莫尔条纹干涉光学系统仿真设计

1、清华大学2012届毕业设计说明书摘 要随着激光技术、近代光学和计算机技术的发展，产生了全息干涉法、散斑干涉法、莫尔条纹干涉法和数字图像处理为主要研究和研究内容的“现代光测新领域。莫尔条纹干涉法是八十年代初兴起的一种具有非接触测量、可进行全场和实时分析的高灵敏度大量程的光学测量方法，通常使用频率为6002400线/mm的高密度光栅。作为八十年代初期才发展起来的一种现代光测力学方法，莫尔条纹干涉法由于具有高灵敏度、大量程、非接触、全场和实时观测的优点受到广泛重视。本文总结了莫尔条纹干涉法采用的光路种类，比较优缺点。通过理解莫尔条纹的形成原理和其测量温度的原理，设计了用于温度场测量的莫尔条纹干涉法光

2、路测试系统。在对莫尔条纹干涉法测量温度场的基本原理研究的基础上，分析并掌握了莫尔条纹的形成规律，设计光路测试系统，利用光学设计软件zemax中进行了仿真设计，对仿真得出测量结果进行分析。深入讨论了仿真设计中光学参数对莫尔条纹干涉法测量温度的影响。本设计的内容对莫尔条纹干涉法在温度场测量的应用具有一定的参考价值。关键词：莫尔条纹干涉法，温度场测量，zemax仿真设计abstractwith the development of laser technology, modern optics and computer technology, some modern optical measurem

3、ent fields appeared,such as holographic interferometry, speckle interferometry, moire interferometry and digital image processing. moire interferometrythe is a noncontact measurement appeared in the early1980s. it has many advantages with high sensitivity of the audience and real-time analysis of a

4、large range optical measurement method. usually a high densroy gretting with 600 to 2400 lines/mm can be used. as a modern mechanical methods of optical measurement, moire interferometry method has high sensitivity, a large number of process, non-contact,whole field,a large measuringn range and real

5、-time observations advantage of widespread attention.this paper summarizes the types of optical moire fringe interferometry, and compares advantages and disadvantages. through understanding the formation of moire fringe principle and the principle of measuring temperature, we designed the measuremen

6、t of temperature field base on moire fringe. based on the moire fringe interferometry for measuring of temperature field, we analyzed and mastered the moire fringe formation rule, and design the opercal test system .further, we simuated the optical system by optic design software zemax. simulation m

7、easurement results were analyzed.the optic parameters in the test system have been discussed and conclude the effects of the moire fringe interferometry to measure the temperature.the contents of this design on moire fringe interferometry has a certain reference value for measuring in the temperatur

8、e field applications.keywords: moire fringe simulation,the temperature field measurements,zemax simulation目录1 绪论11.1 课题背景11.2 莫尔条纹技术的发展11.2.1莫尔条纹技术的分类21.2.2 莫尔条纹干涉技术应用21.3课题的研究意义及内容31.3.1 课题的研究意义31.3.2 课题的研究内容32 莫尔条纹干涉法原理及几种典型的光路系统42.1 莫尔条纹干涉法原理42.1.1 莫尔条纹42.1.2 莫尔条纹干涉法基本原理42.2 莫尔条纹干涉法中的几种常用光路82.2.1

9、 双光束光路系统82.2.2 三反镜光路系统92.2.3大准直镜光路系统92.2.4 光栅分光光路系统102.3 小结103 莫尔条纹干涉法测量温度的系统设计113.1 莫尔条纹干涉法光路测试系统113.2 光学参数的选取113.2.1 两光栅之间夹角113.2.2 两光栅之间距离d的选取123.3 小结124 利用zemax软件进行光路仿真设计134.1 系统设计134.1.1 仿真程序模式选择134.1.2 元件选择和参数设置134.1.3 生成3d视图154.2 仿真结果分析184.2.1 两光栅栅距对莫尔条纹间距的影响184.2.2 两光栅之间夹角对莫尔条纹间距的影响204.2.3 位

10、相物体的半径对莫尔条纹间距的影响224.2.4 位相物体的材质对莫尔条纹间距的影响254.2.5 小结275 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d post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

11、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

12、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

13、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 50 lines/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23。莫尔条纹干涉法：在上世纪80年代初

14、，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. 42m。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. 1m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

15、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

16、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，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一

17、起，中间留有很小的间隙（如图2-1），并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹。图2-1 莫尔条纹形成原理图图2-2 莫尔条纹图2.1.2 莫尔条纹干涉法基本原理莫尔条纹干涉法用于测量的几何解释：莫尔偏折法是一种建立于莫尔效应基础上的光学方法。由莫尔效应产生的莫尔条纹图作为测试信息的载体。图 2-3 为莫尔条纹产生机理的示意图，图中两个光栅g1和 g2的节距均为 p，它们与 x 轴的夹角均为 2。在一级亮纹上取一个点(x ,y)，为了讨论的方便，以对莫尔条纹的形成

18、进行细致分析，被讨论区域的放大图如图 2-2 所示。 （2-1）其中k 和m 均为整数，对于一级亮纹有mk=1由（2-1）可以解得： （2-2）实验中角很小，从而我们有以下近似： （2-3）一级亮纹对应于 l = m- k=1。对二级亮纹的分析可以得到其相应 l = m- k=2，如图2-4所示。从而可知，（23）式是对莫尔条纹的亮纹位置的描写，它反映了条纹的位置x和条纹的级次l之间的关系。从（23）式可知条纹间距为 p'=p （2-4）图2-3 莫尔条纹形成机理的序数方程法解释中的几何关系图2-4 对一级亮纹的序数方程分析莫尔条纹干涉法原理：莫尔条纹干涉法测温的基本原理如图 2-5

19、所示。图 2-5 莫尔条纹干涉法原理图2-5中 g1、g2为两个等节距光栅，光栅节距为p，两个光栅间距为d 。在x-y平面内，光栅g1、g2与x轴交角分别为 +2和 -2 。光线透过被测非均匀介质后，光线的传播方向将偏离原来传播方向，它的角度为 。 在 y-z 平面和x-z 平面的投影分别为y 和x 。当光线穿过两个光栅后，将会产生莫尔条纹。如果光线穿过被测介质后通过光栅，由于光线的偏折会使莫尔条纹产生位移。这时光栅的序数方程10为 （2-5） （2-6）利用近似，解(2-5) (2-6)得 （2-7）考虑到21，（2-7）式可简化为 （2-8）当光线没有通过位相物体时，由（23）式 x =

20、lp 与（28）联立得莫尔条纹位移为 （2-9）从（27）到（28）的简化表明，偏折角在 x-z 轴平面的投影x 对莫尔条纹位移的贡献不大。综上可知，在坐标系中，条纹垂直于 x 轴，光线受扰后条纹位移沿着 x 轴方向，偏折角在 y-z 平面的投影y 决定了条纹的位移量 h(x,y)。而条纹位移量h(x,y)和条纹的相位变化（x，y）之间的关系为 （2-10）联合（29）（210）得11 （2-11）（211）中、 p '、d都是已知常数，从而只要求得莫尔条纹得相位12分布(x,y) ，就可以得到光线偏折角y(x,y)，进而得到介质得折射率场，最终得到所要测量的值。2.2 莫尔条纹干涉法

21、中的几种常用光路2.2.1 双光束光路系统双光束光路系统13如图2-6所示，是一种利用一束准直光打在试件上的同时令这束准直光在反射镜进行反射，二次照射在试件上，与直接照射在试件上的准直光形成两道平行光束。这种光路系统具有光学元件少、操作简单等特点的光路系统。但该光路只能测量单方向位移场，而且反射镜要紧挨试件。它的缺点在于在某些特殊情况下（如试件处于高温环境），反射镜不可能靠近试件，则不能使用该光路。图2-6 双光束光路系统2.2.2 三反镜光路系统三反镜光路系统是在双光束光路系统的基础上增加了两个反射镜，从而使得该光路可以同时测量两个方向的上位移场。三反射镜光路系统的缺点和双光束光路系统相同，

22、三反镜必须靠近试件，这在特殊测试条件下有时是不可能的。2.2.3大准直镜光路系统大准直镜光路系统（如图2-7）是利用一个大准直镜产生一束面积较大的准直光，利用四个反射镜将其分为四束准直光(图2-7)中只画了竖直方向的光束，水平方向也可分为两束准直光)，然后通过另外四个反射镜将四束准直光反射到试件表面。该光路可以同时测量双方向位移场，而且光学元件与试件有一定距离，可以用于高温等复杂条件下的变形场测量。该光路的缺点是需要一个大准直镜和较多的反射镜，这使得整个光路系统较为庞大、调节更为烦琐，而且大准直镜的加工也很困难。图2-7 大准直镜光路系统2.2.4 光栅分光光路系统在光栅分光光路系统14中，准

23、直激光束先垂直入射到一个高频正交云纹光栅的表面，在互相垂直的光栅方向上产生对称的±1 级的衍射光，利用四个反射镜将这四束衍射光反射到试件表面，这样即可同时测量u、v变形位移场。该光路的优点在于结构紧凑，调节方便，适用于开发云纹干涉法的测试仪器。该光路的关键元件是分光光栅，要求具有很高的质量，以保证衍射的四束光仍然是准直光。通过调节四个反射镜的角度，可以改变入射到试件表面的激光束夹角，从而适用于不同试件栅频率的测量。该光路系统的光学元件和试件之间有一定的距离，可以用于处于复杂环境中(如高温环境)的试件变形测量。另外，利用微型马达驱动分光光栅，可以方便地实现云纹干涉法的相移技术，以提高测

24、量的灵敏度和精度。2.3 小结1.本章分析和研究了莫尔条纹的形成原理和莫尔条纹干涉法测量流体温度场的基本原理。2.研究并建立了莫尔条纹干涉法测量流体温度场的物理模型：几何光学模型。研究表明莫尔条纹干涉法对光线偏折角具有很好的放大作用。3 莫尔条纹干涉法测量温度的系统设计3.1 莫尔条纹干涉法光路测试系统莫尔条纹干涉法光路测试系统如图所示，由激光器产生的激光束经过扩束镜准直镜后成为平行光束，如前所述，光束通过光栅1和2所构成的光栅对后将产生莫尔干涉条纹。3-1 莫尔条纹干涉法光路测试系统3.2 光学参数的选取为了在实验中能够实现对莫尔条纹干涉法测量灵敏度理论分析的结果，实验装置中光学参数的选取也

25、十分重要。下面将讨论如何选取主要的光学参数，即两光栅之间的夹角 ，两光栅之间的距离d ，光栅频率q。3.2.1 两光栅之间夹角首先，在莫尔条纹干涉法测温的几何光学解释中用到了<<1（即tan ，cos 1）的近似，因此在选取 时，应保证 足够的小，使得上述近似能够得到满足。其次，有公式 hx',y'=yx',y'd/ (3-1)莫尔条纹的位移15为hx',y'=yx',y'd/，因此希望尽可能的小，使得放大因子d 较大，从而对同一试验流场，可以尽可能地增大莫尔条纹的位移量，有利于测量较小的光线偏折角，以便适用于微细尺度

26、流场温度的测量。第三，由公式(2-4)莫尔条纹间距 p'=p，可见越小，条纹间距越大，从而在一定视场内能观察到的条纹数就越少，当条纹数减少到一定程度时，将对莫尔图案的数据处理造成一定困难。所以， 也不能取的太小，依据实验经验，为了保证所获取的实验数据具有足够的精度，莫尔图案中至少有 58 根条纹。3.2.2 两光栅之间距离d的选取由式(3-1) 莫尔条纹的位移量hx',y'=yx',y'd/ , 因此希望d尽可能的大，使得放大因子d 较大，从而莫尔条纹的位移量增大，有利于测量较小的偏折角，亦即能够用于微细尺度流场温度的测量。由公式 min=p21d=1q

27、d （3-2）min=1qd ，因此d越大，角分辨率越高，越利于微细尺度的测量中较小偏折角的测量。但是d也不能过大，否则将会影响条纹的对比度16。此外，d的选取还要保证光栅g2在g1的傅立叶像面上，要满足talbot距离的要求，即要满足公式 1s+1z=1zl （3-3）其中zl=2klq2=p2l为talbot 距离，即zl 为没有位相物体存在时，光栅 g1的自成像位置。3.3 小结 本章主要阐述了本设计所要用到的莫尔条纹干涉光路，并对实验所需要用到的参数进行了简单的分析。4 利用zemax软件进行光路仿真设计4.1 系统设计本次软件仿真是要对所设计的莫尔条纹干涉法光路测试系统进行仿真。4.

28、1.1 仿真程序模式选择此系统仿真的模式我们选择sequential or mixed sequential/non-sequential mode 模式，在此模式下进行系统的仿真。所以，在主菜单栏，点击file，在所出现的菜单中选择sequential or mixed sequential/non-sequential mode，将整个环境变成混合序列模式，如图4-1图4-1 仿真模式选择混合序列模式4.1.2 元件选择和参数设置在选择sequential or mixed sequential/non-sequential mode 后，会弹出lens data editor ，如图4-

29、2所示。图4-2 lens data editor栏接下来是参数的设置。在这里，使用标准光源。图4-3 光源的选择其它透镜及光栅元件参数如图4-4，4-5所示图4-4 系统各元件参数图4-5 光栅参数4.1.3 生成3d视图在对整个系统进行元件选择和参数设置后点击主界面上方的l3d，即可生成3d layout。图4-6 系统3d layout图4-7 3d layout参数图4-8 shaded model图4-9 仿真得出的莫尔条纹4.2 仿真结果分析4.2.1 两光栅栅距对莫尔条纹间距的影响在仿真中通过改变2个光栅之间的栅距可以得到相应的莫尔条纹间距变化数值（如表4-1）。由表格可知，当两

30、光栅之间距离增大时，莫尔条纹的间距增大，条纹变疏。表4-1 两光栅栅距与莫尔条纹间距关系表两光栅栅距40mm45mm50mm55mm莫尔条纹间距x4.4255mm4.4225mm4.7275mm4.7275mm图4-10 两光栅栅距为40mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-11两光栅栅距为45mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-12 两光栅栅距为50mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-13 两光栅栅距为55mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线4.2.2 两光栅之间夹角对莫尔条纹间距的影响 在第二章中已经知道，莫尔条纹间距与两光栅之间的夹角成反比，亦即p'=p

31、。在仿真中通过改变两个光栅之间的夹角可以得到相应的莫尔条纹间距变化数值（如表4-2）。由表格可以看出，当两光栅之间的夹角增大时，莫尔条纹间距变小，条纹变密。表4-2 两光栅之间夹角与莫尔条纹间距关系表两光栅之间夹角 1°3°5°7°莫尔条纹间距x4.7275mm4.7275mm4.4225mm4.4225mm图4-14 两光栅夹角为1°时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-15 两光栅夹角为3°时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-16 两光栅夹角为5°时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-17 两光栅夹角为7

32、6;时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线4.2.3 位相物体的半径对莫尔条纹间距的影响在仿真中通过改变位相物体的半径可以得到相应的莫尔条纹间距变化数值（如表4-3）。由表格可以看出，当位相物体半径增大时，莫尔条纹间距变小，条纹变密。表4-3 位相物体半径与莫尔条纹间距关系表位相物体半径r30mm35mm40mm45mm50mm莫尔条纹间距x5.6425mm5.3375mm5.0325mm4.7275mm4.4225mm有效焦距efl-0.005911168mm-0.0059112mm-0.005911223mm-0.005911242mm-0.0059157mm图4-18 位相物体半径为30mm

33、时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-19 位相物体半径为35mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-20 位相物体半径为40mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-21 位相物体半径为45mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-22 位相物体半径为50mm时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线4.2.4 位相物体的材质对莫尔条纹间距的影响仿真中通过改变位相物体的材质是玻璃，通过改变玻璃的材质（即改变折射率）可以得到相应的莫尔条纹间距变化数值（如表4-4）。由表格可以看出，当玻璃的折射率变大时，莫尔条纹间距变大，条纹变疏。表4-4 玻璃材质与莫尔条纹间距关系表玻璃材质bk7bk6ba

34、sf1sf6th玻璃的折射率1.51681.5311291.6260611.805182莫尔条纹间距x4.2250mm4.7275mm5.0324mm5.3375mm有效焦距efl0.0058257mm0.005911253mm0.005911227mm图4-23 玻璃材质为bk7时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-24 玻璃材质为bk6时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-25 玻璃材质为basf1时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线图4-26 玻璃材质为sf6th时，莫尔条纹间距与辐照度的关系曲线4.2.5 小结本章采用了zemax软件对光路测试系统进行了仿真设计，通过对仿真设计中的四

35、个变量：两光栅栅距、两光栅夹角、位相物体半径、位相物体材质与莫尔条纹间距的关系进行分析可知，本系统可以用来测试温度场温度。5 总结莫尔条纹干涉位移测量是近年来发展起来的一项新技术，其优点是非接触全场测量，方法直观且条纹对比度较好，测量精度可达波长的量级。本文主要应用该技术设计了一个用于燃烧场温度场测量的莫尔条纹干涉法光路测试系统，并使用光学设计软件zemax进行了仿真。本文作的主要研究有以下几个方面：1.研究并建立了莫尔偏折法测量微细尺度流体温度场的几何模型，分析了测量技术的基本原理，讨论了光学参数（如两光栅间的夹角，两光栅间的距离d，光栅频率q）对莫尔条纹质量的影响。2.通过对国内外文献资料

36、的解读与学习，设计了一个可用于燃烧场温度测量的莫尔条纹干涉法光路测试系统。3.利用光学设计软件zemax进行了仿真设计，通过对4个变量两光栅栅距、两光栅夹角、位相物体半径、位相物体材质与莫尔条纹间距的关系的处理，得到了一个基本完整的测试光路系统。参考文献1 曹起骧.密栅云纹法原理与应用m.北京：清华大学出版社，1983:33.2 xianyu su, wenjing chen. fourier transform profilometry. optics and lasers in engineeringj,2001,35(3):263-284.3 mitsuo takeda, kazuhiro mutoh. fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-d object shapes. applied opticsj, 1983, 22(24):3977-3982.4 d. post, w. a. baracat. high-sensitivity moire interferometry a sim