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相移干涉术是利用调制和解调技术实现高精度相位测量的光学干涉测量技术。它通过精密仪器调制干涉场,使干涉场引入有序的空间光程差变化量,再用相移相位解调算法恢复相位。同步相移干涉测量技术是在光路空间上的形成多场具有固定相移步长的干涉条纹,在一个时间内实现相位的同步移动。由于一个时刻抓拍到的图像数据可以恢复出该时刻物体的相位信息,同步相移干涉测量技术能够应用于动态相位测量领域。
双通道同步移相相位测量系统是基于偏振棱镜分光干涉的理论提出的用于动态相位测量的系统,系统两路CCD在一个时刻拍摄到同步相移π/2或π的两帧干涉条纹图。双通道系统具有两个优点,一是简化以往的动态相位测量系统,双通道系统仅使用两个CCD,减小了实验系统的搭建和调试工作的难度;二是双通道系统在进行同轴数字全息测量时能够很好地实现数字全息频谱分离。
本文围绕双通道系统做了以下四个方面的工作:
(1)论证双通道系统能够实现同步相移π/2和π。用琼斯矩阵表示两束正交偏振光在光路系统传播的数学模型,推导出双通道上相干光干涉表达式,并分析两种波片快轴的调节。
(2)研究双通道同步移相相位测量系统的技术要点,对CCD、四分之一波片和二分之一波片等关键器件做了深入的研究。这些关键件的调试方法正确性都设计了实验加以验证。对同步相移π/2和π的系统实现同步相移精度进行验证。两个通道分别应用四步相移算法计算出第1帧图的相位面,用这两幅相位面的差值来验证系统相移精度。
(3)对两步相移相位恢复算法进行深入研究。研究出利用干涉条纹特征和矩阵范数理论从两帧干涉图中提取相移量并恢复相位方法。
(4)双通道系统调试好后应用系统进行动态相位测量。成功地测量出压电陶瓷微位移器的行程,把本系统测量出的相移量和相位面两种数据与单通道上的计算结果作比较,来说明我们系统测量结果的准确性。
学位论文的创新工作:
1.提出利用CCD像素列阵反射出的衍射斑点来对准CCD三维空间位置的方法。对光路使用高斯光束时,该方法能够十分精确地调整两CCD三维空间的位置。
2.提出使用相关搜索方法匹配干涉条纹在不同CCD上成像区域的相对位置的方法。通过计算出最大相关系数来匹配双通道干涉条纹的成像相对位置。
3.提出利两步相移相位恢复算法与双通道系统相结合恢复动态相位的方法。先滤除两帧图的背景项,对调制项做相除运算再做反正切运算恢复相位。