通过傅里叶变换测量多表面面形

为了更简便、准确地测量透明平行板,提出了一种基于区域生长算法与傅里叶变换的单幅三表面干涉条纹相位恢复方法。通过傅里叶变化将三表面干涉条纹图由空域变化到频谱域。不同表面的干涉条纹在频谱域中对应的位置不同,通过改变区域生长算法中的参数,提取出合适的区域,最终得到面形。该方法可以由单幅三表面干涉条纹图同时得到透明平行板前后两个表面的面形。分析了由算法求得的表面面形的误差,通过叠加分离的双表面干涉图与原三条纹图进行比较,得到相应的误差分布图,通过误差分布图可以改善算法的精度。将得到的面形与Zygo干涉仪得到的面形进行对比,发现该方法测量精度较高,其相位提取误差PV值小于0.12λ,RMS值小于0.065λ;重复性得到验证,其重复率可靠度优于λ/100。测量到的面形与物体真实面形接近,测量方法更加简便。     

光栅点衍射干涉法检测Φ400mm瞬态波前

提出了一种基于光栅点衍射干涉原理的Φ400mm瞬态波前检测方法。该方法使用位相光栅在参考光与测试光中引入横向错位,即在干涉图中引入线性载频,然后利用傅里叶变换相位解调法提取待测波前。基于标量衍射理论以及傅里叶光学理论建立了瞬态波前检测方案的理论模型,推导了线性载频公式,研究了影响载频大小的因素;基于基尔霍夫公式分析了针孔衍射导致的孔径角变化与能量衰减效应,给出了位相光栅的刻蚀深度公式。实验搭建了Φ400mm瞬态波前检测装置,采集了对比度良好的高线性载频干涉图。采用傅里叶变换相位解调法恢复波面,所得波面RMS值为0.105λ。与采用SID-4波前探测器测得的波面RMS值(0.101λ)基本一致,满足了Φ400mm瞬态波前测量的要求。     

基于狭缝光阑的剪切散斑干涉动态测量

为了精确、实时地测量物体表面的动态形变,提出了基于狭缝光阑的空间载波剪切散斑干涉系统。该系统通过倾斜迈克尔逊干涉仪的一个平面镜来产生剪切量和载波频率,实现空间频谱的移动;采用一个可调节的狭缝光阑控制散斑大小和空间频谱宽度。基于傅里叶变换与反变换在空间频率域上提取所需的频谱并计算相位图,最后通过一幅干涉条纹图得到相位分布信息。采用该系统对一个中心加载、四周固支的薄铝板进行了动态测量,分析了光学系统参数对测量结果的影响。结果表明,采用像素尺寸为4.65μm×4.65μm的高分辨率相机,焦距为8mm的成像镜头,设置剪切量为25mm,狭缝光阑X方向的尺寸为1mm时,可得到高质量的剪切散斑相位图。该方法可以在25frame/s的采集速度下,以43.6°的视场角实现动态形变的测量,可测形变峰值为0.5~30μm。     

飞秒激光频域干涉测距相位信号分析与处理

针对飞秒激光测距频谱干涉条纹信号,分析了被测距离精度对于相位信息采集与处理要求,详细介绍了光谱分辨干涉测距的数据处理过程。根据测距信号干涉谱的数学关系,推导了被测距离求解公式。采用快速傅里叶变换和坐标旋转数字计算法进行光谱分辨干涉信号处理,经过时域信号的傅里叶变换、信号相位解包裹、加窗函数时域信号滤波等环节,分别对飞秒激光测距频谱干涉条纹信号中每个频率的相位值进行处理和变换。系统仿真中,离散频谱分析的幅值最大误差从36.3%降低到15.1%。经过比对实验,该法能实现飞秒激光测距信号有效处理。     

多表面干涉下的光学元件面形检测

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术.首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置.然后,通过波长移相技术采集一组干涉图.最后,对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换,提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息,通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息.实验结果表明:与传统的13步移相算法相比,得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001,而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001.这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求.     

实现均匀焦斑的大孔径连续相位衍射光学元件

许多大功率激光系统，需要顶平，边陡，旁瓣小和光效率高的均匀焦斑。用衍射光学元件(DOE)实现这样的均匀照明有许多优点，例如纯相位调制光效率高，相位设计灵活性大等等。相位设计，采用一种以登山和模拟算法为基础的混合算法，因为登山算法收敛大，模拟算法全局优化有潜能。用旋转空心掩模和离子蚀刻，在K9玻璃基片上加工了直径100mm的连续相位DOE。DOE干涉图样呈现相位分布平滑。焦斑的强度分布用一般CCD测量，并用一系列消光器增大测量动态范围。数据处理后的结果表明，焦斑均匀，其主瓣有一定的均匀度，边陡，旁瓣小，零级无锐峰。     

基于全相位快速傅里叶变换的主轴不平衡特征提取及实验

主轴作为数控机床的核心部件,因其质量不平衡而产生的振动严重影响机床的加工精度。对主轴不平衡振动进行有效抑制的前提是需要准确提取振动信号特征。为了准确提取主轴系统的不平衡振动特征,获取振动幅值和相位,提出基于全相位快速傅里叶变换的主轴不平衡振动特征提取方法,全相位快速傅里叶变换利用自身的频谱分析功能实现对信号相位和振幅的准确提取。分别通过仿真与实验的方式将该方法与其他3种方法进行振动特征提取对比,全相位傅里叶变换提取振动幅值和相位准确度和稳定性更好,提取后的振动相位准确性可达97%,而提取后进行动平衡振动抑制实验,振动量下降65.21%,进一步验证了该方法的有效性。     

高频振动振幅的视觉测量

研究了运动模糊图像在空间域和频域上的数学模型,理论分析指出物体作高频谐波振动时运动模糊成像的频谱上会由于Bessel函数的零点的存在而形成系列暗条纹。提出利用CCD摄取一幅振动模糊图像,经二维傅里叶变换,并采用图像处理技术检测频谱上直线条纹的位置,即可实现高频振动振幅的图像测量,测量结果为亚像素级的精度。     

基于傅里叶变换的数字散斑照相测量

提出了基于傅里叶变换的双曝光散斑场的全场数字化测量。对双曝光散斑图进行傅里叶变换得到条纹图以灰度归一法和相位构造法将其优化,获取低噪声、高对比度的散斑干涉条纹。平面位移的测量实验结果表明,数字散斑照相技术适合计算机进行自动条纹识别和位移场计算,能得到较为精确的水平位移值,可实现变形场的精准测量。     

光纤傅里叶变换光谱仪采样系统

提出了一种用于连续扫描光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的干涉图采样系统,将激光干涉信号用Hilbert变换产生正交信号,由于相位反转点的存在,导致Hilbert变换产生的信号出现畸变,对变换结果进行了修正。该信号和原信号成为两个互相正交信号,利用这两个信号整形后的相位关系可得到光程扫描的起始点和光程扫描的方向。根据光程扫描的起始点和方向选择可上升沿部分的参考光和测试光干涉信号,用改进的Brault算法重新得到等光程间隔抽样的干涉图。该设计方法可以用DSP 技术实现简单、紧凑型的采样系统,不仅可提高FFTS的信噪比,还可以推广到传统的傅里叶光谱仪中。     

Continual in-plane displacement measurement with temporal wavelet transform speckle pattern interferometry

A heterodyne temporal speckle pattern interferometer that measures the in-plane displacement dynamically has been built. The object is displaced in its plane continuously and the frequency-modulated output signals with a carrier frequency are recorded by a CCD camera. The displacement information is extracted with wavelet transform technique. Preliminary experiments have been performed with such interferometer. The respective measurement results recovered from wavelet transform and Fourier transform are compared.     

鲤鱼尾鳍瞬时三维形态测量

提出了鱼在自由游动状态下尾鳍实时三维形貌的测量方法。将影栅云纹投射在鲤鱼尾鳍表面,产生包含三维形态信息的云纹,由高速摄像机采集瞬时序列变形条纹,运用傅立叶变换轮廓术对序列图像进行处理,并将相位解包裹方法用于动态过程瞬时三维相位场的相位展开中,重建了鲤鱼尾鳍自由游动的瞬时三维形态,再现了尾鳍的连续摆动过程。     

用线性补偿算法和CCD响应补偿来 提高频谱OCT图像质量

在频谱光学相干析成像(频谱OCT)系统中普遍使用的CCD采样的数据是波长的函数。CCD对不同波长的信号具有不同的响应,而且图像重建进行的傅里叶逆变换所需要的数据是波数的函数,忽略这两个问题对频谱OCT成像质量的影响比较大。基于以上分析,提出了响应度补偿法和波长数据-波数数据转换线性补偿法,并对样品进行了实验验证。实验结果表明,该方法能够将OCT图像的信噪比(SNR) 提高约30%,明显改善了图像质量。     

Nanoscale surface deformation inspection using FFT and phase-shifting combined interferometry

In this paper, a flexible optical interferometer incorporated with both fast Fourier transform (FFT) and phase-shifting method is developed for three-dimensional (3D) testing of micro-components. Using light interference, microscopic optics, piezoelectric transducer (PZT) nanoscanning and a CCD camera, the proposed system can detect deformation and surface contour in the order of nanometers. An application of the proposed technique is demonstrated using two micro-components: a micro-beam in an accelerometer and a micromirror. The resulting interference fringes that are related to the deformation and surface contour are analyzed using FFT method or three-step phase-shifting method depending on the test surface features. Experimental results show the feasibility of the proposed method for 3D deformation and surface contour measurement of micro-components.     

改进的傅里叶变换在Rugate滤光片设计中的应用

傅里叶变换是设计Rugate滤光片最有效的解析方法之一。然而这种解析方法内在的近似性导致了设计结果与目标结果总是存在着一定的偏差。现提出一种改进的傅里叶变换方法,提高设计结果与目标结果的逼真度。将光谱函数的模与位相作为两个独立的变量分别优化。可以在有效控制折射率范围的情况下,设计出与目标结果一致的光谱曲线。     

Accuracy analysis of the normalized frequency estimation of a discrete-time sine-wave by the average-based interpolated DFT method

The normalized frequency of a sine-wave can be estimated by the average of the two estimates achieved using the Interpolated Discrete Fourier Transform (IpDFT) method. This approach is called average-based IpDFT method. The paper investigates the effect of the spectral interference from the image component and additive wideband noise on the accuracy of the normalized frequency estimator provided by the average-based IpDFT method with maximum sidelobe decay windows in the case of a discrete-time sine-wave. The expressions of the maximum of the normalized frequency estimator error due to the spectral interference and variance of the normalized frequency estimator due to the wideband noise are derived. Also, the expression of the combined standard uncertainty of the normalized frequency estimator is derived. The accuracies of all derived expressions are confirmed by means of computer simulations. Moreover, the performance of the average-based IpDFT method is compared with those of a state-of-the-art three-point IpDFT method and IpDFT method through both computer simulations and experimental results.     

干涉图对称处理及其对重建光谱的影响

由于采用了基于菲涅耳双反射镜的干涉结构 ,使傅里叶变换成像光谱仪获得了从最高截止波数到远红外波段的很大的带宽范围。根据干涉图信号的对称性以及系统的带宽特点 ,对采集到的干涉数据进行了对称性处理 ,有效地削弱了由于干涉图上的噪声而引起的重建光谱上虚假谱线的干扰     

Fast 3D shape recovery of a rough mechanical component from real time passive autofocus system

By using a passive autofocus system through a charge-coupled device (CCD) camera, this paper presents a new Yuan-Ze University (YZU) algorithm to detect the position of the sharpest image from a rough surface of an industry component quickly and accurately. To prove the performance of the YZU algorithm, it is compared to some well-known methods like fast Fourier transform (FFT), amplitude, Laplacian, discreet cosine transform (DCT), and conventional edge operators. Moreover, a new dynamic search method that implements this algorithm to produce real time digital image systems with fast response, accuracy, and robustness is proposed. The experiment results show that this technique is applicable to practical 3D measurement. In the application, two specimens a gauge block and an integrated circuit (IC) leadframe are tested to demonstrate the validity of 3D reconstruction from this YZU algorithm.     

数字图像的位相漂移现象研究

本文详细报导了笔者对数字图像的位相漂移现象所做的实验研究,其中提出了位相漂移的Harr小波变换探测方法。实验表明：经CCD Camera和图像卡采集的数字图像序列中存在着低频的图像抖动,即位相漂移,而且不同的CCD Camera具有不同的漂移特点和程度,甚至在同一个图像行内的漂移也不完全一致。一般在图像行内相近的位置之间,位相漂移有明显的相关性,不同的图像行之间的漂移的程度相同,但没有相关性。最后本文还给出了一种位相漂移的修正方法。