激光三角法改进的显微镜快速自动对焦方法

为了满足TFT-LCD显微镜光学检测系统在工业上的需求,基于激光三角测距法提出一种改进的显微镜快速自动对焦方式,并建立了光路数学模型。该方法在可见光光路中加入一路808 nm波长的激光,激光光束在被检测物体表面反射后经过一系列光学器件投射在CCD相机上形成一个半圆光斑。以对焦完成时CCD上的光斑半径最小为基准,给出了离焦量与光斑信息探测量之间的数学模型关系,实时控制PZT进行自动调焦。根据给定的数学模型,利用高斯曲线拟合对光斑中心进行定位并计算离焦量,实现对实时控制压电陶瓷的自动对焦。在50倍物镜下的实验结果表明:实际测量值与理论值有很好的线性度,在±30μm的对焦平面上对焦重复定位精度可达到0.2μm,对焦时间在0.26 s。与传统的显微镜对焦方法相比,该方法有较高的精度、较好的线性度和更高速等优点,可满足工业光学检测的需求。     

经纬仪分离透镜法自动调焦模型建立与分析

为实现经纬仪实时自动调焦,设计了一种用于经纬仪的分离透镜法自动调焦方案,建立了相应的数学模型并作分析。物光经放置在经纬仪第一像面后的两块分离透镜后,在CCD上成像,形成两光斑,以对焦准确时CCD上两光斑间距为基准,给出了离焦量与光斑间距变化之间的关系,据此进行调焦。同时分析了跟踪中心漂移、发散角等对调焦精度的影响。与经纬仪传统调焦方案相比具有精度高、算法简单、受环境温度变化影响小、结构简单等优点。初步实验结果显示其调焦精度优于0.056mm,满足经纬仪工程实际的需要。     

基于图像评价的显微镜自动对焦方法

针对显微镜观测动态平面目标时的自动对焦需求，提出一种基于图像清晰度评价的显微镜静/动态自动对焦方法。首先，根据对聚焦-失焦图像特征的分析，建立加权Tenengrad评价函数评估方法和图像分块对焦窗口模式。其次，针对搜索过程中的局部极大值问题，利用模拟退火理论建立对焦搜索模型。最后，为了对动态图像进行评价，利用图像模糊法来判断动态无参考图像失焦水平。在此基础上，形成了静态调焦模型，动态失焦检测与实时对焦模型。通过搭建显微镜自动对焦实验平台，结果表明：该静态调焦模型能够使显微镜快速准确地静态自动调焦，动态失焦检测和实时对焦模型能够使显微镜满足在动态观测下离焦检测和实时调焦的要求。     

TFT-LCD检测中基于激光三角法的显微镜离焦快速在线检测及补偿

光学成像检测设备的快速自动对焦是基于机器视觉快速缺陷检测的关键,为了解决检测过程中不同倍数物镜景深(0.5~91μm)跨度大以及被检测物体振动给快速对焦造成的影响等问题,提出了基于激光三角法的显微镜离焦在线检测及补偿方法。该方法利用激光三角法进行离焦量和离焦方向的快速探测,使用由行程100μm的压电陶瓷和行程25 mm直流电机构成的宏微双驱动结构协同控制完成大范围对焦任务。实验结果表明,构建的宏微结构对焦方式可以在0.4 s内实现高倍物镜±0.5μm景深至低倍物镜±91μm景深大范围的快速自动对焦,并实现被检测物体±3μm振动范围的快速自动跟随对焦。该方法满足了新一代薄膜场效应晶体管液晶显示器(TFT-LCD)工业检测装备对自动化对焦范围、速度和精度的要求,同时可应用在平板显示器(FPD)检测、线路板检测、生物医学和自动机器装配等领域。     

红外透镜检测中的自动聚焦技术

为了精准且快速的检测红外透镜的性能,设计了一套基于图像处理的快速红外CCD自动调焦测量系统,采用波长范围为3.7~4.8 m的中波制冷红外CCD相机,对透过红外镜头产生的像自动聚焦进行二次成像,通过图像的快速处理和分析,以检测镜头对称性和焦距等性能。重点分析了目前常用的自动对焦技术,针对该检测系统提出了灰度熵与统计学函数有机结合的自动聚焦方法,并通过大量的检测结果进行验证。实验结果表明系统重复定位的位置精度达到10 m。     

一种检测薄膜晶体管液晶屏的自动对焦方法

针对大尺寸TFT-LCD(第五代到第八代)生产检测过程中要求成像系统成像速度快、精度高的情况,研究快速的显微镜自动对焦方法。提出一种间接清晰度评价函数和一种用于TFT-LCD玻璃板检测的显微镜自动对焦的方法,采用一个激光器和一个黑白CMOS相机作为辅助手段,通过寻找CMOS相机最大的通光率的值确定CCD相机对焦最好的目标点,在此基础上,通过求取CMOS相机获得图片中的激光光斑质心并查表确定镜头调节的方向和距离。实验结果表明,对于放大倍率为5倍至50倍的物镜,当玻璃板在焦平面上下正负50 μm范围内进行自动对焦时,对焦时间在0.4 s以内,重复对焦精度可达到景深的0.1～0.5倍以内。     

基于功率谱的遥感相机自动调焦算法研究与实现

应用图像处理法针对线阵CCD推扫成像的遥感相机进行自动调焦研究.推扫成像的线阵CCD相机在任意时刻所拍摄的景物都是不同的,这就给对焦评价函数的选取增加了难度.用功率谱的方法对任意景物在空间频域进行分析表明,功率谱对于自然景物具有一定的不变性.由此建立了基于功率谱的对焦评价函数,并采用DSP FPGA的高速硬件系统方案实现自动调焦的算法.一系列的调焦实验表明,系统有较好的自动调焦性能,基于功率谱的对焦评价函数是可行的.     

基于离焦深度法的自动对焦光路设计

基于离焦深度法设计了自动对焦光路,光路由激光 光源,准直扩束透镜,调焦透镜,摄 像头组成。使用ZEMAX软件模拟了对焦过程,通过控制调焦透镜的位置获取光斑半径,计算 对焦位置。 移动调焦透镜,分别在距离对焦目标5.62 cm,7.38 cm,14.02 cm,16.88 cm,20.94 cm处得到了弥散光斑 的直径。计算得到的误差在1mm以内。基于此,实际搭建了对焦光路并进行模拟。采用位移 滑轨模拟透 镜的变焦运动,由摄像头获取物面上的激光斑点,通过MATLAB编程来快速获得光斑直径的之 间的比例。 结果显示,对焦结果误差在1cm以内,考虑到导轨读数存在误差,摄像头像素有限,激光功 率不稳定等原 因,虽然实际结果与理论模拟之间存在差异,但证实了此方法的可行性。后续工作将用位移 平台替换手动 滑轨,编程精密控制透镜的移动位置,实现自动对焦。研究工作为改进本课题组已经开发的 便携式高灵敏 毒品荧光检测系统提供技术参考。     

基于时间差法主动调焦式激光测头的研究

在研究动态主动调焦法测量原理的基础上,提出一种新型的动态主动调焦式激光测头的检测方法。该检测方法的核心原理是将位移量的测量转换成了时间差的测量,从而简化了激光测头的结构,提高了激光测头的测量精度和稳定性。介绍了所设计的高精度激光测头测量系统,并对激光测头进行了动态特性的实验。结果表明激光测头的测量分辨力为0 .075μm,测量线性度为0. 45μm,测量范围为±0 .1 mm。     

基于图像处理的航空成像设备自动调焦设计

针对当前航空成像设备中自动调焦装置结构复杂、不利于集成的问题,对基于图像处理的自动调焦方法在航空成像设备中的应用进行了研究。根据自然图像斜边缘多于水平和垂直边缘的特点,提出了基于图像斜边缘检测的对焦评价算子(Lean算子)。通过对多种对焦评价算子进行试验比较,分别选取斜边缘检测算子和卷积算子作为调焦粗搜索和精搜索阶段的对焦评价算子。针对航空成像设备光学系统的特点,提出了局部全局搜索算法(LFS)和变步长的爬山搜索算法(CHS),使用调焦行程为130步,焦深为2步的变焦镜头,分别将调焦时间由全局搜索算法的43s缩短至7s和5～8s。实验结果表明:将所提出的对焦评价算子和搜索算法结合使用,能够准确实现自动聚焦,准确度达到95%以上。     

正弦波调制技术在光损耗测试仪中的应用

针对传统光损耗测试仪存在预热时间长、温度变化对红外光源输出功率变化影响较大等不足,提出了用正弦波信号对红外光源进行调制的方案。此方法有效解决了这些问题,获得了较好的测试效果。首先,介绍了三种正弦波信号的产生方法,其中直接数字式频率合成(Direct Digital Synthesis, DDS)方法产生的正弦波具有较高的频率分辨率和频率稳定度。其次,介绍了DDS芯片AD9832的内部构造及转换原理,将其产生的正弦波信号应用到光损耗测试仪中。比较了正弦波信号调制前后以及预热前后红外光源功率的变化情况。结果表明,经过正弦波调制的红外光源的稳定性明显优于调制前,用户能更方便地进行快速光损耗测试     

基于棱镜的红外目标模拟器光学系统研究

针对某型装备测试仿真用中波红外目标模拟器,研制配套透过率高、空间均匀性好、结构紧凑的高性能红外光学系统,以满足模拟器总体设计指标和具体使用需求。根据DMD核心器件红外光调制工作原理,采用了基于TIR(全内反射)棱镜的中继光学子系统,从DMD转动夹角的限制出发,利用光学全反射定理,采用最小的角度空间设计,用一对光学棱镜使照明系统入射的光线与DMD反射的光线分开,在折衍混合式红外成像光学子系统设计匹配下,该光路系统相比反射式光路镜组结构紧凑,相比透射式棱镜方式能量透过率高。在经过光路设计仿真验证的基础上,开展了光学机械设计和研制加工及测试,最终红外光学镜组成功应用到红外目标模拟器研制中,满足了模拟器总体指标体系要求和使用需求,取得了良好效果。     

空间光学系统的杂散光分析

介绍了空间光学系统的杂散光的来源,以及对红外光学系统成像质量的影响。在简化分析的基础上,讨论了杂散光分析的物理模型。利用已有的光学系统模型讨论了杂散光的计算和分析方法。主要介绍了蒙特卡罗法和光线追迹法在解决问题方面的作用,用具体的系统模型说明了杂散光计算和分析的假设条件、模型建立和计算过程等。对空间光学系统的杂散光有基础的认识。为以后利用软件进行杂散光分析打下基础。     

红外上转换材料共焦光学检测器研究

提出了一种利用共焦光学结构来检测红外上转换材料被激发光的方法。采用下述步骤来提高探测灵敏度:基于红外上转换材料的光谱分布,专门设计了具有对激发外光全反射、对被激发的可见光全透射的分光反射器,用共焦光学结构有效地提高了材料的上转换效率,采用在可见光区灵敏度、在红外光区截止响应GaAsP半导体光敏器件,配合专用放大电路,实现了被激发可见光的微弱光检测。检测器能够稳定检测混合比>0.3%的红外上转换材料,给出了实验结果。     

圆锥扫描中波红外光学系统的参数检测

介绍了圆锥扫描中波红外光学系统的参数检测的方法和基本原理,探讨了测试系统的调校方法,并针对系统装调和测试过程中成像不理想的问题,利用FRED软件进行了杂散光分析。通过分析发现,红外平行光管上的星孔基片上的高反金属膜产生的杂散光是造成弥散斑不清晰的主要原因,通过紧贴星孔外表面安装一个同心云母片抑制了该杂散光。此外,若圆锥扫描中波红外光学系统的校正镜镀膜透过率不够高,则会在红外探测器焦平面的4个角上产生规则形状的杂散光,可以在图像处理时通过软件程序算法来剔除其影响。最后进行了精度测试,测试结果表明:所研制的圆锥扫描中波红外光学系统的参数检测系统满足各项精度指标要求。     

衍射光学系统红外光谱目标探测性能

衍射光学系统具有大口径轻量化的优点,但其光谱范围较窄,能利用的红外信号能量较小,通常认为采用后会使红外相机的探测信噪比降低。基于衍射光学系统,分析了对地观测红外相机的目标探测性能,结合一个非制冷红外相机信噪比计算示例,明确了在地物背景和目标光谱特性不同的条件下,基于衍射光学系统的红外相机仍可能具有良好的目标探测性能。同时将红外相机等效噪声功率与激光和电子学系统进行对比,提出了红外探测系统的性能还可能进一步提高的观点,给出了一种引入激光本振结合电子学滤波细分红外光谱降低等效噪声功率的方法。     

红外光源辐射特性的蒙特卡洛模拟

为满足红外跟踪仿真的高精度、高稳定性设计要求,本文基于蒙特卡洛算法针对红外光源的辐射特性进行了模拟仿真研究。首先,介绍了系统结构和工作原理。接着,以蒙特卡洛方法为基础,对钨丝灯圆柱体光源进行建模,给出光阑处的辐照度精确分布,为建立光阑通光口径的非线性控制函数提供依据。然后,分析了不同条件下蒙特卡洛算法的准确度,并研究了装配位置对系统光能利用率的影响。仿真结果表明:在旋转抛物面反射镜的焦点外存在一个最佳的光源装配位置;在装配过程中,允许的轴向偏移为0.1 mm,垂轴偏移为0.1 mm,角度偏移为2°。该系统满足了红外跟踪仿真的稳定可靠、高精度要求。同时,本文所采用的分析方法对其他红外光源的优化设计也有借鉴作用。     

光路可调的红外透射方法检测键合质量

基于红外透射原理,采用调节光路的冷光源方法搭建了晶片键合界面的质量检测系统。利用该系统可以很好的实现GaAs,InP材料的键合界面检测和刀片分离时的在线监测,同时本文以GaAs基分布布拉格反射镜(DBR)和InP基有源区键合为例,结合红外透视图像和薄膜转移照片分析,对键合表面处理方法进行了优化选择。试验表明该检测系统数据可靠,使用方便,为晶片键合条件及参数优化提供了实用平台。     

Optical Gain in the Near Infrared by Light‐Emitting Electrospun Fibers

The potential integration of polymer nanofibers in photonic devices and circuits is a major driver for research on their waveguiding and optical gain properties. Emission in the near‐infrared is especially important in this framework in view of the realization of nanofiber‐based optical amplifiers. Here, the optical gain properties of electrospun fibers embedding near‐infrared light‐emitting molecules are investigated. Upon pulsed optical pumping, line narrowing typical of amplified spontaneous emission is observed, with gain of 5.5 cm^?1 and threshold fluence down to 0.25 mJ cm^?2. Importantly, the stimulated emission characteristics are strongly dependent on individual fiber characteristics and on the mutual alignment of nanofibers in arrays, thus being tailorable through the fiber architecture and assembling. These results open interesting perspectives for the exploitation of electrospun fibers as active components in the near‐infrared range.     

高分辨折反式红外探测系统光学设计

在红外探测中,传统红外焦平面阵列以及单像元扫描式探测器的像元难以分辨更精细的红外光强分布,为了提高红外探测的分辨能力,采用灵敏度高且可以将红外光分布转化为可见光分布的碳纳米管薄膜作为红外激光的接收器,把红外光探测转化为可见光探测,并以此为基础设计了一个折返式的光学成像系统进行红外光高分辨探测。优化并使用柯克式镜组降低了因球面反射镜曲率半径引起的大场曲,从而提高了系统成像质量和分辨率。通过光学设计优化得到了具有高传递函数值（MTF）、低场曲的折反式系统,从而使高分辨率的红外探测系统成为可能。