莫爾條紋干涉光學(xué)系統(tǒng)仿真設(shè)計

1、隨著激光技術(shù)、近代光學(xué)和計算機技術(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內(nèi)容的“現(xiàn)代光測新領(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量、可進(jìn)行全場和實時分析的高靈敏度大量程的光學(xué)測量方法，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)展起來的一種現(xiàn)代光測力學(xué)方法，莫爾條紋干涉法由于具有高靈敏度、大量程、非接觸、全場和實時觀測的優(yōu)點受到廣泛重視。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。通過理解莫爾條紋的形成原理和其測量溫度的原理，設(shè)計了用于溫度場測量的莫爾條紋干涉法光路測試系統(tǒng)。在對莫爾條紋干涉法測量溫度

2、場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)計光路測試系統(tǒng)，利用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMA）中進(jìn)行了仿真設(shè)計，對仿真得出測量結(jié)果進(jìn)行分析。深入討論了仿真設(shè)計中光學(xué)參數(shù)對莫爾條紋干涉法測量溫度的影響。本設(shè)計的內(nèi)容對莫爾條紋干涉法在溫度場測量的應(yīng)用具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：莫爾條紋干涉法，溫度場測量，ZEMAX&真設(shè)計AbstractWith the development of laser technology, modern optics and computer technology, some modern optical measurement fields appeared

3、,such asholographic interferometry, speckle interferometry, moire interferometryand digitalimage processing. Moire Interferometrythe isa noncontactmeasurement appeared in the early1980s. It has manyadvantages with high sensitivity of the audience and real-time analysis of a large range optical measu

4、rement 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-time observations advant

5、age 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 measurement of temperature field ba

6、se 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 measurement results were o

7、ptic parameters in the test system have been discussed and conclude the effects of the Moire fringe interferometry to measure the contents of this design on moire fringe interferometry has a certain reference value for measuring in the temperature field applications.Keywords:moire fringe simulation,

8、the temperature fieldmeasurements,ZEMAXsimulation目錄1緒論 1課題背景 1莫爾條紋技術(shù)的發(fā)展 1莫爾條紋技術(shù)的分類 2莫爾條紋干涉技術(shù)應(yīng)用 2課題的研究意義及內(nèi)容 3課題的研究意義 3課題的研究內(nèi)容 32莫爾條紋干涉法原理及幾種典型的光路系統(tǒng) 4莫爾條紋干涉法原理 4莫爾條紋 4莫爾條紋干涉法基本原理 4莫爾條紋干涉法中的幾種常用光路 8雙光束光路系統(tǒng) 8三反鏡光路系統(tǒng) 9大準(zhǔn)直鏡光路系統(tǒng) 9光柵分光光路系統(tǒng) 10小結(jié) 103莫爾條紋干涉法測量溫度的系統(tǒng)設(shè)計 11莫爾條紋干涉法光路測試系統(tǒng) 11光學(xué)參數(shù)的選取 11兩光柵之間夾角8 11兩光柵之

9、間距離d的選取 12小結(jié) 124利用ZEMAM件進(jìn)行光品&仿真設(shè)計 13系統(tǒng)設(shè)計 13仿真程序模式選擇 13元件選擇和參數(shù)設(shè)置 13生成3D視圖 15仿真結(jié)果分析 18兩光柵柵距對莫爾條紋間距的影響 18兩光柵之間夾角對莫爾條紋間距的影響 20位相物體的半徑對莫爾條紋間距的影響 22位相物體的材質(zhì)對莫爾條紋間距的影響 25小結(jié) 275 總結(jié) 28參考文獻(xiàn) 29致謝 311 緒論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變形的測量技術(shù)。自從上世紀(jì)八十年代中期以來，高頻率光柵制作技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，首先由DPost 提出了莫爾條紋干涉法的測量原理和相關(guān)測量技術(shù)。莫爾條紋干涉法是一種具有

10、非接觸測量、可進(jìn)行全場和實時分析的高靈敏度的光學(xué)測量方法，通常使用頻率為600-2400 線 /毫米的高密度光柵，其測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，它已經(jīng)受到了廣大實驗力學(xué)工作者的日益重視，并被譽為自上世紀(jì)八十年代以來實驗力學(xué)領(lǐng)域中的最受關(guān)注的方法。近年來莫爾條紋法的研究熱點已轉(zhuǎn)向在微納尺度的變形測量，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， 莫爾條紋干涉法的應(yīng)用研究取得了很大進(jìn)展，無論是從宏觀到細(xì)現(xiàn)，從常溫到高低溫，還是從靜態(tài)到動態(tài)，都存在有莫爾條紋干涉法成功應(yīng)用的例子 無論是在固體力學(xué)的基本規(guī)律研究中，還是在固體

11、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，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)表在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊與會議文集上。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，莫爾條紋干涉法的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。莫爾條紋技術(shù)的發(fā)展莫爾條紋又稱為云紋，莫爾（moir e）來自于法文1 ,原意表示水波紋或波紋花樣。 幾百年前，法國人發(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將

12、產(chǎn)生復(fù)雜的水波紋圖案，如果絲綢之間相對挪動，圖案也隨著晃動。這種有趣的圖案當(dāng)時被稱為莫爾條紋，國內(nèi)比較普遍的意譯為云紋。1874 年，瑞利首次將莫爾條紋圖案作為一種計測手段，根據(jù)條紋構(gòu)形情況來評價光柵尺各線紋之間的間隔均勻性，從而開發(fā)了莫爾計量學(xué)。自從上世紀(jì)40 年代以來，莫爾條紋技術(shù)被不斷地發(fā)展和完善。該項技術(shù)被主要應(yīng)用于固體力學(xué)參數(shù)的測量研究中。莫爾條紋技術(shù)的分類到今天為止莫爾條紋測量技術(shù)大致包括四個部分，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 和 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50 L

13、ines/mm （即每毫米50線）時，這時得到的條紋對比度很差，相應(yīng)的精度約為左右 23 。莫爾條紋干涉法：在上世紀(jì)80 年代初， Post 等人首先提出了精度比較高的莫爾條紋干涉法4,它的測量精度可以達(dá)到0. 42ni 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 ,得到了測量精度達(dá)到0.1 m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，測試精度可達(dá)原子尺寸量級，即0 .1nm 。莫爾條紋干涉技術(shù)應(yīng)用經(jīng)過幾十

14、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)實驗研究以及激光焊接殘余變形、微電子封裝測量等領(lǐng)域中。我們可以列舉兩個例子：激光焊接殘余應(yīng)變的測量8 ： 通過使用莫爾條紋干涉技術(shù)來進(jìn)行激光焊接殘余應(yīng)力的測量。這對于了解激光焊接殘余應(yīng)力與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，對于評價激光焊接的質(zhì)量，改進(jìn)焊接工藝都是具有重要的指導(dǎo)意義的。測定高溫材料彈性模量及泊松比9 ：通過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進(jìn)行非接觸測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試的一大難題。課題的研究意義及內(nèi)容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)

15、方法，通過獲取莫爾條紋的位移量 （或者莫爾條紋相位的變化）來計算光線時產(chǎn)生的光線偏折角，從而獲得流體的折射率分布和溫度分布。莫爾偏折法對試驗件非接觸，對流場無擾動，角分辨率高，空間分辨率高，可以實現(xiàn)實時觀測。因此，本課題的研究不僅給微細(xì)尺度對流換熱溫度場的測量提供一條適用的技術(shù)途徑，而且對于促進(jìn)熱參數(shù)光學(xué)測試技術(shù)的發(fā)展也具有學(xué)術(shù)意義。課題的研究內(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)對條紋質(zhì)量的影響。2. 設(shè)計可用于燃燒場溫度測量的莫爾條紋干涉光路測試系統(tǒng)。3. 利用Zemax軟件進(jìn)行仿真性實驗進(jìn)行驗證。2 莫爾條紋干涉法原理及幾種典型的光路

16、系統(tǒng)莫爾條紋干涉法原理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疊和在一起，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9。在兩光柵的 刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，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莫爾條紋圖莫爾條紋干涉法基本原理莫爾條紋干涉法用于測量的幾何解釋：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試信息的載體。圖2-3為莫爾條紋產(chǎn)生機理的示意圖，圖中兩個光柵G和G2的節(jié)距均為p,它們與x軸 的夾角均為性/如在

17、一級亮紋上取一個點(x ,y),為了討論的方便，以對莫爾 條紋的形成進(jìn)行細(xì)致分析，被討論區(qū)域的放大圖如圖2-2所示。ycos xsin - k p 22ycos xsin m p 22(2-1)其中k和m均為整數(shù)，對于一級亮紋有 m- k=1由(2-1 )可以解得:(2-2)(2-3)x (m k)p 2sin( /2)實驗中18角很小，從而我們有以下近似:(m k)p lp一級亮紋對應(yīng)于l = m- k=1。對二級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，(2 3)式是對莫爾條紋的亮紋位置的描寫，它反映 了條紋的位置x和條紋的級次l之間的關(guān)系。從(2 3)式可

18、知條紋間距為口二百(2-4)圖2-3莫爾條紋形成機理的序數(shù)方程法解釋中的幾何關(guān)系圖2-4對一級亮紋的序數(shù)方程分析莫爾條紋干涉法原理：莫爾條紋干涉法測溫的基本原理如圖2-5所示。圖2-5莫爾條紋干涉法原理圖2-5中Gi、G為兩個等節(jié)距光柵，光柵節(jié)距為 p,兩個光柵間距為d。 在x-y平面內(nèi)，光柵G、G與x軸交角分別為+6/2和-8/2 。光線透過被測非 均勻介質(zhì)后，光線的傳播方向?qū)⑵x原來傳播方向， 它的角度為口|?？谠趛-z 平面和x-z平面的投影分別為Q y和Qx o當(dāng)光線穿過兩個光柵后，將會產(chǎn)生莫爾條紋。如果光線穿過被測介質(zhì)后通過光柵，由于光線的偏折會使莫爾條紋產(chǎn)生位 移。這時光柵的序數(shù)方

19、程10為(yyd)cos -(xxd)sin 2 (k )p(2-5)y cos 一2xsin 一 2(2-6)利用近似cos 一 22 解(2-5) (2-6) 得xd /2 lp(2-7)考慮到1,(2-7)式可簡化為xyd lP(2-8)當(dāng)光線沒有通過位相物體時，由(23)式x = llp/e與(28)聯(lián)立得 莫爾條紋位移為y x, y dh x, y x x (2-9)從(27)至ij (2 8)的簡化表明，偏折角在x-z軸平面的投影口對莫 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平面的投影口 y決定了條紋的位移量h(

20、x,y)。而條紋位移 量h(x,y)和條紋的相位變化A0v)之間的關(guān)系為2 .x, y h x, yP(2-10)聯(lián)合(2 9) (210)得11y x,yP2 dx,y(2-11)(211)中8、| 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 0(x，V),就可以得到光線偏折角門式乂一)，進(jìn)而得到介質(zhì)得折射率場，最終 得到所要測量的值。莫爾條紋干涉法中的幾種常用光路 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

21、簡單等特點的光路系統(tǒng)。 但該光路只能測量單方向位移場，而且反射鏡要緊挨試件。它的缺點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)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)上增加了兩個反射鏡，從而使得該光路可以同時測量兩個方向的上位移場。三反射鏡光路系統(tǒng)的缺點和雙光束光路系統(tǒng)相同，三反鏡必須靠近試件，這在特殊測試條件下有時是不可能的。大準(zhǔn)直鏡光路系統(tǒng)大準(zhǔn)直鏡光路系統(tǒng)（如圖2-7 ）是利用一個大準(zhǔn)直鏡產(chǎn)生一束面積較大的準(zhǔn)直光，利用四個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

22、光） ，然后通過另外四個反射鏡將四束準(zhǔn)直光反射到試件表面。該光路可以同時測量雙方向位移場，而且光學(xué)元件與試件有一定距離，可以用于高溫等復(fù)雜條件下的變形場測量。該光路的缺點是需要一個大準(zhǔn)直鏡和較多的反射鏡，這使得整個光路系統(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)光柵分光光路系統(tǒng)在光柵分光光路系統(tǒng)14中， 準(zhǔn)直激光束先垂直入射到一個高頻正交云紋光柵的表面，在互相垂直的光柵方向上產(chǎn)生對稱的 土 1級的衍射光，利用四個反射鏡將這四束衍射光反射到試件表面，這樣即可同時測量U、V變形位移場。該光路的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)方便，適用于開發(fā)云紋干涉法的測試儀器。該光路

23、 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。通過調(diào)節(jié)四個反射鏡的角度，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）的試件變形測量。另外，利用微型馬 達(dá)驅(qū)動分光光柵，可以方便地實現(xiàn)云紋干涉法的相移技術(shù)， 以提高測量的靈敏度 和精度。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量流體溫度場的 基本原理。2 .研究并建立了莫爾條紋干涉法測量流體溫度場的物理模型：幾何光學(xué)模型。研究表明莫爾條紋干涉法對光線偏折角具有很好的放大作用。3莫爾條紋干涉

24、法測量溫度的系統(tǒng)設(shè)計莫爾條紋干涉法光路測試系統(tǒng)莫爾條紋干涉法光路測試系統(tǒng)如圖所示，由激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過擴束鏡 準(zhǔn)直鏡后成為平行光束，如前所述，光束通過光柵1和2所構(gòu)成的光柵對后將產(chǎn) 生莫爾干涉條紋。準(zhǔn)直光產(chǎn)生裝置K1! !c一-二 1M!激光器擴束鏡.1: 1被測位相物體17/1 （高溫）1）準(zhǔn)直鏡1士: 一，哎14 *4，0I云紋圖產(chǎn)生及采集裝置成像透鏡I I成像CCD1# 光瀾計算機1 1圖像處理光柵1光柵23-1莫爾條紋干涉法光路測試系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)的選取為了在實驗中能夠?qū)崿F(xiàn)對莫爾條紋干涉法測量靈敏度理論分析的結(jié)果， 實驗 裝置中光學(xué)參數(shù)的選取也十分重要。 下面將討論如何選取主要的光學(xué)參

25、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。兩光柵之間夾角Ie首先，在莫爾條紋干涉法測溫的幾何光學(xué)解釋中用到了 |日1(即tan |e e , cos e =1)的近似，因此在選取e時，應(yīng)保證9足夠的小，使得上述近 似能夠得到滿足。其次，有公式h(x . )= q y(x , v )d/ 8(3-1)莫爾條紋的位移15為一=)二口因此希望8盡可能的小，使得放大因子d/8較大，從而對同一試驗流場，可以盡可能地增大莫爾條紋的位移 量，有利于測量較小的光線偏折角，以便適用于微細(xì)尺度流場溫度的測量。第三，由公式(2-4)莫爾條紋間距|一二W8 ,可見8越小，條紋間距越大， 從而在一定

26、視場內(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，將對莫爾圖案的數(shù)據(jù)處理造成一定困難。 所以，| 8 |也不能取的太小，依據(jù)實驗經(jīng)驗， 為了保證所獲取的實驗數(shù)據(jù)具有足夠的精度，莫爾圖案中至少有5-8根條紋。兩光柵之間距離d的選取由式(3-1)莫爾條紋的位移量h&，y)=QyGry)d/8 ,因此希望d盡可能的大，使得放大因子 W8較大，從而莫爾條紋的位移量增大，有利于測量4-1 仿真模式選擇混合序列模式較小的偏折角，亦即能夠用于微細(xì)尺度流場溫度的測量。由公式_ P1 _ 1 口力E - 2- qd(3-2)mH = 1/(qd),因此d越大，角分辨率越高，越利于微細(xì)尺度的測量中較 小偏折

27、角的測量。但是d也不能過大，否則將會影響條紋的對比度16 o此外，d的選取還要保證光柵G7在&的傅立葉像面上，要滿足Talbot距離的 要求，即要滿足公式h 11-J- S Z Z| (3-3)其中為二 爺二(為Talbot距離，即zi為沒有位相物體存在時，光柵G1 的自成像位置。小結(jié)本章主要闡述了本設(shè)計所要用到的莫爾條紋干涉光路，并對實驗所需要用到的參數(shù)進(jìn)行了簡單的分析。4利用ZEMAXC件進(jìn)行光路仿真設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計本次軟件仿真是要對所設(shè)計的莫爾條紋干涉法光路測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真。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-seq

28、uential mode 模式，在此模式下進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。所以， 在主菜單欄，點擊File ,在所出現(xiàn)的菜單中選擇Sequential or Mixed Sequential/Non-sequential mode ,將整個環(huán)境變成混合序列模式，如圖 4-14-6 系統(tǒng) 3D Layout元件選擇和參數(shù)設(shè)置在選擇 Sequential or Mixed Sequential/Non-sequential mode 后，會彈 Lens Data Editor ，如圖 4-2 所示。圖 4-2 Lens Data Editor 欄接下來是參數(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

29、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)生成3D視圖在對整個系統(tǒng)進(jìn)行元件選擇和參數(shù)設(shè)置后點擊主界面上方的L3d， 即可生成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仿真結(jié)果分析兩光柵柵距對莫爾條紋間距的影響在仿真中通過改變2個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)兩光柵之間距離增大時，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x圖4-10兩光柵柵

30、距為40mnW,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45mnW,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50mnW,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55mmW,莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線兩光柵之間夾角對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/e| o在仿真中通過改變兩個光柵之間的夾角可以得到相應(yīng)的莫爾條紋問 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，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)系表兩光柵之間火角81。357莫爾條紋間距x圖4-14

31、兩光柵夾角為1。時，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，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，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。時，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線位相物體的半徑對莫爾條紋間距的影響在仿真中通過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，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x有效焦距EFL圖4-18位相物體半徑為30mm寸，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲

32、線圖4-19位相物體半徑為35mm寸，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寸，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寸，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寸，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線位相物體的材質(zhì)對莫爾條紋間距的影響仿真中通過改變位相物體的材質(zhì)是玻璃，通過改變玻璃的材質(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，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)BK7BK6BASF1SF6TH玻璃的折射率莫爾條紋間距x有效焦

33、距EFL圖4-23玻璃材質(zhì)為BK7時，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，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，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，莫爾條紋間距與輻照度的關(guān)系曲線小結(jié)本章采用了 ZEMAXC件對光路測試系統(tǒng)進(jìn)行了仿真設(shè)計，通過對仿真設(shè) 計中的四個變量：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)可以用來測試溫度場溫度。5 總結(jié)莫爾條紋干涉位移測量是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，具優(yōu)點是非接觸全場測量，方法直觀且條紋對比度較好，測量精度可達(dá)波長的量級。本文

34、主要應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計了一個用于燃燒場溫度場測量的莫爾條紋干涉法光路 測試系統(tǒng)，并使用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAXS行了仿真。本文作的主要研究有以下幾個方面：1. 研究并建立了莫爾偏折法測量微細(xì)尺度流體溫度場的幾何模型，分析了測量技術(shù)的基本原理，討論了光學(xué)參數(shù)（如兩光柵間的夾角8,兩光柵問 的距離d,光柵頻率q）對莫爾條紋質(zhì)量的影響。2. 通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的解讀與學(xué)習(xí)，設(shè)計了一個可用于燃燒場溫度測量的莫爾條紋干涉法光路測試系統(tǒng)。3. 利用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAXS行了仿真設(shè)計，通過對4個變量兩光柵柵距、 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)系的處理，得到了一個基本完整的測試光路系統(tǒng)

35、。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 Simplified MechanicsJ,1981,21(3): 100-104.5 Fu-long Dai, J