基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法

为了解决目前点衍射绝对位移测量系统中位移重构算法存在的收敛率低问题,并针对实际测量中时效性和高精度要求,提出了基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法。点衍射干涉绝对位移测量系统根据点衍射干涉场相位差的分布重构出点衍射探头的三维绝对位移。所提出的快速搜索粒子群算法针对测量中大量像素点数据的高效处理需要,在三维绝对位移迭代重构过程中采取非线性增加样本点数量的搜索方法,进而在保证测量精度的同时极大提高了测量效率。分别进行了仿真分析、测量实验以及三坐标机测量比对以检验所提出测量方法的可行性与稳定性。结果表明,该方法可实现三维绝对位移的快速检测,其收敛率可达90%,且在200 mm×200 mm×300 mm的测量区域中达到优于微米量级测量精度。所提出的三维绝对位移测量方法具有较高的测量效率和精度,且具备高抗噪能力和可靠性,对其在微加工技术和高精度测量中的应用具有重要意义。     

推扫式红外光纤传像光学系统研究

针对推扫式红外遥感成像技术在高分辨对地观测领域的重要地位,结合我国红外遥感技术发展现状和长线阵红外探测器技术水平,研究了利用线面转换的异型红外光纤传像束线阵端实现推扫,面阵端与成熟的小面阵红外探测器耦合以获得高分辨红外遥感图像的光纤传像系统.分析了该红外光纤传像系统前置物镜和耦接镜设计中的主要问题,并针对一种入射端为4 000×6元线阵,出射端为160×150元面阵的红外光纤传像束设计了前置物镜系统和后继耦接镜系统.引入平均传递函数的方法对整体光学系统的MTF进行了模拟评价,模拟结果显示整体光学系统成像良好,两系统的成像性能皆达到衍射极限,满足光纤传像系统的特殊要求,可为该类光纤传像系统的设计提供参考.     

基于Levenbery-Marquardt算法的点衍射三维坐标测量方法

针对现有点衍射三维坐标测量系统中的坐标高精度解调问题,提出了一种基于Levenbery-Marquardt(LM)算法的点衍射干涉测量方法。基于L-M算法的点衍射测量技术是以点衍射干涉理论为基础,在实现干涉场相位分布信息解调的基础上运用基于L-M算法的二重迭代算法重构出点衍射源的三维坐标。为验证所提出测量方法的可行性,同时进行了计算机仿真和测量实验,并与三坐标测量机的测量结果进行了对比。结果表明:该测量方法可在xyz三维方向上100mm×100mm×300mm空间范围内实现优于微米量级的测量精度。该测量方法具有不依赖算法迭代初值、测量精度高、运算速度快、抗噪声能力强等诸多优点,在三维坐标测量及测量系统的校准中具有较好的实用性。     

基于空间相机时间延迟积分传感器拼接区图像的像移测量

为了对由飞船姿态不稳或隔振装置的振动抑制残余量等因素产生的宽频带像移进行测量,提出了基于时间延迟积分(TDI)传感器拼接区所成图像的像移测量方法。定义了偏移系数,用以衡量成像期间像移速度与TDI传感器积分时间之间的失配度,以调制传递函数(MTF)为相机成像质量评价指标,分析了失配度与成像质量之间的关系,确定了满足成像质量的像移测量方法的精度范围;利用两片TDI传感器拼接区所拍图像存在相同内容、拍摄时刻不同的特点,阐述了基于TDI传感器拼接区图像的像移测量原理。实验结果表明测量精度达到0.2377pixel,测量频带达到228Hz,证明该方法能够对宽频带、高精度的像移进行有效测量。     

应用CCD的投影物镜调制传递函数测量系统

调制传递函数是评价光学成像系统成像质量的重要方法,因而测量光学系统的调制传递函数在各种成像光学系统生产实践中具有相当重要的作用。但是长期以来,投影显示设备的生产中缺少能够定量的检测投影物镜性能的标准化方法。根据线性系统和傅里叶变换的理论,结合液晶投影机投影物镜生产、检测的实际需要,提出了应用CCD图像采集系统的投影物镜调制传递函数测量方法,为生产实践提供了可行的定量判断投影物镜性能的手段。给出了实际物镜的检测结果,并与物镜的设计参量进行了比较,同时对影响系统测量精度的一些因素进行了分析。     

超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法

提出了一种基于空间像主成分分析的超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法。通过采用偏振光照明和矢量光刻成像模型并考虑投影物镜的偏振像差,准确表征了超大数值孔径光刻机的空间像,从而提高了像差检测模型的精度,实现了超大数值孔径光刻机投影物镜33项泽尼克像差(Z5~Z37)的高精度检测。相比于原基于空间像主成分分析的投影物镜成像差检测技术(AMAI-PCA)方法,所提方法适用于超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测。采用光刻仿真软件PROLITH对所提方法的检测精度进行了仿真验证,并分析了空间像采样间隔对波像差检测精度的影响。仿真结果表明,该方法对泽尼克像差(Z5~Z37)的检测精度优于0.85×10-3λ。     

高精度角膜曲率半径测量系统

为了实现成像角膜曲率计沿光轴方向的精确对准,提高角膜曲率的测量精度,设计了一种高精度成像角膜曲率测量系统。对该系统的成像光源、成像光学系统、干涉测量系统等进行研究。通过LED阵列均匀照射靶环形成光源;成像物镜采用双远心镜头,使景深变大,有利于对准测量,同时保证成像物镜的放大率不会受景深的影响;引用低相干干涉测量技术,利用低相干干涉信号定位角膜顶点和测量光源的位置,利用光栅尺监测扫描反射镜的位置,实现了角膜顶点到测量光源距离的精确测量。最后,分析了该系统成像物镜放大率的稳定性和角膜曲率测量误差,在理论基础上,做出了实验样机,用所设计的样机对标准角膜模拟眼进行测试,系统精度达到±0.02 mm,基本满足角膜曲率的测量要求。     

物镜像面相对照度计算方法

为了找到更加精确的广角物镜系统像面相对照度计算方法,分析了现行像面照度公式成立条件的局限性,提出了基于孔径光阑约束模式的矢量光线追迹计算光通量的方法。通过矢量分析和推导,给出了孔径光阑约束的轴外视场光束在第一光学面上形成的照射区的特征点坐标及照射区面积表达式;依据朗伯体辐射条件和规律,从物镜系统物方着手,建立了两种共轭条件的物镜像面照度分析模型;针对具有物方大视场角特征的相似成像物镜系统和非相似成像物镜系统,分别推导出了像面照度及相对照度表达式;指出了光学设计过程中提高像面相对照度的基本策略。     

基于平移差分的微结构线宽显微测量方法

从显微成像测量线宽的理论模型出发,分析了限制测量精度的边缘定位误差因素,基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理,提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法,即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽,两步平移并采集三幅对沟槽清晰成像的显微图像,显微图像依次相减得到两幅差分图,将线宽测量转为差分脉冲距离测量,利用差分脉冲在阶跃边缘附近梯度变化灵敏度高的特点,突破衍射极限,提高线宽测量精度;再用纳米精度压电陶瓷位移台标定与显微成像系统有关的倍率测量常数,以压电陶瓷位移台的高精度保证测量结果的准确性。以可溯源计量部门、线宽为30.00μm的标准沟槽样板作为待测样品,10次测量得到线宽测量平均值30.03μm,标准差0.005μm,并对本方法进行了不确定度分析,最终得到合成不确定度为0.37%(k=1)。     

一种紧凑型光纤显微物镜的设计

针对光纤通信网络建设及运维任务对光纤接续机器提出的便携小巧、精准可靠的需求,开发了一种结构紧凑、成像清晰的光纤物镜。基于光学理论和实际使用要求对物镜的基本光学参数进行了分析,利用Zemax软件设计出一种紧凑型高分辨率的光纤显微物镜,该物镜包含5片常用牌号玻璃球面透镜,放大倍率为6×,数值孔径0.24,共轭距离47.3 mm。系统具有良好的成像质量,0.7视场内在奈奎斯特频率60 lp/mm处MTF大于0.36,在频率90 lp/mm处MTF大于0.15。对设计结果进行了蒙特卡罗公差分析,良品率超90%,装调较宽松,成本低廉,可进行批量生产。另外,针对设计好的物镜进行成像过程仿真,结果显示待接纤芯特征清晰锐利,有利于机器对准接续。     

基于双线空间像线宽不对称度的彗差测量技术

在高数值孔径、低工艺因子的光刻技术中,投影物镜彗差对光刻质量的影响变得越来越突出,因而需要一种快速、高精度的彗差原位测量技术。为此提出了一种新的基于双线空间像线宽不对称度的彗差测量技术,利用国际上公认的半导体行业光刻仿真软件PROLITH对该方法的测量精度进行了仿真分析。结果表明,与基于硅片曝光的彗差测量方法相比,基于空间像的彗差测量技术速度上的优势十分明显。其测量精度优于1.4 nm,较国际前沿的多照明设置空间像测量技术(TAMIS)提高30%以上,测量速度提高1/3左右。在ASML公司的PAS5500型步进扫描投影光刻机上,多次测量了投影物镜彗差,结果表明,该技术测量重复精度优于1.2 nm,能实现高精度的彗差原位测量。     

采用广角数码相机测量图像显示系统的几何畸变

准确地测量含有广角耦合物镜的图像显示系统的几何畸变是实现图像显示系统几何畸变数字校正的前提和关键。提出了一种以非量测广角数码相机为测量设备的几何畸变的测量方法，首先给出了广角数码相机镜头畸变的标定方法，确定了数码相机镜头畸变系数，然后讨论了基于广角数码相机和Photoshop软件进行图像显示系统几何畸变测量的测量方法，分析了影响测量精度的因素。最后，将本文的测量结果与基于点物成像原理，采用单轴转台和普通数码相机进行测量的测量结果进行了对比，二者吻合得较好。从测量结果看，本文给出的测量方法，其测量精度可以满足工程要求，简单、易行。     

基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义。针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题,提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法,将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜,简化了系统结构。透镜间距和厚度测量实验表明,间距测量误差为10 μm。     

基于离焦的微操作机器人系统光轴方向深度测量

在分析显微物镜成像原理的基础上,提出并实现了一种微操作机器人系统光轴方向深度测量方法,该方法通过显微物镜离焦光学传递函数（optical transfer function, OTF）建立物方离焦程度与显微图像模糊程度的关系,由此实现深度测量.由于考虑了透镜参数与衍射效应的影响,方法具有较高的测量精度和较好的线性度,同时利用条状物体快速辨识算法,对原始方法进行了简化,使深度测量可在线完成.进一步,将上述方法应用于实际微操作机器人系统,通过离焦状态双针互插实验验证了方法的有效性,同时拓展了微操作机器人系统的有效操作空间. 关键词： 深度测量 微操作机器人 显微镜系统成像模型 光学传递函数     

点衍射波前无镜头干涉测量中横向偏移误差校正方法

为了最大程度减少误差环节,点衍射球面波前精度的干涉测量中通常采用无镜头测量方式。点衍射干涉波前在大数值孔径与大横向偏移量情况下存在的结构误差将严重影响测量精度,且无法利用传统方法加以校正。针对该问题,提出了一种基于三坐标重构以及对称偏移补偿的点衍射干涉波前测量中结构误差的高精度校正方法,以实现对大数值孔径及大横向偏移点衍射球面波前无镜头成像测量中的结构误差校正。该方法首先采用三坐标重构方法对系统误差进行预校正,再针对干涉中点源横向偏移引入误差存在的对称性,采用对称横向偏移补偿对由三坐标重构误差而引入的残余结构误差进一步校正。分别进行了数值仿真和测量实验对所提出方法的可行性进行了验证。结果表明,该方法达到了λ/10000的校正精度,对于点衍射球面波前高精度测量标定以及非镜头成像干涉检测中结构误差的高精度校正具有重要的应用意义。     

光纤环和Y波导调制器直接耦合偏振轴测量

提出一种保偏光纤环和Y波导调制器直接耦合偏振轴测量方法。设计并搭建了偏振轴在线检测系统,通过将检测光路插入到直接耦合工艺过程中,使空间中平行的Y波导和光纤组件端面同时清晰成像于CCD像面;通过图像处理判断两端面边缘相互平行关系获取两者偏振轴的角度偏差。实验结果表明,搭建的系统用于Y波导和保偏光纤偏振轴对准时,系统实测值与理论值能较好地吻合,且系统测量精度在1°之内,对应于偏振轴角度误差产生的尾纤输出串音优于-35 d B,证明了方法的可行性。     

长焦距面视场同轴三反望远物镜设计

随着Skysat-1卫星的成功发射,高分辨率视频相机是目前竞相开发的卫星有效载荷。为降低成本、适应小卫星平台,亟需设计与研制体积小、重量轻、易实现、能对面视场成像的长焦距光学系统。研究与设计了适于面视场成像的全视场同轴三反望远物镜,解决其固有的二次遮拦和像面引出困难等问题。由近轴几何光学理论,导出消除二次遮拦的条件和系统总长与三镜中继成像倍率的关系,讨论并得到合理的三镜中继成像倍率等参数。利用出瞳附近处的平面镜,无遮拦地引出像平面,同时用平面镜组折叠光路,减小系统总长。给出了确定初始结构参数的方法与结果,优化设计得到了有效焦距、视场角、F数分别为10m、1.1°×1°、14.3的无二次遮拦光学系统,其总长约为有效焦距的1/8,成像质量接近衍射极限。     

偏振对光学系统成像质量的影响

通常情况下,评价光学成像系统像质的几个重要参数,如能量集中度(Strehl比)、分辨率、焦深等,都是以标量衍射理论为基础进行计算和分析的.考虑光波的矢量偏振特性,尤其是在高数值孔径系统中,标量衍射的精度已不能满足精度要求.本文讨论了在采用矢量衍射计算方法基础上,上述成像参数的变化,所讨论系统入瞳面各点为偏振方向一致的线偏光或部分偏光,以便于考察偏振对所述成像参数的影响,通过公式推导和数值计算,得出了由于偏振的影响.系统衍射斑能量极大值变小,像面和偏振平行方向分辨率降低,分辨率出现各向异性,只有系统焦深受偏振影响较小.而这些矢量效应会随着系统数值孔径的提高而愈加明显,因此在分析处理数值孔径较高的光学系统时必须使用矢量衍射方法.最后讨论了轴外点衍射斑的计算.     

高质量等曲率物参光像面数字全息显微系统

对等曲率物参光像面数字全息显微成像系统进行研究,分析了光路配置方法,推导了系统的点扩散函数,并由此指出了决定系统成像分辨率的因素及系统的成像特点,最后讨论了再现像光场一次位相畸变校正的方法.结果表明,等曲率物参光像面数字全息具有最大的信息容量;该系统的成像分辨率取决于显微物镜的数值孔径和CCD的像元大小,与CCD的光敏面尺寸无关;物体各点中通过显微物镜的所有频率成分均能被系统完全记录与再现,样品被照亮区域的大小对记录条件和再现像质没有影响;等曲率物参光像面数字全息系统是一种优化的全息记录与再现系统,利用该系统可以实现高质量成像.实验结果验证了理论分析的正确性.     

远心物镜设计

介绍远心成像原理.讨论测量精度为±0.003mm的CCD尺寸检测系统的远心物镜设计.给出物镜结构和像差校正曲线及实际测量结果.