三维成像技术的光学元件表面粗糙度智能测量方法

光学元件在多个领域起着至关重要的作用，其应用性能的优劣主要由表面粗糙度决定，对此，提出三维成像技术的光学元件表面粗糙度智能测量方法。采集光学元件表面图像，并进行预处理，然后采用重构算法获取到光学元件表面三维图像，并使用最小二乘中线提取元件表面三维形貌的中面，最后在表面三维形貌中面计算出三维粗糙度评价参数，实现光学元件表面粗糙度智能测量。实验数据显示：设计方法测量的表面粗糙度因子平均误差最小值达到了0.5%,测量精度高达100%,证明本方法的光学元件表面粗糙度测量性能较佳。     

基于基因算法的激光干涉计量精度的提高

提出一种基于改进的基因算法的提高激光干涉CCD计量精度的数据处理方法，并将该方法与传统基因算法作余弦曲线拟合以及最小二乘法作二次曲线拟合进行比较。结果表明，用改进的基因算法优化，不但解决了CCD光学干涉计量中像素尺寸以及图像采集卡空间量化误差对测量精度的影响，而且解决了目标函数多极值问题，从而干涉条纹可获得高于光敏像素级定位精度。最后将干涉条纹的光强精确地拟合出来，讨论曲线拟合误差，表明该算法具有很好的鲁棒性和自适应能力。     

高精度激光干涉条纹中心及半径提取的方法研究

激光干涉条纹中心及半径的检测是光学测量中的关键技术。针对传统的检测方法不能实现高精度、自动化、实时性的缺点,提出了利用数字图像处理技术来提取激光干涉条纹的中心及半径的方法。该方法通过滤波、二值化、细化及亚像素边缘检测等数字图像处理,利用最小二乘法来拟合干涉条纹的中心及半径。实验证明该方法可以检测亚像素级的条纹中心及半径,检测速度快,基本满足了实际应用中实时高精度的激光干涉测量。     

任意形状孔径的干涉图像波面拟合的数学矢量模型

文中利用移相干涉术的特点提出了自动检测任意形状孔径中有干涉条纹区域的方法,测试中,当测试波前相对于参考滤前的光程差是照明波长的整数倍时形成干涉条纹,它此而形成的二维图就是干涉图像。干涉术是一种从干涉图像提取测试波面信息的光学测试技术,它包括对干涉图像的采样、条纹定级次和波面拟合三步。这里提出了一个对干涉图像拟合处理的线性代数矢量模型,应用线性代数矢量矩阵的知识详细地推导出了一种对干涉图像的处理带有一般性的矢量拟合公式,由最小二乘法逼近多项式拟合的相位值数据,用Ｇｒａｎ－Ｓｃｈｍｉｄｔ算法正交化处理多项式组,用反向替代法技术来求解最初多项式组的权因子系数。     

全内反射技术检测大口径光学元件体内缺陷

为有效检测光学元件体内的缺陷情况,利用全内反射技术,让激光束在光学元件内部多次全内反射后获得缺陷的散射光斑图像,结合基于最小二乘法的椭圆拟合等方法对散射图像进行处理,得到缺陷的三维位置信息。对该方法进行了实验验证,实验结果表明,扫描采集35幅图像即可完成对尺寸为150mm×120mm×20mm的大口径光学元件的全部缺陷检测,待测样品缺陷点的深度位置定位精度优于150μm,说明该方法可以有效检测大口径光学元件缺陷点。针对可能影响实验结果的误差来源和限制系统分辨率的因素进行了分析,结果表明提高成像系统横向分辨率或减小激光束横截面宽度均可有效地提高系统的分辨率。     

一种针对使用背照减薄型CCD器件色散型成像光谱仪的星上光谱定标方法

使用背照减薄型CCD器件的色散型成像光谱仪在近红外波段会出现呈条带状干涉条纹现象,该干涉条纹对入射光波长分布敏感,空间频率稳定,特别适用于微小光谱偏差的测量与校准.针对一台光栅色散型推扫式成像光谱仪样机,先估计出条纹分布的规律,再以此为基础,采用频域滤波、最小二乘拟合等方法提取干涉条纹中包含的相位信息,以此作为光谱定标的辅助参数.实验表明,当入射光强变化达到130％以上时,拟合谱线位置的不确定度最大为0.007 3 nm,模拟光谱位置改变后,以汞灯谱线作为基准光谱位置曲线,测得拟合算法的最大误差为0.135 8 nm,该结果证明,干涉条纹拟合定标方法可有效减少定标系统对光源稳定性的依赖,提高对光谱维微小偏移量的检测精度.     

一种区域搜索获取平面光学元件光圈数的方法

提出一种获取平面光学元件光圈数的方法.通过确定一幅干涉条纹图像中三块测试区域及相应的搜索区域,寻找条纹弯曲量的平均值和相应条纹间距的平均值,根据测试区域对应的权重系数,得到被测平面光学元件光圈数的最佳估计值.通过测量标准光圈并比较目视判读结果,得到最大相对误差为5%.实验结果表明,该方法提高了处理干涉条纹图像的适应性,并可替代人工目视判读干涉条纹图像.     

一种基于曲线拟合提取干涉条纹中心点的新方法

介绍一种提取干涉条纹中心点的边界法向曲线拟合法。根据干涉条纹灰度分布规律，首先对干涉图像依次进行二值化处理和边缘提取，对所得到的条纹边缘进行曲线拟合，计算边缘上各点法线方向；再根据条纹灰度余弦分布特点，对法线方向上的条纹灰度数据进行最小二乘法拟合，求出极值点位置；进而获得条纹中心点坐标。该方法具有精度高、抗干扰的特点，不仅适用于平行直线型条纹图像，而且对含闭合条纹的复杂干涉图像同样适用。     

基于数字化二次曝光干涉的光学元件波前畸变测量

将傅立叶变换条纹分析方法与二次曝光全息干涉计量相结合，提出了数字化二次曝光干涉术，用于测量光学元件引入的波前畸变。文中给出了理论分析，模拟与光学实验结果证实提出的方法具有高精度、快速的波前测量特点，可应用于激光系统中光学元件的波前畸变在线检测。     

基于光学干涉法的翻新电子元器件鉴别方法

翻新电子元器件存在重大质量隐患,对航天装备的质量和安全构成了严重威胁。为了确保装机电子元器件的质量和可靠性,结合翻新元器件的特点,提出了一种鉴别翻新元器件的无损检测方法。首先,阐述了翻新元器件的检测方法和原理,即通过光学干涉法定量测量器件上下表面的粗糙度,并根据二者之间的差异来判断器件表面是否经过翻新处理。然后,采用该方法对正常元器件和翻新元器件的表面粗糙度差异进行对比检测分析,并进行不确定度评定。结果表明,该方法可用于对翻新元器件进行高效准确鉴别。这为全面提升航天电子元器件的质量提供了新的检测手段。     

20× Mirau型白光干涉显微物镜的设计

对于具有动态特性的MEMS陀螺仪表面形貌的检测,采用传统接触式检测方式难以实现。本文设计一款无限远场校正的20× Mirau型白光干涉显微物镜成像系统,实现对MEMS陀螺仪无接触式的表面缺陷检测。系统工作于可见光波段,数值孔径NA=03,放大倍率为20倍,工作距离31mm,总体长度为4585mm。系统包含光学成像部分和Mirau型干涉部分,光学成像部分的成像质量接近衍射极限,各项设计指标均满足要求;通过VirtualLab软件对干涉物镜进行光路的干涉仿真并得到清晰的干涉条纹,验证了设计的合理性。     

基于多光谱技术的光学元件表面疵病检测

为实现对光学元件表面疵病的精确测量和计数,提出了一种基于多光谱技术的光学元件表面疵病检测方法,该方法采用不同波长的入射光源均匀照明光学元件表面,通过暗场显微成像系统获得不同波长下的表面疵病图像。基于该方法研制了多光谱光学元件表面疵病检测系统,获得了365,405,436,486,550nm单波长光以及白光照明条件下光学样品表面疵病和标准样品图形的检测实验结果。实验结果表明,相比传统的白光照明检测技术,多光谱检测技术根据不同的材料性质选用不同波长的光作为入射光源,可以明显提高系统对光学元件表面疵病的检测能力,不仅可以提高测量精度,而且可以获取白光照明下无法检测到的疵病信息。     

光学元件激光损伤在线检测装置

设计并搭建了一套光学元件表面损伤检测装置,用于激光损伤实验中光学元件表面损伤的自动化在线检测。装置主要由自动变倍显微相机、高精度位移传感器、两维扫描轴、调焦轴、快速复位平台和系统控制器组成。两维扫描轴按照规划好的弓形路径对光学元件表面激光辐照区域进行扫描,调焦轴对位移传感器反馈的离焦量进行实时修正,显微相机采集子图像并进行保存。首先,分析影响图像拼接精度的主要误差源并通过图像矫正等方法进行补偿;然后,利用图像拼接技术将矫正后的子图像矩阵进行高精度无缝拼接,得到大面积高分辨率的光学元件表面损伤图像;最后,对损伤图像进行后处理得到损伤个数和损伤面积等信息。实验结果表明:装置在5 min内实现了光学元件表面15 mm15 mm区域的扫描拼接和检测,成像系统分辨率优于228 lp/mm,图像拼接误差小于2 pixel。     

可调谐激光光谱系统中光学条纹的补偿方法

为了消除光学条纹对检测精度的影响,基于光学条纹的映射特性,提出了一种可有效补偿光路中平行介面造成的光学条纹的方法。在CO₂检测系统中进行了理论分析和实验验证,并展示了该方法的使用过程及补偿结果。结果表明,即使在光学条纹漂移的情况下,该方法仍可有效补偿光学条纹,使测量信号与标准气体吸收信号的拟合相关度由0.8298提升至0.9934,体积分数测量值标准差由1260×10-6降低至48.5×10-6。该方法极适合补偿检测器窗、气体池窗以及其它已集成于系统的光学元件造成的光学条纹,在可调谐二极管激光器吸收光谱技术领域具有较大的应用价值。     

一种针对使用背照减薄型CCD器件色散型成像光谱仪的星上光谱定标方法（英文）

使用背照减薄型CCD器件的色散型成像光谱仪在近红外波段会出现呈条带状干涉条纹现象,该干涉条纹对入射光波长分布敏感,空间频率稳定,特别适用于微小光谱偏差的测量与校准。针对一台光栅色散型推扫式成像光谱仪样机,先估计出条纹分布的规律,再以此为基础,采用频域滤波、最小二乘拟合等方法提取干涉条纹中包含的相位信息,以此作为光谱定标的辅助参数。实验表明,当入射光强变化达到130%以上时,拟合谱线位置的不确定度最大为0.007 3 nm,模拟光谱位置改变后,以汞灯谱线作为基准光谱位置曲线,测得拟合算法的最大误差为0.135 8 nm,该结果证明,干涉条纹拟合定标方法可有效减少定标系统对光源稳定性的依赖,提高对光谱维微小偏移量的检测精度。     

基于激光散斑分形维数的表面粗糙度测量方法

采用激光照射粗糙工件表面形成散斑图像,通过自相关函数分析散斑图像的二阶统计特性,使用分形算法提取散斑图像自相关函数矩阵的参数,建立分形维数与表面粗糙度对应的样本集合。用最小二乘法多项式拟合该样本集合,得到散斑图像与表面粗糙度值间的多项式关系。实验结果表明,基于激光散斑分形维数的表面粗糙度测量方法是可行的且适用于在线高精度粗糙度检测,在检测时间上从数十秒级提高到秒级,检测精度达到微米级。     

光学元件亚表面缺陷表征与检测技术研究现状分析（特邀）

光学元件常用脆性材料作为原材料,脆性材料加工过程中极易引入亚表面缺陷,亚表面缺陷对脆性材料的制造阶段和应用阶段均存在严重的危害。制造方面,亚表面缺陷影响工序的选择与衔接,易产生过加工、欠加工等问题,导致加工效率低下;应用方面,亚表面缺陷影响光学元件的成像质量、稳定性、使用寿命等关键技术参数。为了高效率、高质量地去除亚表面缺陷,全面表征和准确检测光学元件的亚表面缺陷至关重要。文中首先介绍了不同加工方式对应的亚表面缺陷形成机理与亚表面缺陷的表征方法研究现状;其次归纳总结了破坏性与非破坏性的亚表面缺陷检测方法,分别介绍了不同检测方法的原理、适用材料与加工阶段、优点与不足之处;并介绍了基于表面粗糙度、加工参数的亚表面缺陷预测方法;最后,对亚表面缺陷检测技术的发展趋势进行了展望。     

双功率谱干涉实现图像识别

提出一种新的图像识别方法 ,直接利用输入图像和参考图像的联合变换相关功率谱进行双功率谱干涉 ,不需要特殊的光学元件 ,也不需要对功率谱进行调制和改造。实验表明 ,相同图像的双功率谱干涉出现明显的条纹 ,而不同图像则几乎不出现干涉条纹。     

光学元件面形的环路径向剪切干涉检测方法研究

提出了将环路径向剪切干涉(CRSI,Cyclic Radial Shearing Interferometry)术应用于光学元件面形检测的新方法.设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元件面形的光路系统.根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法,模拟计算了任意波前的重建情况,同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际测量了一个已知光学元件的面形.结果表明,文中提出的波前重建算法和采用的光路系统可用于实际光学元件面形的准确检测,系统的重复性也得到了研究.     

基于白光扫描干涉术的非球面光学元件大范围评价方法

通过白光扫描干涉术研究了用于非球面元件的大范围测量方法并利用纳米测量机(NMM)构建了测量系统。对系统的运行环境进行分析,定量给出了评定结果。在系统环境得以保证的前提下,重点研究了无重叠拼接方法,并将结果进行了对比;针对周期性非球面光学表面,提出通过白光倾斜扫描干涉法进行测量。扫描过程中,测试样品倾斜通过干涉区,消除了物镜视场的影响,使毫米量级表面一次扫描即可完成测量。针对扫描过程,分析了扫描过程中干涉条纹移出视场现象及双角度不一致对测量结果的影响。