莫爾條紋干涉光學(xué)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

1、清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書摘 要隨著激光技術(shù)、近代光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全息干涉法、散斑干涉法、莫爾條紋干涉法和數(shù)字圖像處理為主要研究和研究?jī)?nèi)容的“現(xiàn)代光測(cè)新領(lǐng)域。莫爾條紋干涉法是八十年代初興起的一種具有非接觸測(cè)量、可進(jìn)行全場(chǎng)和實(shí)時(shí)分析的高靈敏度大量程的光學(xué)測(cè)量方法，通常使用頻率為6002400線/mm的高密度光柵。作為八十年代初期才發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)方法，莫爾條紋干涉法由于具有高靈敏度、大量程、非接觸、全場(chǎng)和實(shí)時(shí)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛重視。本文總結(jié)了莫爾條紋干涉法采用的光路種類，比較優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)理解莫爾條紋的形成原理和其測(cè)量溫度的原理，設(shè)計(jì)了用于溫度場(chǎng)測(cè)量的莫爾條紋干涉法光

2、路測(cè)試系統(tǒng)。在對(duì)莫爾條紋干涉法測(cè)量溫度場(chǎng)的基本原理研究的基礎(chǔ)上，分析并掌握了莫爾條紋的形成規(guī)律，設(shè)計(jì)光路測(cè)試系統(tǒng)，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件zemax中進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，對(duì)仿真得出測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。深入討論了仿真設(shè)計(jì)中光學(xué)參數(shù)對(duì)莫爾條紋干涉法測(cè)量溫度的影響。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容對(duì)莫爾條紋干涉法在溫度場(chǎng)測(cè)量的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：莫爾條紋干涉法，溫度場(chǎng)測(cè)量，zemax仿真設(shè)計(jì)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目錄1 緒論11.1 課題背景11.2 莫爾條紋技術(shù)的發(fā)展11.2.1莫爾條紋技術(shù)的分類21.2.2 莫爾條紋干涉技術(shù)應(yīng)用21.3課題的研究意義及內(nèi)容31.3.1 課題的研究意義31.3.2 課題的研究?jī)?nèi)容32 莫爾條紋干涉法原理及幾種典型的光路系統(tǒng)42.1 莫爾條紋干涉法原理42.1.1 莫爾條紋42.1.2 莫爾條紋干涉法基本原理42.2 莫爾條紋干涉法中的幾種常用光路82.2.1

9、 雙光束光路系統(tǒng)82.2.2 三反鏡光路系統(tǒng)92.2.3大準(zhǔn)直鏡光路系統(tǒng)92.2.4 光柵分光光路系統(tǒng)102.3 小結(jié)103 莫爾條紋干涉法測(cè)量溫度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)113.1 莫爾條紋干涉法光路測(cè)試系統(tǒng)113.2 光學(xué)參數(shù)的選取113.2.1 兩光柵之間夾角113.2.2 兩光柵之間距離d的選取123.3 小結(jié)124 利用zemax軟件進(jìn)行光路仿真設(shè)計(jì)134.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)134.1.1 仿真程序模式選擇134.1.2 元件選擇和參數(shù)設(shè)置134.1.3 生成3d視圖154.2 仿真結(jié)果分析184.2.1 兩光柵柵距對(duì)莫爾條紋間距的影響184.2.2 兩光柵之間夾角對(duì)莫爾條紋間距的影響204.2.3 位

10、相物體的半徑對(duì)莫爾條紋間距的影響224.2.4 位相物體的材質(zhì)對(duì)莫爾條紋間距的影響254.2.5 小結(jié)275 總結(jié)28參考文獻(xiàn)29致謝31第ii頁(yè)共ii頁(yè)1 緒論1.1 課題背景莫爾條紋法是在上世紀(jì)六十年代開始興起的物體全場(chǎng)變形的測(cè)量技術(shù)。自從上世紀(jì)八十年代中期以來(lái)，高頻率光柵制作技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，首先由d post提出了莫爾條紋干涉法的測(cè)量原理和相關(guān)測(cè)量技術(shù)。莫爾條紋干涉法是一種具有非接觸測(cè)量、可進(jìn)行全場(chǎng)和實(shí)時(shí)分析的高靈敏度的光學(xué)測(cè)量方法，通常使用頻率為600-2400線/毫米的高密度光柵，其測(cè)量位移靈敏度比傳統(tǒng)的莫爾條紋法高幾十倍甚至上百倍。由于莫爾條紋干涉法的上述優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)受到了廣大

11、實(shí)驗(yàn)力學(xué)工作者的日益重視，并被譽(yù)為自上世紀(jì)八十年代以來(lái)實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域中的最受關(guān)注的方法。近年來(lái)莫爾條紋法的研究熱點(diǎn)已轉(zhuǎn)向在微納尺度的變形測(cè)量，以各種高分辨率電鏡技術(shù)為工具的微/納米莫爾條紋法發(fā)展迅速。近年來(lái)，莫爾條紋干涉法的應(yīng)用研究取得了很大進(jìn)展，無(wú)論是從宏觀到細(xì)現(xiàn)，從常溫到高低溫，還是從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，都存在有莫爾條紋干涉法成功應(yīng)用的例子無(wú)論是在固體力學(xué)的基本規(guī)律研究中，還是在固體力學(xué)與材料科學(xué)、生物科學(xué)、傲電子學(xué)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域中，莫爾條紋干涉法都在發(fā)揮著重要的作用。自90年代以來(lái)，每年都有幾十篇有關(guān)莫爾條紋干涉法應(yīng)用研究的文章發(fā)表在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊與會(huì)議文集上。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，莫爾條紋干涉法的

12、理論研究已基本成熟，應(yīng)用研究也取得了很大進(jìn)展，現(xiàn)在莫爾條紋干涉法原則上可以獲得全息干涉法、散斑干涉法等所能獲得的全部結(jié)果隨著制柵技術(shù)的不斷完善和普及，莫爾條紋干涉法必將在科學(xué)研究與工程應(yīng)用上發(fā)揮更大的作用。1.2 莫爾條紋技術(shù)的發(fā)展莫爾條紋又稱為云紋，莫爾（moiré）來(lái)自于法文1，原意表示水波紋或波紋花樣。幾百年前，法國(guó)人發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：當(dāng)兩層被稱作莫爾絲綢的綢子疊在一起時(shí)將產(chǎn)生復(fù)雜的水波紋圖案，如果絲綢之間相對(duì)挪動(dòng)，圖案也隨著晃動(dòng)。這種有趣的圖案當(dāng)時(shí)被稱為莫爾條紋，國(guó)內(nèi)比較普遍的意譯為云紋。1874 年，瑞利(l.raylrigh)首次將莫爾條紋圖案作為一種計(jì)測(cè)手段，根據(jù)條紋構(gòu)形情

13、況來(lái)評(píng)價(jià)光柵尺各線紋之間的間隔均勻性，從而開發(fā)了莫爾計(jì)量學(xué)。自從上世紀(jì) 40 年代以來(lái)，莫爾條紋技術(shù)被不斷地發(fā)展和完善。該項(xiàng)技術(shù)被主要應(yīng)用于固體力學(xué)參數(shù)的測(cè)量研究中。1.2.1莫爾條紋技術(shù)的分類到今天為止莫爾條紋測(cè)量技術(shù)大致包括四個(gè)部分，即幾何莫爾條紋法，莫爾條紋干涉法，電子束莫爾條紋法和納米莫爾條紋技術(shù)。幾何莫爾條紋干涉法：1948 年，由r.weller 和 b.shepherd 首先提出了幾何莫爾條紋法，由于受到衍射效應(yīng)的影響，當(dāng)光柵頻率超過(guò) 50 lines/mm（即每毫米 50線）時(shí)，這時(shí)得到的條紋對(duì)比度很差，相應(yīng)的精度約為 0.02mm 左右23。莫爾條紋干涉法：在上世紀(jì)80年代初

14、，post 等人首先提出了精度比較高的莫爾條紋干涉法4，它的測(cè)量精度可以達(dá)到 0. 42m。1989 年，戴福隆提出云紋干涉法的理論解釋波前干涉理論5。電子束云紋法：1991 年，由kishimoto, s.，dally 和 read 提出了電子束云紋法6，得到了測(cè)量精度達(dá)到 0. 1m的莫爾條紋條紋圖。納米云紋技術(shù)：2000年，邢永明，戴福隆等提出了將晶體材料作為光柵的納米云紋法7，測(cè)試精度可達(dá)原子尺寸量級(jí)，即 0 .1nm。1.2.2 莫爾條紋干涉技術(shù)應(yīng)用經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，莫爾條紋干涉技術(shù)已成功應(yīng)用于復(fù)合材料、形狀記憶合金等細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究以及激光焊接殘余變形、微電子封裝測(cè)量等領(lǐng)域中。我們

15、可以列舉兩個(gè)例子：激光焊接殘余應(yīng)變的測(cè)量8：通過(guò)使用莫爾條紋干涉技術(shù)來(lái)進(jìn)行激光焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量。這對(duì)于了解激光焊接殘余應(yīng)力與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)于評(píng)價(jià)激光焊接的質(zhì)量，改進(jìn)焊接工藝都是具有重要的指導(dǎo)意義的。測(cè)定高溫材料彈性模量及泊松比9：通過(guò)莫爾條紋干涉法的波前干涉原理，使用激光莫爾條紋干涉法來(lái)進(jìn)行非接觸測(cè)量高溫材料彈性模量和泊松比，這解決了材料高溫彈性模量和泊松比測(cè)試的一大難題。1.3課題的研究意義及內(nèi)容1.3.1 課題的研究意義莫爾條紋干涉法是一種基于moire效應(yīng)的光學(xué)方法，通過(guò)獲取莫爾條紋的位移量（或者莫爾條紋相位的變化）來(lái)計(jì)算光線時(shí)產(chǎn)生的光線偏折角，從而獲得流體的折射率分布和溫度分

16、布。莫爾偏折法對(duì)試驗(yàn)件非接觸，對(duì)流場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)，角分辨率高，空間分辨率高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)。因此，本課題的研究不僅給微細(xì)尺度對(duì)流換熱溫度場(chǎng)的測(cè)量提供一條適用的技術(shù)途徑，而且對(duì)于促進(jìn)熱參數(shù)光學(xué)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展也具有學(xué)術(shù)意義。1.3.2 課題的研究?jī)?nèi)容1. 深如了解與研究莫爾條紋干涉法基本原理，在此基礎(chǔ)上研究探討莫爾條紋干涉法中各光學(xué)參數(shù)對(duì)條紋質(zhì)量的影響。2. 設(shè)計(jì)可用于燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量的莫爾條紋干涉光路測(cè)試系統(tǒng)。3. 利用zemax軟件進(jìn)行仿真性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。2 莫爾條紋干涉法原理及幾種典型的光路系統(tǒng)2.1 莫爾條紋干涉法原理2.1.1 莫爾條紋在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊和在一

17、起，中間留有很小的間隙（如圖2-1），并使兩者的柵線保持很小的夾角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。 這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。圖2-1 莫爾條紋形成原理圖圖2-2 莫爾條紋圖2.1.2 莫爾條紋干涉法基本原理莫爾條紋干涉法用于測(cè)量的幾何解釋：莫爾偏折法是一種建立于莫爾效應(yīng)基礎(chǔ)上的光學(xué)方法。由莫爾效應(yīng)產(chǎn)生的莫爾條紋圖作為測(cè)試信息的載體。圖 2-3 為莫爾條紋產(chǎn)生機(jī)理的示意圖，圖中兩個(gè)光柵g1和 g2的節(jié)距均為 p，它們與 x 軸的夾角均為 2。在一級(jí)亮紋上取一個(gè)點(diǎn)(x ,y)，為了討論的方便，以對(duì)莫爾條紋的形成

18、進(jìn)行細(xì)致分析，被討論區(qū)域的放大圖如圖 2-2 所示。 （2-1）其中k 和m 均為整數(shù)，對(duì)于一級(jí)亮紋有mk=1由（2-1）可以解得： （2-2）實(shí)驗(yàn)中角很小，從而我們有以下近似： （2-3）一級(jí)亮紋對(duì)應(yīng)于 l = m- k=1。對(duì)二級(jí)亮紋的分析可以得到其相應(yīng) l = m- k=2，如圖2-4所示。從而可知，（23）式是對(duì)莫爾條紋的亮紋位置的描寫，它反映了條紋的位置x和條紋的級(jí)次l之間的關(guān)系。從（23）式可知條紋間距為 p'=p （2-4）圖2-3 莫爾條紋形成機(jī)理的序數(shù)方程法解釋中的幾何關(guān)系圖2-4 對(duì)一級(jí)亮紋的序數(shù)方程分析莫爾條紋干涉法原理：莫爾條紋干涉法測(cè)溫的基本原理如圖 2-5

19、所示。圖 2-5 莫爾條紋干涉法原理圖2-5中 g1、g2為兩個(gè)等節(jié)距光柵，光柵節(jié)距為p，兩個(gè)光柵間距為d 。在x-y平面內(nèi)，光柵g1、g2與x軸交角分別為 +2和 -2 。光線透過(guò)被測(cè)非均勻介質(zhì)后，光線的傳播方向?qū)⑵x原來(lái)傳播方向，它的角度為 。 在 y-z 平面和x-z 平面的投影分別為y 和x 。當(dāng)光線穿過(guò)兩個(gè)光柵后，將會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋。如果光線穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)后通過(guò)光柵，由于光線的偏折會(huì)使莫爾條紋產(chǎn)生位移。這時(shí)光柵的序數(shù)方程10為 （2-5） （2-6）利用近似，解(2-5) (2-6)得 （2-7）考慮到21，（2-7）式可簡(jiǎn)化為 （2-8）當(dāng)光線沒(méi)有通過(guò)位相物體時(shí)，由（23）式 x =

20、lp 與（28）聯(lián)立得莫爾條紋位移為 （2-9）從（27）到（28）的簡(jiǎn)化表明，偏折角在 x-z 軸平面的投影x 對(duì)莫爾條紋位移的貢獻(xiàn)不大。綜上可知，在坐標(biāo)系中，條紋垂直于 x 軸，光線受擾后條紋位移沿著 x 軸方向，偏折角在 y-z 平面的投影y 決定了條紋的位移量 h(x,y)。而條紋位移量h(x,y)和條紋的相位變化（x，y）之間的關(guān)系為 （2-10）聯(lián)合（29）（210）得11 （2-11）（211）中、 p '、d都是已知常數(shù)，從而只要求得莫爾條紋得相位12分布(x,y) ，就可以得到光線偏折角y(x,y)，進(jìn)而得到介質(zhì)得折射率場(chǎng)，最終得到所要測(cè)量的值。2.2 莫爾條紋干涉法

21、中的幾種常用光路2.2.1 雙光束光路系統(tǒng)雙光束光路系統(tǒng)13如圖2-6所示，是一種利用一束準(zhǔn)直光打在試件上的同時(shí)令這束準(zhǔn)直光在反射鏡進(jìn)行反射，二次照射在試件上，與直接照射在試件上的準(zhǔn)直光形成兩道平行光束。這種光路系統(tǒng)具有光學(xué)元件少、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的光路系統(tǒng)。但該光路只能測(cè)量單方向位移場(chǎng)，而且反射鏡要緊挨試件。它的缺點(diǎn)在于在某些特殊情況下（如試件處于高溫環(huán)境），反射鏡不可能靠近試件，則不能使用該光路。圖2-6 雙光束光路系統(tǒng)2.2.2 三反鏡光路系統(tǒng)三反鏡光路系統(tǒng)是在雙光束光路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)反射鏡，從而使得該光路可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的上位移場(chǎng)。三反射鏡光路系統(tǒng)的缺點(diǎn)和雙光束光路系統(tǒng)相同，

22、三反鏡必須靠近試件，這在特殊測(cè)試條件下有時(shí)是不可能的。2.2.3大準(zhǔn)直鏡光路系統(tǒng)大準(zhǔn)直鏡光路系統(tǒng)（如圖2-7）是利用一個(gè)大準(zhǔn)直鏡產(chǎn)生一束面積較大的準(zhǔn)直光，利用四個(gè)反射鏡將其分為四束準(zhǔn)直光(圖2-7)中只畫了豎直方向的光束，水平方向也可分為兩束準(zhǔn)直光)，然后通過(guò)另外四個(gè)反射鏡將四束準(zhǔn)直光反射到試件表面。該光路可以同時(shí)測(cè)量雙方向位移場(chǎng)，而且光學(xué)元件與試件有一定距離，可以用于高溫等復(fù)雜條件下的變形場(chǎng)測(cè)量。該光路的缺點(diǎn)是需要一個(gè)大準(zhǔn)直鏡和較多的反射鏡，這使得整個(gè)光路系統(tǒng)較為龐大、調(diào)節(jié)更為煩瑣，而且大準(zhǔn)直鏡的加工也很困難。圖2-7 大準(zhǔn)直鏡光路系統(tǒng)2.2.4 光柵分光光路系統(tǒng)在光柵分光光路系統(tǒng)14中，準(zhǔn)

23、直激光束先垂直入射到一個(gè)高頻正交云紋光柵的表面，在互相垂直的光柵方向上產(chǎn)生對(duì)稱的±1 級(jí)的衍射光，利用四個(gè)反射鏡將這四束衍射光反射到試件表面，這樣即可同時(shí)測(cè)量u、v變形位移場(chǎng)。該光路的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)方便，適用于開發(fā)云紋干涉法的測(cè)試儀器。該光路的關(guān)鍵元件是分光光柵，要求具有很高的質(zhì)量，以保證衍射的四束光仍然是準(zhǔn)直光。通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)反射鏡的角度，可以改變?nèi)肷涞皆嚰砻娴募す馐鴬A角，從而適用于不同試件柵頻率的測(cè)量。該光路系統(tǒng)的光學(xué)元件和試件之間有一定的距離，可以用于處于復(fù)雜環(huán)境中(如高溫環(huán)境)的試件變形測(cè)量。另外，利用微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)分光光柵，可以方便地實(shí)現(xiàn)云紋干涉法的相移技術(shù)，以提高測(cè)

24、量的靈敏度和精度。2.3 小結(jié)1.本章分析和研究了莫爾條紋的形成原理和莫爾條紋干涉法測(cè)量流體溫度場(chǎng)的基本原理。2.研究并建立了莫爾條紋干涉法測(cè)量流體溫度場(chǎng)的物理模型：幾何光學(xué)模型。研究表明莫爾條紋干涉法對(duì)光線偏折角具有很好的放大作用。3 莫爾條紋干涉法測(cè)量溫度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 莫爾條紋干涉法光路測(cè)試系統(tǒng)莫爾條紋干涉法光路測(cè)試系統(tǒng)如圖所示，由激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直鏡后成為平行光束，如前所述，光束通過(guò)光柵1和2所構(gòu)成的光柵對(duì)后將產(chǎn)生莫爾干涉條紋。3-1 莫爾條紋干涉法光路測(cè)試系統(tǒng)3.2 光學(xué)參數(shù)的選取為了在實(shí)驗(yàn)中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)莫爾條紋干涉法測(cè)量靈敏度理論分析的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)裝置中光學(xué)參數(shù)的選取也

25、十分重要。下面將討論如何選取主要的光學(xué)參數(shù)，即兩光柵之間的夾角 ，兩光柵之間的距離d ，光柵頻率q。3.2.1 兩光柵之間夾角首先，在莫爾條紋干涉法測(cè)溫的幾何光學(xué)解釋中用到了<<1（即tan ，cos 1）的近似，因此在選取 時(shí)，應(yīng)保證 足夠的小，使得上述近似能夠得到滿足。其次，有公式 hx',y'=yx',y'd/ (3-1)莫爾條紋的位移15為hx',y'=yx',y'd/，因此希望盡可能的小，使得放大因子d 較大，從而對(duì)同一試驗(yàn)流場(chǎng)，可以盡可能地增大莫爾條紋的位移量，有利于測(cè)量較小的光線偏折角，以便適用于微細(xì)尺度

26、流場(chǎng)溫度的測(cè)量。第三，由公式(2-4)莫爾條紋間距 p'=p，可見(jiàn)越小，條紋間距越大，從而在一定視場(chǎng)內(nèi)能觀察到的條紋數(shù)就越少，當(dāng)條紋數(shù)減少到一定程度時(shí)，將對(duì)莫爾圖案的數(shù)據(jù)處理造成一定困難。所以， 也不能取的太小，依據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為了保證所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有足夠的精度，莫爾圖案中至少有 58 根條紋。3.2.2 兩光柵之間距離d的選取由式(3-1) 莫爾條紋的位移量hx',y'=yx',y'd/ , 因此希望d盡可能的大，使得放大因子d 較大，從而莫爾條紋的位移量增大，有利于測(cè)量較小的偏折角，亦即能夠用于微細(xì)尺度流場(chǎng)溫度的測(cè)量。由公式 min=p21d=1q

27、d （3-2）min=1qd ，因此d越大，角分辨率越高，越利于微細(xì)尺度的測(cè)量中較小偏折角的測(cè)量。但是d也不能過(guò)大，否則將會(huì)影響條紋的對(duì)比度16。此外，d的選取還要保證光柵g2在g1的傅立葉像面上，要滿足talbot距離的要求，即要滿足公式 1s+1z=1zl （3-3）其中zl=2klq2=p2l為talbot 距離，即zl 為沒(méi)有位相物體存在時(shí)，光柵 g1的自成像位置。3.3 小結(jié) 本章主要闡述了本設(shè)計(jì)所要用到的莫爾條紋干涉光路，并對(duì)實(shí)驗(yàn)所需要用到的參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。4 利用zemax軟件進(jìn)行光路仿真設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次軟件仿真是要對(duì)所設(shè)計(jì)的莫爾條紋干涉法光路測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行仿真。4.

28、1.1 仿真程序模式選擇此系統(tǒng)仿真的模式我們選擇sequential or mixed sequential/non-sequential mode 模式，在此模式下進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。所以，在主菜單欄，點(diǎn)擊file，在所出現(xiàn)的菜單中選擇sequential or mixed sequential/non-sequential mode，將整個(gè)環(huán)境變成混合序列模式，如圖4-1圖4-1 仿真模式選擇混合序列模式4.1.2 元件選擇和參數(shù)設(shè)置在選擇sequential or mixed sequential/non-sequential mode 后，會(huì)彈出lens data editor ，如圖4-

29、2所示。圖4-2 lens data editor欄接下來(lái)是參數(shù)的設(shè)置。在這里，使用標(biāo)準(zhǔn)光源。圖4-3 光源的選擇其它透鏡及光柵元件參數(shù)如圖4-4，4-5所示圖4-4 系統(tǒng)各元件參數(shù)圖4-5 光柵參數(shù)4.1.3 生成3d視圖在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行元件選擇和參數(shù)設(shè)置后點(diǎn)擊主界面上方的l3d，即可生成3d layout。圖4-6 系統(tǒng)3d layout圖4-7 3d layout參數(shù)圖4-8 shaded model圖4-9 仿真得出的莫爾條紋4.2 仿真結(jié)果分析4.2.1 兩光柵柵距對(duì)莫爾條紋間距的影響在仿真中通過(guò)改變2個(gè)光柵之間的柵距可以得到相應(yīng)的莫爾條紋間距變化數(shù)值（如表4-1）。由表格可知，當(dāng)兩

30、光柵之間距離增大時(shí)，莫爾條紋的間距增大，條紋變疏。表4-1 兩光柵柵距與莫爾條紋間距關(guān)系表兩光柵柵距40mm45mm50mm55mm莫爾條紋間距x4.4255mm4.4225mm4.7275mm4.7275mm圖4-10 兩光柵柵距為40mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-11兩光柵柵距為45mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-12 兩光柵柵距為50mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-13 兩光柵柵距為55mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線4.2.2 兩光柵之間夾角對(duì)莫爾條紋間距的影響 在第二章中已經(jīng)知道，莫爾條紋間距與兩光柵之間的夾角成反比，亦即p'=p

31、。在仿真中通過(guò)改變兩個(gè)光柵之間的夾角可以得到相應(yīng)的莫爾條紋間距變化數(shù)值（如表4-2）。由表格可以看出，當(dāng)兩光柵之間的夾角增大時(shí)，莫爾條紋間距變小，條紋變密。表4-2 兩光柵之間夾角與莫爾條紋間距關(guān)系表兩光柵之間夾角 1°3°5°7°莫爾條紋間距x4.7275mm4.7275mm4.4225mm4.4225mm圖4-14 兩光柵夾角為1°時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-15 兩光柵夾角為3°時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-16 兩光柵夾角為5°時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-17 兩光柵夾角為7

32、6;時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線4.2.3 位相物體的半徑對(duì)莫爾條紋間距的影響在仿真中通過(guò)改變位相物體的半徑可以得到相應(yīng)的莫爾條紋間距變化數(shù)值（如表4-3）。由表格可以看出，當(dāng)位相物體半徑增大時(shí)，莫爾條紋間距變小，條紋變密。表4-3 位相物體半徑與莫爾條紋間距關(guān)系表位相物體半徑r30mm35mm40mm45mm50mm莫爾條紋間距x5.6425mm5.3375mm5.0325mm4.7275mm4.4225mm有效焦距efl-0.005911168mm-0.0059112mm-0.005911223mm-0.005911242mm-0.0059157mm圖4-18 位相物體半徑為30mm

33、時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-19 位相物體半徑為35mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-20 位相物體半徑為40mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-21 位相物體半徑為45mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-22 位相物體半徑為50mm時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線4.2.4 位相物體的材質(zhì)對(duì)莫爾條紋間距的影響仿真中通過(guò)改變位相物體的材質(zhì)是玻璃，通過(guò)改變玻璃的材質(zhì)（即改變折射率）可以得到相應(yīng)的莫爾條紋間距變化數(shù)值（如表4-4）。由表格可以看出，當(dāng)玻璃的折射率變大時(shí)，莫爾條紋間距變大，條紋變疏。表4-4 玻璃材質(zhì)與莫爾條紋間距關(guān)系表玻璃材質(zhì)bk7bk6ba

34、sf1sf6th玻璃的折射率1.51681.5311291.6260611.805182莫爾條紋間距x4.2250mm4.7275mm5.0324mm5.3375mm有效焦距efl0.0058257mm0.005911253mm0.005911227mm圖4-23 玻璃材質(zhì)為bk7時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-24 玻璃材質(zhì)為bk6時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-25 玻璃材質(zhì)為basf1時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線圖4-26 玻璃材質(zhì)為sf6th時(shí)，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線4.2.5 小結(jié)本章采用了zemax軟件對(duì)光路測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)仿真設(shè)計(jì)中的四

35、個(gè)變量：兩光柵柵距、兩光柵夾角、位相物體半徑、位相物體材質(zhì)與莫爾條紋間距的關(guān)系進(jìn)行分析可知，本系統(tǒng)可以用來(lái)測(cè)試溫度場(chǎng)溫度。5 總結(jié)莫爾條紋干涉位移測(cè)量是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是非接觸全場(chǎng)測(cè)量，方法直觀且條紋對(duì)比度較好，測(cè)量精度可達(dá)波長(zhǎng)的量級(jí)。本文主要應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)用于燃燒場(chǎng)溫度場(chǎng)測(cè)量的莫爾條紋干涉法光路測(cè)試系統(tǒng)，并使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件zemax進(jìn)行了仿真。本文作的主要研究有以下幾個(gè)方面：1.研究并建立了莫爾偏折法測(cè)量微細(xì)尺度流體溫度場(chǎng)的幾何模型，分析了測(cè)量技術(shù)的基本原理，討論了光學(xué)參數(shù)（如兩光柵間的夾角，兩光柵間的距離d，光柵頻率q）對(duì)莫爾條紋質(zhì)量的影響。2.通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料

36、的解讀與學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量的莫爾條紋干涉法光路測(cè)試系統(tǒng)。3.利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件zemax進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)4個(gè)變量?jī)晒鈻艝啪?、兩光柵夾角、位相物體半徑、位相物體材質(zhì)與莫爾條紋間距的關(guān)系的處理，得到了一個(gè)基本完整的測(cè)試光路系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 曹起驤.密柵云紋法原理與應(yīng)用m.北京：清華大學(xué)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