光学元件形貌的双波长干涉测量

本文提出了一种利用双波长激光干涉产生交叉的干涉条纹测量光学元件三维面形的方法.该方法可以有效地提取干涉图像中更多的数据点,恢复被测元件的三维形貌.一定程度上解决了大口径光学元件三维形貌测量中数据点密度不足的问题.     

用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统

针对不同口径光学元件加工阶段的在线测量需求,提出了用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统。系统引入偏振相机来实现波前瞬态移相干涉测量以降低外界扰动影响。同时结合基于位形优化算法的子孔径拼接技术,可降低对运动扫描平台精度要求,并实现大口径光学元件全口径检测。为验证所提出测量系统的可行性,分别对金刚石车削机床对中工具和大口径球面镜进行在线检测和子孔径拼接测量,结果表明,与ZYGO干涉仪检测结果相比,两者对应的均方根值偏差的绝对值分别为0.003与0.007μm。同时该系统具有布局结构紧凑和对外界环境扰动不敏感的特点,可很好地满足复杂环境在线安装检测应用要求,在金刚石车削机床对中工具的在线调整和不同口径光学元件在线检测中具有较广泛的应用。     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。     

采用立体视觉实现子孔径拼接测量的工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统。介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求;引入了立体视觉辅助测量系统,建立了通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01°,可为优化拼接算法提供一个有效的初始值,该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且不产生误差累积方法简单且可靠。     

用于位相缺陷检测的反射式剪切点衍射干涉仪

为了实现光学元件位相缺陷的大视场、高分辨率、瞬态检测,设计了一种基于无镜成像算法的反射式剪切点衍射干涉仪。该干涉仪通过在参考光与测试光之间引入横向错位量,形成高密度线性载频,利用快速傅里叶变换算法从单幅干涉图中提取待测波面信息,实现缺陷的瞬态测量。利用无镜成像算法抑制了缺陷的衍射效应,总结了有效的缺陷类型辨别方法。实验检测了强激光系统中的一块光学平晶,验证了所提缺陷类型判据的正确性。此外,采用反射式剪切点衍射干涉仪对一块激光毁伤的光学平板进行检测,测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比,相对误差为2.1%。结果表明,该干涉仪能够有效应用于检测大口径光学元件的位相缺陷。     

采用立体视觉的子孔径拼接测量工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统,对该系统的数学模型、测量原理以及基于四元数法的位姿变换矩阵求取方法进行了研究。首先,介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,并基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求,接着引入了立体视觉辅助测量系统,建立了其通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01度,能够给优化拼接算法提供一个有效的初始值,且该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且在其视场范围内不产生误差累积,方法简单实用,稳定可靠。     

Φ360mm激光平面干涉仪

为了强激光工程的需要 ,研究制造了一台口径 36 0 mm卧式激光平面干涉仪。仪器的测量精度为 λ/2 0 ,仪器配有 CCD相机图像处理系统 ,可目测 ,可拍摄照片 ,也可进行数字化处理。实用结果表明 ,该仪器是一台适合于光学车间生产检验的大口径高精度激光平面干涉仪。     

机械零件三维表面形貌测量与评定的研究

介绍了机械零件三维表面形貌的测量与评定,分析了激光干涉式位移传感器的光学原理和干涉条纹信号的细分方法.激光干涉式位移传感器的精度达到了5nm左右.另外,带计量系统的二维工作台也是整个测量系统的关键部分.因为采用了光栅尺作为二维工作台的计量系统,所以在表面形貌的测量过程中二维工作台在X和Y两个水平方向上都能获得精确的定位.     

利用激光全息技术校正大口径光学成像系统像差

基于光学全息原理,分析了激光全息技术校正光学成像系统像差的机理和方法,建立了全息记录实验系统,用于校正口径500 mm、低质量球面反射镜光学系统对有限远物体成像时的像差。采用原光路再现的方法,通过比较像差校正前后的干涉图样和成像结果,验证了该校正方法的可行性。实验结果表明,校正后该系统剩余波像差约为λ/8。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

食用油品质的光学低相干外差干涉检测法

液体的折射率是一个重要的物理参数,在外界一定的条件下,掌握液体折射率及其变化,则可以了解其纯度、浓度等参数及品质。提出一种用低相干光外差干涉方法测量反复使用食用油的折射率,进而鉴别油的品质。实验以改进的迈克尔逊干涉仪为基础,将样品油放入测量臂光路中,当两束分别来自测量臂与参考臂的低相干光的光程接近相等时,会出现光外差干涉现象。利用光电探测器得到此干涉信号,根据前后相应的光程变化量,进而得到待测样品的折射率。食用油经反复加热1、2、3、5、7次后,葵花油的折射率分别为1.469 5、1.469 7、1.470 1、1.470 7、1.471 3,玉米油的折射率分别为1.468 8、1.469 1、1.469 4、1.470 1、1.471 1。结果表明,该方法可以准确测量出不同加热次数食用油的不同折射率,测量稳定性较高,能快捷、有效地鉴别反复使用的食用油品质。     

图像处理在干涉法测量中心偏中的应用研究

透镜中心偏差是评价光学系统质量的重要指标之一.利用干涉法测量中心偏,干涉环的处理精度是关键部分.针对其它图像处理方法无法有效的处理双干涉环的问题,运用MatLab软件编写算法处理图像,包括方向滤波、自适应阈值二值化、OPTA细化和最小二乘法拟合.搭建实验平台得到干涉图,处理结果表明该算法对双干涉环以及对比度低的劣质图像...     

基于成像式照度探测的菲涅尔光学助降系统检测方法研究

为了解决菲涅尔光学助降系统(FLOLS)的检测问题,文中根据FLOLS检测应满足的技术指标,提出了一种基于成像式照度探测法的菲涅尔灯发光强度测量方案,并根据分析设计研制了成像式照度探测装置。通过试验,结果表明该装置可远距离对大口径、大发光角度的菲涅尔灯进行发光强度的探测,满足菲涅尔光学助降系统检测装置测量的要求。     

基于倾斜入射的直角棱镜大面测量装置研究

针对直角棱镜大面测量中可以消除多重干涉背景干扰的倾斜入射测量系统,设计了一种能直接进行直角棱镜大面测量的正置式倾斜入射干涉仪装置.该装置包括相移干涉仪主机、一体化载物工作台以及一对参考平晶.讨论了直角面参与反射带来的光线簇造成的多重干涉背景误差,采用3D偏折的方法来避免全内反射光干扰直角棱镜大面测量.实验部分,组装了基...     

光学系统像差的剪切干涉图样仿真

针对光学系统像差的判定问题,提出从理论上对各种像差的剪切干涉图样进行仿真分析。此分析依据波像差理论,结合剪切干涉在像差测量中的应用,建立波像差与干涉条纹的联系,采用计算机仿真手段对光学系统各种像差的典型剪切干涉图样进行了模拟,包括初级像差和二级像差。仿真结果表明,各种初级像差和二级像差均有其各自的典型剪切干涉图样,根据特征图样可以直接判定主要的像差种类。研究所得出的各种像差典型干涉图可为判断光学系统存在哪种像差提供参考与依据。     

全自动焦度仪光学系统的研究

介绍了一种新的全自动焦度仪的光学系统的设计原理,即采用微珠双透镜准直系统。该系统改善了光学部分的准直性,提高了仪器的检测精度;另外由于被测镜片作为光学系统的一个组成部分暴露在外界环境中,太阳光及各种杂散光容易影响系统正常工作,即采用干涉和截止滤光技术研制出专用消杂光器件,提高了仪器的环境适应性和系统的信噪比。该系统能准确地测量眼镜片的度数,技术指标达到国家相关检验标准。     

复杂光学系统中的干涉条纹图像的精确仿真方法

精密复杂曲面形状的干涉测量光学系统的设计和测量误差分析一般采用光线追迹的方法进行,但用传统方法进行追迹计算时,计算结果不能用直观的干涉条纹仿真图像的形式来表示,常常难以有效地进行分析和判断.在提出的考虑光学元件安装误差的精确光线追迹方法的基础上,对来自于测量对象面的物体光的光程差的精确计算方法、和与物体光的位置对应的参照光侧的光线追迹方法进行探讨,给出物体光与参照光的位相差的精确计算方法,提出一种实用的干涉条纹仿真图像的作成方法,及测量对象面仿真计算的初始化方法,再以平面测量试验片和齿轮齿面为对象,进行仿真计算和实测,验证所提出的方法的正确性.     

Optical In Situ Micro Tribometer for Analysis of Real Contact Area for Contact Mechanics, Adhesion, and Sliding Experiments

An instrument has been developed that allows in situ optical analysis and tribological measurements for contacts between solid bodies; an interferometric optical analysis can be used to measure and observe contact size, contact geometry, near contact topography, tribofilm formation, tribofilm motion, tribofilm thickness, wear debris formation, and wear debris morphology. The optical arrangement is in such a way that a 0th order interference fringe highlights the real contact area of contact, while near contact regions are height-mapped with higher order Newton’s rings interference fringes. Images synchronized with force and position measurements allow for the potential to test and validate models for contact mechanics, adhesion, and sliding. The contact and friction measurement between a rough rubber sphere and a polished glass counterface were studied over a range of loads from 1 to 50 mN.     

激光干涉测量中条纹计数的CPLD设计及实现

使用CPLD设计并实现了采用干涉条纹进行测量的光学测量系统中的计数电路部分,取代了传统的多元件分立的电路设计,达到了很好的效果,满足了光学干涉测量准确快速测量的要求。此分析适用于一般条纹计数系统。     

润滑油膜厚度的光学相干层析成像测量

为了对滑动轴承的润滑油膜厚度进行精确测量,搭建了光纤结构的谱域光学相干层析成像(OCT)检测系统。该检测系统通过谱域OCT对油膜进行高分辨率成像,根据一维深度图像和二维层析图像中油膜和轴承表面的相对位置得到油膜厚度。分析了SD-OCT的检测原理,并对油膜厚度进行了测量,通过干涉光谱解耦法减小噪声对测量结果的影响。实验结果表明,该系统的测量误差小于2μm,具有良好的重复性和可靠性。该测量方法能够对油膜进行快速准确测量,有望应用于机械设备轴承运行状况的在线监测。