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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（moir）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，根据条纹构形情况来评价光栅
13、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，Post
14、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。我们可以列举两个
15、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
