大倍率干涉显微物镜的光学系统设计北大核心CSCD

干涉显微物镜是干涉测量显微镜的关键部件,在微纳表面三维形貌测量中应用广泛。设计了一款无限远共轭大倍率Mirau干涉显微物镜,其放大倍率为50×,数值孔径为0.5。基于系统长工作距的特性,干涉物镜采用反远距物镜结构。根据二级光谱理论,分析了干涉物镜的二级色差校正,合理选择了玻璃材料和初始结构。利用光学设计软件Code-V进行系统优化设计,设计结果表明,光学系统全视场范围内在800lp/mm处的调制传递函数大于0.3,其他各项指标满足设计要求。通过非序列模式建模对所设计的干涉物镜进行光线追迹,仿真分析得到清晰的牛顿环干涉图,结果验证了设计的合理性。     

微表面形貌检测中Mirau干涉物镜的优化设计

提出了实用的Mirau干涉头结构,降低了制作工艺要求。物镜为长工作距物镜,由光焦度较大的正光组和光焦度较小的负光组组成。设计了5种不同透射/反射率的分束板,平衡了干涉光强。Mirau干涉物镜的NA=0.3,β=-10,工作距5mm,横向分辨率Δx≥0.887μm,景深Δ=±2.956μm。     

高分辨率视频摄远物镜光学系统设计及成像实验

为了满足斜拉桥拉索表面缺陷的远程检测要求,基于摄远型物镜结构原理设计加工了高分辨率视频摄远物镜光学及机械系统。根据物方300 m外分辨4 mm线宽的分辨率要求,按照焦距f′=320 mm计算,确定摄远物镜像方分辨率为234 cycle/mm。选择适当初始结构,用光学设计软件OSLO进行焦距缩放、替换玻璃、减少镜片等多步骤优化,最后得到相对孔径为1/5.7、视场角为2ω=1.379°、分辨率达到250 cycle/mm的摄远物镜光学结构。合理设计光机结构,加工装调实验样机。分辨率测试实验证明其实际物方分辨率可以达到300 m远分辨4 mm线宽。在斜拉桥工程现场成像实验表明该系统符合实际工程结构表面缺陷远程检测的要求。     

Mirau型干涉显微物镜干涉平板装配误差容限分析

针对Mirau型干涉显微物镜中干涉平板的装配误差问题,建立了参考板倾斜时的干涉光强表征模型,通过对光瞳面内测试光束和参考光束的分割,求解参考板倾斜时干涉光强的积分表达形式,通过数值计算定量分析参考板倾斜度对干涉条纹包络、对比度的影响,并采用宽带光八步移相算法进行三维形貌复原,据此确定参考板倾斜误差的容限。设计了50×Mirau型干涉显微物镜的参考板倾斜验证结构,通过实验测量了标准台阶板,验证了仿真分析模型的准确性,确定了50×干涉显微物镜中参考板倾斜误差容限为1.5°。     

Mirau相移干涉术中的中心遮拦研究

Mirau相移干涉中的参考面对光路造成了中心遮拦。理论分析了被测面视场、Strehl判据、分辨本领、调制传递函数MTF以及残余像差和中心遮拦的关系,得到参考面的允许直径0．8～1．28mm。设计了参考面直径D=1．0mm的Mirau干涉物镜,其中心遮拦ε=0．129,和没有中心遮拦的系统相比,MTF变化的幅度不超过6％,允许的残余像差为0．978。     

微表面形貌大视场检测相移显微干涉仪研制

基于相移干涉术,研制了立式大视场Mirau相移显微干涉仪,它包括干涉成像和照明系统、竖直方向上的压电陶瓷传感器(PZT)微位移系统、被测面的两维扫描系统、图像采集和处理系统,是无限筒长显微镜结构和Mirau干涉结构的叠加。大视场表面形貌通过多孔径扫描拼接实现。单片机串口控制电路控制电控平移台的精确位移,实现了被测面的两维扫描,最小的横向位移为0.039μm,扩展后的视场达到12.5mm×12.5mm。测量了光纤连接器端面的表面形貌,重复测量精度小于2nm。     

一种应用于大视场形貌测量的宽带光干涉仪

干涉测试是一种高精度的表面形貌无损测量方法。通常情况下，单色光干涉测试以激光作为光源，采用缩小成像方案测量表面面形。宽带光干涉测试能够有效避免单色光干涉测试时的2π相位模糊问题，常与显微成像技术相结合，测量阶跃型结构的表面微观形貌。当阶跃型结构样品的横向尺寸较大时，宽带光显微测试需要采用拼接手段，降低了测量效率。本文提出了一种缩小成像的宽带光干涉仪，该仪器可用于大尺寸阶跃型表面的形貌测量，其工作波段为480～750 nm，采用1 inch探测器形成了47.60 mm×35.76 mm的测量视场。系统组成包括照明准直镜、干涉腔和成像镜。照明准直镜采用科勒照明方案，可以提供数值孔径NA=0.015、视场直径Φ=59.6 mm的均匀照明物方视场；干涉腔集合了Mirau型等光程干涉与Fizeau型无中心遮拦的优势，由倾斜1.5°的分光平板和倾斜3°的参考平板组成；成像镜与准直镜形成双远心成像光路，成像放大率为0.25×，在宽谱段范围内的畸变校正达到0.24%。采用构建完成的宽带光干涉仪测试了USAF1951分辨率板，系统分辨率可达14 lp/mm；测试了校准高度分别为7.805μm和46.55...     

头盔式微光夜视仪中折/衍混合物镜的设计

为了使头盔式微光夜视仪结构更加紧凑和小型化,在成像物镜设计中引入衍射面,利用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)独有的负色散性质和光波面任意相位调制的特点,运用CODEV光学设计软件,设计了焦距为25 mm,视场为40°,相对孔径为1/1.2,全视场畸变≤5%的头盔式微光夜视仪的折/衍物镜系统,并讨论了适用于加工衍射面的结构参量。结果表明在物镜光学性能保持不变的情况下,所设计的折/衍物镜与传统物镜比较,成像物镜在使用两个衍射面后,提高了物镜的成像质量,镜片数由原来的9片减少到了7片,光学总长由原来的75.9 mm缩短为57.8 mm。     

高精度非接触式锥光全息测量系统设计及应用

针对常见的工业零部件尺寸,基于锥光全息测量原理,设计一套高精度非接触式锥光全息测量系统,并用于测量钱币表面的高度信息。首先记录钱币的锥光全息图,接着对全息图的干涉条纹进行中心线细化处理,用以计算条纹宽度变化量,进而得到被测钱币表面高度的变化。实验结果表明,当物镜焦距为50 mm时,该测量系统的精确探测范围达到5 mm,测量误差在0.28%之内,验证了该系统设计方案的可行性和准确性。     

基于光学干涉法的光学元件表面粗糙度检测技术

为实现光学元件表面微小粗糙度的精准、详细检测,研究基于光学干涉法的光学元件表面粗糙度检测技术。该技术采用基于集成光学干涉成像技术对光学元件表面干涉成像,通过改进的Niblack二值化算法提取元件表面干涉图像条纹信息,并基于节点迭代的去毛刺方法细化处理干涉条纹,利用最小二乘方法拟合干涉条纹,获取最小二乘拟合直线得出评定基准,建立评定表面粗糙度的高度参数和间距参数的数学模型,完成粗糙度检测。测试结果显示:该技术干涉成像能力较强,生成的光学透镜元件干涉图像弧度与边缘较为清晰,可有效去除干涉条纹毛刺,检测光学元件表面粗糙度时的真正类率最大数值已达到1.0。     

基于白光扫描干涉术的厚膜几何参数测量

提出了一种结合白光扫描干涉术与图像分割技术的薄膜自动测量方法,可以同时得到薄膜的上下表面形貌以及厚度等几何参数。测试系统集成了Mirau干涉物镜,通过高精度纳米定位器带动物镜实现垂直扫描。当薄膜厚度足够时,扫描所得信号会含有两组可分离的干涉条纹,利用Otsu方法实现双峰信号的自动分离。标准膜厚的测量实验表明,本文方法可...     

含高次塑料非球面的头盔微光夜视物镜设计

为使头盔微光夜视镜的重量更轻,同时保证其较好的成像性能,分析了光学塑料的特性及其加工,通过引入高次塑料非球面,设计了含有3个高次塑料非球面的6片式微光夜视物镜.该物镜具有大视场(40°、小F数(F/1.25)、小畸变(1%)的特点,光学传递函数在空间频率40lp/mm时,轴上传函≥0.6,轴外传函≥0.4,满足微光夜视物镜成像要求.相对具有同样性能的传统物镜系统,总长41 mm,为传统物镜的82.6%,重量13.3 g,仅为传统物镜的32.7%.为头盔式微光夜视系统减重设计提供了一个新的参考思路.     

用于头盔微光夜视仪的折/衍混合光学系统设计

选择有效输入／输出直径为18／18mm的像增强器,设计了用于头盔微光夜视仪的光学成像系统。将二元衍射面引入传统的双高斯型物镜系统,得到视场为40^o,相对孔径为1．00/1．25的折／衍混合物镜。有渐晕系统和无渐晕系统的性能比较的结果表明．有渐晕的折／衍物镜能更好地满足要求,其重量仅为25g,二元面的最小特征尺寸为19μm,在全视场内的光学传递函数良好。同时设计了相匹配的目镜系统,其出瞳直径为10mm,出瞳距离为25mm。物镜和目镜之间实现畸变补偿,系统结构紧凑,重量轻,各性能参数均达到预定指标。     

红外系统的光机热一体化设计

在无热光学系统设计中,考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献,在满足系统总光焦度要求、消热差和消色差条件下,求解各光学组元的光焦度.在保持光焦度不变的条件下,进行像差平衡,可设计出实际的消热差光学系统.这种在光学设计中融合机械结构热稳定性因素的一体化设计方法,对红外无热光学系统设计具有重要意义.文中详细介绍了f'=45.4mm,D/f'=1/2.5,2ω=lO°的红外成像物镜和f'=160mm,D/f'=1/8,2ω =2.8°的可见/近红外波段干涉成像光谱仪前置镜的一体化无热设计的结果.     

光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计

环境温度变化导致红外光学系统成像质量变差,利用光学材料热特性之间存在的差异,研究了一种光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计方法。首先,根据远摄物镜基本结构及远摄比建立含参方程;其次,结合不同材料组合及消热差和消色差方程将前组复杂化,获得初始的光焦度分配。最后,利用ZEMAX光学设计软件进行优化、像差校正,设计实例焦距为100 mm,F数为2.0,远摄比达到0.8,全视场角6°。设计结果在-40℃~60℃范围内,成像质量稳定,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限。     

地面景物模拟器的光学系统设计

为了使CCD立体相机与干涉成像光谱仪在发射前能够快速检测图像质量,设计并研制了一种应用于CCD立体相机与干涉成像光谱仪共用的地面景物模拟器光学系统.介绍了地检景物模拟器的光学系统方案,根据实际使用要求,确定了地面景物模拟器光学系统的设计参数.该系统焦距为150 mm,视场角为10°,空间分辨率为36lp/mm,光谱适应范围为0.48 ～0.96 μm.设计结果表明,地面景物模拟器光学系统对被检CCD立体相机与干涉成像光谱仪的图像质量几乎没有影响.其奈奎斯特空间频率上的MTF与CCD立体相机和干涉成像光谱仪的MTF值几乎一样.为验证光学成像探测系统CCD立体相机与干涉成像光谱仪的光机及电子学系统的状态是否正常提供了依据.     

基于激光干涉法的曲率半径精密检测系统

为了满足光学元件曲率半径精密检测的需求,设计了应用激光干涉方法的曲率半径精密检测系统,实现了对口径100~300 mm,曲率半径500~2 000 mm光学元件曲率半径的高精度,非接触式测量。并分析了影响曲率半径测量结果的各项不确定度,进行不确定度合成。最终完成曲率半径精密检测系统的装调,进行验证实验,曲率半径测量结果相对不确定度约710-6,满足了1010-10的设计要求。     

显微干涉技术在MEMS动态测试系统中的应用

系统采用了显微干涉技术，利用Mirau显微干涉仪配合频闪照明系统实现了对MEMS器件动态特性的测量，测量过程采用了光学干涉的非接触方法，因此不会对器件产生损坏。系统采用了改进的相移算法，抑制了相移器误差以及探测器带来的非线性误差，提高了测量精度。利用本系统测量了微结构上多点处的振幅，得到了被测结构的谐振频率。     

中波红外光学补偿三视场光学系统

针对320×240元致冷型凝视焦平面阵列探测器,设计了一种中波红外光学补偿三视场光学系统。该系统由变 焦物镜系统和二次成像系统构成,包括8块透镜(引入3个高次非球面,其余均为球面),并采用两个反射镜折叠光路。利用光学补偿变焦 原理和光学设计软件给出了系统的光学外形结构图,并对其像质和工艺性进行了分析。该系统可以通过对一组透镜的轴向定点移动实现 20°×15°、3.5°×2.6°和1.3°×1°三个视场的切换,系统变倍比为 1∶15。各视场在16 lp/mm空间频率处的光学传递函数(MTF)值均大于0.5,弥散斑直径的均方根(RMS) 值均小于20 m。工作波段为3.7 ～ 4.8 m,满足100 %冷光阑效率。该系统结构紧凑,工艺性好,成像质量高。     

显微干涉技术在MEMS动态测试系统中的应用

系统采用了显微干涉技术 ,利用Mirau显微干涉仪配合频闪照明系统实现了对MEMS器件动态特性的测量 ,测量过程采用了光学干涉的非接触方法 ,因此不会对器件产生损坏。系统采用了改进的相移算法 ,抑制了相移器误差以及探测器带来的非线性误差 ,提高了测量精度。利用本系统测量了微结构上多点处的振幅 ,得到了被测结构的谐振频率