1莫尔条纹干涉法光路测试系统 11

3.2光学参数的选取 11

3.2.1两光栅之间夹角θ 11

3.2.2两光栅之间距离d的选取 12

3.3小结 12

4利用ZEMAX软件进行光路仿真设计 13

4.1系统设计 13

4.1.1仿真程序模式选择 13

4.1.2元件选择和参数设置 13

4.1.3生成3D视图 15

4.2仿真结果分析 18

4.2.1两光栅栅距对莫尔条纹间距的影响 18

4.2.2两光栅之间夹角对莫尔条纹间距的影响 20

4.2.3位相物体的半径对莫尔条纹间距的影响 22

4.2.4位相物体的材质对莫尔条纹间距的影响 25

4.2.5小结 27

5总结 28

参考文献 29

致谢 31

第II页共II页

1绪论

1.1课题背景

莫尔条纹法是在上世纪六十年代开始兴起的物体全场变形的测量技术。

自从上世纪八十年代中期以来，高频率光栅制作技术的发展日趋成熟，首先由DPost提出了莫尔条纹干涉法的测量原理和相关测量技术。

莫尔条纹干涉法是一种具有非接触测量、可进行全场和实时分析的高灵敏度的光学测量方法，通常使用频率为600-2400线/毫米的高密度光栅，其测量位移灵敏度比传统的莫尔条纹法高几十倍甚至上百倍。

由于莫尔条纹干涉法的上述优点，它已经受到了广大实验力学工作者的日益重视，并被誉为自上世纪八十年代以来实验力学领域中的最受关注的方法。

近年来莫尔条纹法的研究热点已转向在微纳尺度的变形测量，以各种高分辨率电镜技术为工具的微/纳米莫尔条纹法发展迅速。

近年来，莫尔条纹干涉法的应用研究取得了很大进展，无论是从宏观到细现，从常温到高低温，还是从静态到动态，都存在有莫尔条纹干涉法成功应用的例子．无论是在固体力学的基本规律研究中，还是在固体力学与材料科学、生物科学、傲电子学等学科的交叉领域中，莫尔条纹干涉法都在发挥着重要的作用。

自90年代以来，每年都有几十篇有关莫尔条纹干涉法应用研究的文章发表在国内外学术期刊与会议文集上。

经过十几年的发展，莫尔条纹干涉法的理论研究已基本成熟，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获得全息干涉法、散斑干涉法等所能获得的全部结果．随着制栅技术的不断完善和普及，莫尔条纹干涉法必将在科学研究与工程应用上发挥更大的作用。

1.2莫尔条纹技术的发展

莫尔条纹又称为云纹，莫尔（moiré

）来自于法文[1]，原意表示水波纹或波纹花样。

几百年前，法国人发现一种现象：

当两层被称作莫尔丝绸的绸子叠在一起时将产生复杂的水波纹图案，如果丝绸之间相对挪动，图案也随着晃动。

这种有趣的图案当时被称为莫尔条纹，国内比较普遍的意译为云纹。

1874年，瑞利（L.Raylrigh）首次将莫尔条纹图案作为一种计测手段，根据条纹构形情况来评价光栅尺各线纹之间的间隔均匀性，从而开发了莫尔计量学。

自从上世纪40年代以来，莫尔条纹技术被不断地发展和完善。

该项技术被主要应用于固体力学参数的测量研究中。

1.2.1莫尔条纹技术的分类

到今天为止莫尔条纹测量技术大致包括四个部分，即几何莫尔条纹法，莫尔条纹干涉法，电子束莫尔条纹法和纳米莫尔条纹技术。

几何莫尔条纹干涉法：

1948年，由R.Weller和B.Shepherd首先提出了几何莫尔条纹法，由于受到衍射效应的影响，当光栅频率超过50Lines/mm（即每毫米50线）时，这时得到的条纹对比度很差，相应的精度约为0.02mm左右[2][3]。

莫尔条纹干涉法：

在上世纪80年代初，Post等人首先提出了精度比较高的莫尔条纹干涉法[4]，它的测量精度可以达到0.42μm。

1989年，戴福隆提出云纹干涉法的理论解释——波前干涉理论[5]。

电子束云纹法：

1991年，由Kishimoto,S.，Dally和Read提出了电子束云纹法[6]，得到了测量精度达到0.1μm的莫尔条纹条纹图。

纳米云纹技术：

2000年，邢永明，戴福隆等提出了将晶体材料作为光栅的纳米云纹法[7]，测试精度可达原子尺寸量级，即0.1nm。

1.2.2莫尔条纹干涉技术应用

经过几十年的发展，莫尔条纹干涉技术已成功应用于复合材料、形状记忆合金等细观力学实验研究以及激光焊接残余变形、微电子封装测量等领域中。

我们可以列举两个例子：

激光焊接残余应变的测量[8]：

通过使用莫尔条纹干涉技术来进行激光焊接残余应力的测量。

这对于了解激光焊接残余应力与工艺参数之间的关系，对于评价激光焊接的质量，改进焊接工艺都是具有重要的指导意义的。

测定高温材料弹性模量及泊松比[9]：

通过莫尔条纹干涉法的波前干涉原理，使用激光莫尔条纹干涉法来进行非接触测量高温材料弹性模量和泊松比，这解决了材料高温弹性模量和泊松比测试的一大难题。

1.3课题的研究意义及内容

1.3.1课题的研究意义

莫尔条纹干涉法是一种基于Moire效应的光学方法，通过获取莫尔条纹的位移量（或者莫尔条纹相位的变化）来计算光线时产生的光线偏折角，从而获得流体的折射率分布和温度分布。

莫尔偏折法对试验件非接触，对流场无扰动，角分辨率高，空间分辨率高，可以实现实时观测。

因此，本课题的研究不仅给微细尺度对流换热温度场的测量提供一条适用的技术途径，而且对于促进热参数光学测试技术的发展也具有学术意义。

1.3.2课题的研究内容

1.深如了解与研究莫尔条纹干涉法基本原理，在此基础上研究探讨莫尔条纹干涉法中各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.利用Zemax软件进行仿真性实验进行验证。

2莫尔条纹干涉法原理及几种典型的光路