基于时序推延的线阵CCD动态位移测量方法研究

针对传统线阵CCD测量方法仅适用于静态图像采集或低速位移测量的问题,在分析CCD动态测量过程中动态误差产生原因的基础上,提出一种驱动时序互相推延的多个CCD同步测量方法。该方法实现了在一个积分周期内的等时间多个位移值测量,等效于减少单个CCD积分时间,从而提高线阵CCD的动态测量范围。设计了一个由5个线阵CCD沿圆周均布的,时序推延的角位移传感器,并完成相应实验系统的搭建。通过与高精度圆光栅在不同速度下动态误差的检定,得出随着运动速度的提高,时序推延测量方法的动态特性要明显优于传统测量方法。结果表明,时序推延测量法在30 r/min时与传统方法 10 r/min的动态误差水平相当,验证了时序推延测量方法对提高CCD动态特性的可行性。     

衍射光栅空间滤波成像方法实验研究

为了实现毫秒级分辨力光栅式角位移的测量,从光学角度出发,对光栅的设计、制作形成和空间滤波方法进行实验研究;依据马赫-曾德尔干涉法原理进行多光束全息光栅设计;同时对矩形光栅和制作的多光束干涉全息光栅进行相应的空间滤波成像处理;最后选取平行光和点光源两种光源进行检测,并利用面阵CCD和线阵CCD对光栅的衍射信息进行采集,分别从条纹质量、透过率函数和频谱三个方面对空间滤波成像处理前后的光栅进行检验。结果表明:空间滤波成像处理可以减少光栅中高次谐波的含量,明显改善光栅信号的质量;随着衍射光栅空间频率的增大,光栅的正弦性有效提高。     

基于条纹投影的显微镜自动对焦研究

自动对焦技术是薄膜晶体管液晶面板(TFT-LCD)检测中非常重要的一环。针对TFT-LCD液晶面板的检测中需要快速准确地对焦到液晶面板被测面的问题,提出一种可自动对焦的显微镜系统。将数字光栅投影到物面上,先通过分光棱镜将光分成两路,一路被面阵CCD接收,另一路通过分光棱镜和反射镜将光栅的像分成两路,分别成像在线阵CCD的靶面上。通过线阵CCD上两个光栅图清晰度的对比实现离焦方向和离焦量的判断,使用微位移平台移动物镜,实现显微镜的自动对焦。本研究对自动对焦数字光栅的影响因素进行分析,并采用变周期数字光栅进行对焦。     

叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量

将叠栅条纹测量技术和CCD器件结合应用于角度和位移的智能测量系统,该系统利用光栅的衍射自成像现象产生虚拟光栅,与另一光栅形成叠栅条纹,并用CCD光电转换系统,测量叠栅条纹的距离,可得到两光栅间的夹角.当任意一片光栅沿垂直于栅线方向移动时,通过数出移过叠栅条纹数目,即可得到相应光栅移动的位移.本文还分析和讨论了误差来源及给实验带来的影响.     

利用CCD进行透镜焦平面的定位

设计了由全息光栅和CCD等构建的光电混合处理光路,实现对透镜焦平面的定位.采用反射式光学元件设计记录光路,制作满足特定空间频率的全息光栅,并利用质心法计算得到CCD采集面上光斑的中心坐标.     

极紫外平场光栅光谱仪的研制和性能测试

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪,用于磁约束等离子体诊断。采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件,光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,掠入射角为3°。一台可深度制冷、背照式面阵CCD作为光谱探测器,用机械快门控制曝光时间。通过CCD在光谱聚焦面的移动,可以记录的光谱范围为5～50 nm。用Penning放电光源测试了光谱仪的性能; 利用光源的标准谱线,进行了波长标定,波长精度为0.003 nm,并计算出系统各参数的实际值;当入缝宽度设置为30 μm时,在20 nm附近,光谱分辨率达0.015 nm,达到设计指标。     

全光纤频域光学相干层析成像系统优化研究

针对频域光学相干层析(SD-OCT)系统特有硬件(线阵CCD及分光光栅)参数对成像质量造成的影响,展开了对基于光纤的频域OCT系统中硬件参量的模拟和优化工作,分析了分光计中CCD线列阵像素数及数字化深度、CCD安装偏差等因素对OCT成像质量的影响,并对光谱像素图定位进行了修正.研究表明:纵向分辨率不受CCD线列阵像素数的影响,CCD线列阵像素数的增多将线性地增大最大测量深度;CCD数字化深度小于6 bit将直接导致系统纵向分辨率的锐减;线阵CCD偏离聚焦透镜焦面将导致点扩展函数的强度减弱、系统分辨率降低;在较小角度内转动CCD,将使纵向分辨率得到提高;采用氖灯光谱进行像素图定位校正之后,可以相应地提高系统分辨率.部分模拟结论得到实验验证.采用此模拟优化结果,可根据OCT成像的具体要求对系统硬件参量进行优化选择.     

基于灰度加权重心法的线阵CCD亚像素细分定位实验研究

利用石英倾斜仪CCD驱动器、高精度电动位移台和光路系统搭建测试平台,对线阵CCD亚像素细分定位中的一种灰度加权重心法进行实验测试。通过噪声漂移实验和分辨力测试实验,验证了灰度加权重心法能够有效抑制噪声干扰,提高CCD像点定位分辨力,实现线阵CCD亚像素细分定位。实验结果,倾斜仪CCD驱动器采用加权重心法将像点定位分辨力提高至了1/3像素。     

一种基于CCD的实时测量光栅常数的方法

光栅常数是检验光栅质量的重要参数之一.该文介绍了一种实时检测光栅参数的方法,即利用面阵CCD采集光栅衍射图像信息,通过计算衍射±1级光斑与主极大光斑的能量比得出光栅常数.这种方法具有检测速度快、系统简单、精度高等特点,可用于生产线上光栅的实时检测.     

基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法研究

针对瞬态光谱检测中对CCD线扫描速度要求高的特点,提出一种基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法。该方法通过改变面阵CCD的电荷转移方式,以实现基于面阵CCD的高速线扫描。为了探究此方法的可行性,初步通过改变线阵CCD的电荷转移方式,建立了基于线阵CCD的单点超快探测系统。在发光二极管(light emitting diode,LED)光脉冲探测实验中,系统分别工作在单点超快探测模式和正常模式下。测试结果表明,基于线阵CCD的单点超快探测方法是可行的,单点探测速率可达20MHz。从而在理论上证明,通过改变CCD电荷转移方式以实现基于面阵CCD的瞬态光谱检测也是切实可行的。     

纵向莫尔条纹在自准直仪中的应用

为了提高自准直仪的分辨力,将纵向莫尔条纹引入到光路中,用长光栅代替传统单狭缝,将长光栅成像在CCD检测器上,CCD作为标尺光栅,通过两个光栅叠加形成的莫尔条纹的变化可以将成像位移分辨率提高到亚像元,进而将自准直仪的角度分辨率提高到毫秒级.实验结果表明,相对于直接检测狭缝边缘的方法,莫尔条纹法的分辨力提高了25倍.     

CCD直接细分光栅位移传感器的研究

介绍一种采用ＣＣＤ为测量元件的光栅位移传感器的设计方法。该方法利用ＣＣＤ分辨率高、像素均匀的特点,对光栅刻线的像的移动进行精确定位和直接数字化,改变了以往对莫尔条纹进行位相细分的方法。该方法将细分和数字化在测量信号处理流程中的位置前移到光电转换环节,大大简化了后续电路,同时细分数也有大幅度提高,可以方便地实现数千倍的细分。在数据拼接时采用绝对栅距累加的方法,减小了光栅刻线质量对测量精度的影响。整个系统可由计算机通过并行端口进行控制     

绝对编码光栅的相位细分及其在位移测量中的应用

提出通过光栅条纹相位的精密测量,获取光栅高精度位移信息的方法。具体方法是对光栅图像采用多码道设计,用CCD二维图像传感器获取测量段光栅图像多码道信息。对最低码道图形的周期函数序列进行傅里叶变换、基频滤波和逆傅里叶变换获得光栅截断相位分布,其余码道信息提供相位展开的级次,以此获得测量段光栅的绝对相位分布。用光刻的手段制作了实用的绝对编码光栅,基元码道的尺寸是:27.36μm用于明条纹,27.36μm用于暗条纹,最小基元码道空间周期为54.72μm,光栅长度为14008.32μm。在步长近似3μm的位移测试中,与比对的标准仪器记录值比较,标准偏差为0.2057μm,精度在亚微米量级。重复性实验表明,位置测试的稳定性为0.09μm(标准差),得到600倍以上细分的分辨力。     

软X射线能谱定量测量技术研究

采用每毫米1000线的自支撑透射光栅配上背照射软X射线CCD(charge coupled device)组成了透射光栅谱仪,利用北京同步辐射装置(BSRF)3W1B光束线软X射线实验站上X射线源分别对透射光栅的衍射效率和软X射线CCD的响应灵敏度进行了准确的实验标定,获得了150eV到1500eV能区的绝对衍射效率和响应灵敏度的实验结果;同时在国内外研究工作的基础上,发展了自己的透射光栅衍射效率理论计算模型和X射线CCD响应灵敏度计算模型,开展了相应的理论计算和实验标定结果比对工作,理论和实验符合较好,     

CCD在自准直仪中用于莫尔条纹成像研究

讨论了基于纵向莫尔条纹检测的光栅自准直仪测量原理.运用光学傅里叶原理推导出,利用线阵CCD取代指示光栅可以在自准直仪中产生莫尔条纹.实验验证了当标尺光栅在CCD投影光栅常量d2与其光栅常量d1之比为s=1.01时,纵向莫尔条纹的放大作用能达到14.14倍.该方法消除了因指示光栅衍射作用影响试验结果的问题,显著提高了系统的角分辨力,并简化了自准直仪光学系统.     

光栅平视显示器畸变的测量

光栅平视显示器的畸变严重影响对目标的观察、定位、测量与分析, 其定量测量是装配调试过程中亟待解决的问题。结合光栅平视显示器工作原理及其畸变产生原因,利用光电测量技术对光栅平视显示器的畸变测量进行了深入研究。针对不同原因引起的光栅平视显示器畸变建立畸变测量系统,并对其探测器进行标定;利用标定后的CCD探测器实现对光栅平视显示器的畸变测量,并对其畸变测量不确定度进行了分析。实验表明,该畸变测量系统测量光栅平视显示器相对畸变的测量不确定度为0.5%。     

基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统

介绍了基于几何莫尔条纹原理和衍射干涉原理的两种光栅精密位移测量系统及各自的特点。综述了国内外对光栅干涉式精密位移测量系统的研究进展,总结了系统存在的关键问题及发展趋势。光栅干涉式精密位移测量系统的优点是对环境要求小,测量分辨率和精度较高,结构紧凑,成本低。该系统需要解决的问题包括提高光栅以及光学元器件制造和安装精度;寻求一种更高精度的检测手段对光栅位移测量系统进行标定等。光栅干涉式精密位移测量系统的发展方向为更高测量分辨率和精度,大量程、多维度测量以及尺寸小巧。该系统在现代工业加工精密制造领域将具有更广阔的应用前景。     

一种实时测量入射激光波长及方位的新方法

提出了一种利用CCD和光栅实时测量入射激光波长及方位的新方法。该方法利用成像CCD,通过测量入射激光成像点在电视成像坐标系中的位置来确定激光的入射方位;根据光学系统中成像点位置与光栅入射角和衍射角的几何关系,利用光栅测量入射激光的波长。介绍了该方法的测量原理及光学系统结构,给出了测量入射激光波长及方位的计算表达式,分析了测量误差,并在室内通过测量实验对该方法进行了验证。     

橡胶密封圈几何尺寸图像检测技术研究

目前油冷散热器件密封圈尺寸检测使用万工显人工目测方法,工作强度高,测量数据稳定性差。针对这种情况,提出了使用万工显、CCD相机、光栅和计算机搭建自动测量系统,实现了密封圈几何尺寸的检测。采用CCD相机替代万工显的目镜,由光学系统将被测密封圈的边缘成像于CCD靶面上,数字图像通过USB口传入计算机,实现图像采集,由固定于测量平台的光栅尺读取平台移动数据。采集密封圈6幅边缘图像,同时把光栅读数读入计算机。经过中值滤波、阈值分割、边缘检测等图像处理方法,结合光栅读数,经过坐标转换,得到了同坐标系下的所有图像边缘坐标,所有边缘坐标数据采用最小二乘法拟合圆,得出密封圈的半径值。实验数据表明,CCD测量系统均方差为0.0001mm,低于目测系统的均方差值0.0005mm, CCD万工显测量系统测量数据稳定性好。