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数字全息术在微结构测量中的应用研究

李世扬  
【摘要】:微型化是各种电子、机械、信息系统的发展趋势,改进传统检测方法,研究新的测试技术是微系统工程发展的迫切要求。数字全息术作为一种新型的全息成像技术,将光学全息术、固体摄像器件与数字图像处理技术相结合,在微结构测量领域有着广阔的应用前景。数字无透镜傅里叶变换全息术因其对CCD的空间分辨率要求低、能充分利用CCD有限的靶面尺寸,在微结构形貌、形变以及材料特性参数的测量方面具有独特的优势。本文从理论和实验两方面详细探讨了数字无透镜傅里叶变换全息术在微结构测量方面的应用。其主要内容包括: (1) 从处理衍射问题的菲涅耳变换法出发,根据菲涅耳衍射积分的快速数值解法,讨论了数字无透镜傅里叶变换全息图数值再现的相关过程和理论,以及再现像平面的空间分辨率和横向分辨率问题。分析了CCD参数对记录条件的限制、不同参考光的记录对CCD空间带宽的影响以及普通离轴全息系统与无透镜傅里叶变换全息系统中信息量的空间带宽积问题。指出无透镜傅里叶变换全息光路能充分利用CCD有限的靶面尺寸,从而降低对CCD空间分辨率的要求,因此适用于对微小物体进行测量研究。 (2) 实验上研究了利用数字无透镜傅立叶变换全息术对小物体的测量。分别针对反射型小物体,透射型小物体进行了数字记录和再现,结合数字图像处理取得到了较好的再现结果,并进一步对逐层再现透明三维物场和由此涉及到的景深问题进行了分析和讨论。将数字无透镜傅里叶变换全息术应用到全息干涉计量中,分别测量了钢悬臂梁的离面位移以及小电阻在加载不同电压下的形变程度,分析了由光路几何结构决定的灵敏度矢量对形变测量结果的影响。最后对双源点法测微小物体三维形貌进行了实验研究,并讨论了影响测量精度的主要因素、存在的主要问题及解决途径。 (3) 将自聚焦透镜与光纤数字全息术相结合,利用自聚焦透镜对物光复振幅进行中继传输,并结合光纤细小柔韧、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点,设计出了一种基于无透镜傅立叶变换光路的,灵巧的光纤数字全息测量系统,对小物体进行了记录和再现,同时对加载铝板的形变进行了定性测量,获得了较为满意的结果。实验结果表明,该系统不仅结构紧凑,还可以利用多截距的长自聚焦透镜棒对一些光线难以到达的隐藏区域进行中继成像,从而实现对各种复杂环境、一般测量手段难以进行直接测量的封闭结构实现相关量的有效测量。


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