基于波长移相调谐的多表面干涉研究

为了解决不同厚度下平行平晶的多表面干涉效应对光学元件面形检测的影响,提出了基于波长移相调谐原理的多表面干涉面形检测方法。根据波长移相调谐原理,推算出不同厚度下被测元件与测试腔长的比例关系,通过对多表面干涉图进行离散傅里叶变换,进而提取出平行平晶前后表面面形的相位信息。实验结果表明:与ZYGO公司GPI干涉仪测量结果对比,厚度分别为10mm和40mm的两块平行平晶,测试结果偏差很小,验证了算法的有效性。     

TIE和角谱迭代用于光学元件表面划痕深度检测

针对散射法在检测光学元件表面划痕时只能得到其光场分布而无法直接得到划痕深度信息的问题,将角谱迭代算法、光强传输方程（TIE）和角谱迭代结合的算法应用到光学元件表面划痕深度检测中。首先,采集光学元件表面的光场分布,分别利用两种重建算法得到表面划痕的相位分布,通过表面划痕对相位的调制特性计算出划痕深度;然后,从强度误差、相关系数及相对均方根误差来对两种算法的有效性进行评价;最后,通过实验验证了光学元件表面划痕深度重建结果的准确性。结果表明,与角谱迭代算法相比,TIE和角谱迭代相结合的算法重建划痕深度的相对误差更小,重建效果更好,重建精度更高。     

基于振镜扫描方式的光学元件表面损伤检测EI北大核心CSCD

振镜作为一种二维扫描器件,可以实现光学元件不同位置处表面情况在CCD相机上的成像,利用振镜扫描方式无需移动待检测光学元件和成像系统即可完成大口径光学元件表面损伤的扫描检测,提出了一种基于振镜扫描方式的大口径光学元件表面损伤检测方法。利用该方法对光学元件表面损伤点检测进行了验证实验,通过在元件表面设置基准点,利用振镜扫描步数及图像处理技术确定损伤点位置及尺寸,并与光学显微镜观察到的损伤情况进行对比,结果显示利用振镜扫描方法对元件表面损伤点位置及尺寸的检测结果与光学显微镜检测结果偏差较小。该检测系统分辨率可达到(2.08±0.015)μm/pixel,检测范围大于2.5cm,水平方向和竖直方向位置坐标检测准确度分别为3.76%和1.37%,损伤点尺寸检测准确度为6.19%,能够实现较大尺寸光学元件表面损伤点的高准确性检测。     

基于振镜扫描方式的光学元件表面损伤检测

振镜作为一种二维扫描器件,可以实现光学元件不同位置处表面情况在CCD相机上的成像,利用振镜扫描方式无需移动待检测光学元件和成像系统即可完成大口径光学元件表面损伤的扫描检测,提出了一种基于振镜扫描方式的大口径光学元件表面损伤检测方法。利用该方法对光学元件表面损伤点检测进行了验证实验,通过在元件表面设置基准点,利用振镜扫描步数及图像处理技术确定损伤点位置及尺寸,并与光学显微镜观察到的损伤情况进行对比,结果显示利用振镜扫描方法对元件表面损伤点位置及尺寸的检测结果与光学显微镜检测结果偏差较小。该检测系统分辨率可达到(2.08±0.015)μm/pixel,检测范围大于2.5cm,水平方向和竖直方向位置坐标检测准确度分别为3.76%和1.37%,损伤点尺寸检测准确度为6.19%,能够实现较大尺寸光学元件表面损伤点的高准确性检测。     

基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测方法

利用调焦方式可以实现焦距的连续变化从而对不同物距下的光学组件进行在线检测,但是调焦过程操作复杂且对调焦位移精度要求较高,景深内光学元件缺陷无法区分,难以实现真正意义上的在线检测。因此,本文提出了基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测方法。首先建立了相机阵列的成像模型并给出了数字重聚焦表达式以及空间分辨率的表达式。接着利用MATLAB模拟相机阵列成像过程和数字重聚焦过程。最后进行实验验证,通过二维位移台带动相机对不同物距下的多个光学元件表面缺陷进行成像获得阵列相机图像,通过数字重聚焦算法得到不同物距下的光学元件表面缺陷分布信息。实验结果表明,基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测技术能够同时对位于景深范围内的光学组件进行在线检测。该方法在光学元件缺陷在线检测方面有着一定的应用价值。     

曲面光学元件表面微缺陷透射式偏振检测

国内外近些年来,对于光学元件表面缺陷的检测技术越来越重视。由于光学元件表面质量的好坏会直接影响到光学系统的性能。文章主要针对曲面光学元件中球面和柱面光学元件表面微缺陷的检测问题,提出了一种基于光偏振特性的检测方法。利用光学元件表面缺陷与无缺陷区域之间透射光偏振态的差异,提高整幅图像中缺陷的对比度。首先基于光的偏振理论,利用偏振片获得偏振照明光,并采用共焦照明的方式获得同时对焦的曲面光学元件缺陷图像。其后,利用计算机对缺陷图像进行处理。结果表明采用光的偏振特性对曲面光学元件表面微缺陷的检测,能够获得高对比度、高分辨率的缺陷特征。此方法很好的提高了曲面光学元件表面微缺陷的检测准确度和检测效率,结果表明缺陷的检测准确率达到了95%。     

光学元件表面频谱分布影响因素的分析方法

 精密光学系统对光学元件的表面频谱误差的分布提出了控制要求,在加工中如何检测和控制光学元件表面的频谱分布成为一个新的问题。利用功率谱密度对频率的定量化描述功能,对检测数据进行样条插值,在同一极坐标系下计算功率谱密度,求取功率谱密度比值信息,分析小磨具技术的加工工具性能、形状及其运动方式对光学元件表面的频率分布影响。指出在加工中合理地改变加工参数可以快速有效地控制元件表面频谱的分布特征。在670 mm大口径非球面镜加工中做了验证。     

球面光学元件表面疵病视觉检测方法研究

球面光学元件由于其光学结构的影响,采用机器视觉的方法对其表面疵病进行检测时,无法将被测面都成像在一个像平面上并且在成像的过程中丢失了疵病的三维信息,造成了检测的误差。为了解决这些问题,提出了一种机器视觉与三维重构相结合的检测方法。首先,根据球面光学元件的特性设计了图像采集平台,以获得高质量的疵病图像。然后,通过图像处理算法对疵病图像进行预处理与疵病识别。最后,基于计算机视觉图像重构技术与球心投影技术,对疵病图像进行三维重构。实验表明,该方法提升了机器视觉对球面光学元件表面疵病检测的精度,可达99%,具有可行性和研究价值。     

抛光表面的亚表层损伤检测方法研究

光学元件磨削加工引入的亚表面损伤威胁着光学元件的使用性能及寿命,成为现阶段高能激光发展的瓶颈问题,特别是抛光表面光学元件的亚表面损伤检测已成为光学元件制造行业的研究热点和难点.本文结合光学共聚焦成像、层析技术、显微光学、光学散射以及微弱信号处理等技术,给出了基于光学共焦层析显微成像的光学元件亚表面损伤检测方法.分析了不同针孔大小对测量准确度的影响,并首次给出了亚表面损伤的纵向截面分布图.与腐蚀法比较结果显示:针对自行加工的同一片K9玻璃,采用本文提出的方法测得的亚表面损伤深度45 μm左右;采用化学腐蚀处理技术,对光学元件逐层刻蚀,观察得到的亚表面损伤深度50~55 μm.两者基本一致,进一步验证了本文采用的方法可以实现对光学元件亚表面损伤的定量、非破坏检测.     

熔融石英光学元件亚表面缺陷三维重构技术

熔融石英光学元件的亚表面缺陷直接影响着其成像质量及激光损伤阈值等指标。相比缺陷的二维截面大小以及深度信息,亚表面缺陷三维轮廓及缺陷体积的定量检测结果可以用来更准确地评估熔融石英光学元件的加工质量。结合共聚焦显微镜的成像原理,使用共聚焦显微镜进行了熔融石英样品层析扫描实验。通过对亚表面缺陷图像特点的分析,提出了适用熔融石英元件亚表面缺陷的三维重建算法。提出的算法在亚表面缺陷重建效率与精度上均优于其他三维重建方法。根据重建后缺陷的统计结果,定量获得了熔融石英样品亚表面缺陷的完整三维信息。     

大口径光学元件表面疵病在位检测与评价研究

精密光学元件在加工过程中如果工艺控制不当,产生的划痕、麻点等疵病分布范围虽然较小,但对整个光学系统的性能影响却很大,破坏力非常强,目前的表面疵病检测仪基本上针对平面或球面光学元件进行离线检测。文章以光学加工机床为运动平台,采用暗场散射成像方法,设计多光束均匀照明系统,研究表面疵病微细特征的识别算法,实现大口径光学表面疵病的在位检测与评价;标定结果表明,表面疵病宽度偏差为2.05%,长度偏差为2.39%,满足指标要求;在此基础上针对Φ280 mm平面硅镜进行自动化在位检测,给出了不同类型疵病的统计数据,解决了离线检测中非加工时间长与多次装夹引起定位误差等问题。     

Difference scattering field properties between periodic defect particles and three-dimensional slightly rough optical surface

Based on the practical situation of nondestructive examination, the calculation model of the composite scattering is established by using a three-dimensional half-space finite difference time domain, and the Monte Carlo method is used to solve the problem of the optical surface with roughness in the proposed scheme. Moreover, the defect particles are observed as periodic particles for a more complex situation. In order to obtain the scattering contribution of defects inside the optical surface, a difference radar cross section is added into the model to analyze the selected calculations on the effects of numbers, separation distances, different depths and different materials of defects. The effects of different incident angles are also discussed. The numerical results are analyzed in detail to demonstrate the best position to find the defects in the optical surface by detecting in steps of a fixed degree for the incident angle.     

二维不规则形状发热型缺陷的红外识别算法

对带有自身发热型缺陷的试件建立二维传热模型,利用有限元法进行求解,研究试件表面的温度分布规律,并根据共轭梯度法提出根据试件外表面红外测温,定量识别发热型内部缺陷边界轮廓的方法.数值实验证明了算法的有效性.对所研究缺陷类型,导热系数较小的试件识别精度较高;温度测量误差、测温点数目及缺陷轮廓初值假设对识别结果的影响可以忽略;检测表面最大温差越大,识别精度越高.     

基于计算全息的衍射光学元件印模制备方法研究

介绍了一种基于计算全息的非对称多台阶衍射光学元件印模制备方法，研究了相位型计算全息的工作原理和设计方法，建立了相应的光学系统和衍射光波模型，设计了求取相位型印模微结构的算法流程。在理论分析的基础上，以叠心图案为例，利用MATLAB分别仿真了2台阶、4台阶、8台阶、16台阶衍射光学元件的相位信息以及表面微结构形貌，并对比了其再现图像的质量，发现台阶数越多，再现图像的质量越好。获得印模空间高度数据以及表面结构分布后，利用单点金刚石车削技术，采用快刀加工方式，分别加工了元件尺寸为6 mm×6 mm，最小特征尺寸为30 um的2台阶和4台阶印模，并获得了实际加工的台阶轮廓曲线以及表面结构轮廓。最后采用紫外固化纳米压印技术实现了4台阶印模的复制过程，并对复制样品进行了图像再现，结果表明该方法能用于非对称低台阶数衍射光学元件印模的制备。     

Surface defect gap solitons in two-dimensional optical lattices

We investigate the existence and stability of surface defect gap solitons at an interface between a defect in a two-dimensional optical lattice and a uniform saturable Kerr nonlinear medium. The surface defect embedded in the two-dimensional optical lattice gives rise to some unique properties. It is interestingly found that for the negative defect, stable surface defect gap solitons can exist both in the semi-infinite gap and in the first gap. The deeper the negative defect, the narrower the stable region in the semi-infinite gap will be. For a positive defect, the surface defect gap solitons exist only in the semi-infinite gap and the stable region localizes in a low power region.     

Ring beam shaping optics fabricated with ultra-precision cutting for YAG laser processing

In this study, a method for generating ring intensity distribution at a refraction-type lens with an aspheric element was proposed, and the beam shaping optical element was finished using only ultra-precision cutting. The shape of the optical element and its irradiance pattern were determined from numerical calculation based on its geometrical and physical optics. An ultra-precision lathe was employed to fabricate beam shaping optical elements, and acrylic resin was used as the material. The transmittance of an optical element (a rotationally symmetrical body) with an aspheric surface fabricated using a single-crystal diamond tool was over 98%, and its surface roughness was 9.6 nm Ra. The method enabled the formation of a circular melting zone on a piece of stainless steel with a thickness of 300 μm through pulse YAG laser (λ 1:06 μm) processing such that the average radius was 610 μm and the width was 100–200 μm. Circular processing using a ring beam shaping optical element can be realized by single-pulse beam irradiation without beam scanning.     

红外热波无损检测中材料表面下缺陷类型识别的有限元模拟及分析

鉴于红外热波无损检测中被检测物的形状、尺寸、材料和缺陷类型的不同，为给红外热波无损检测提供前期实验结果的预演，利用大型有限元分析软件ANSYS选择3种热特性差异较大的均匀材料，设计了三维模型。利用软件的前处理器和通用后处理器，绘出不同时刻模型表面的温度场分布，以此确定温度分布材料缺陷的类型。通过对模拟数据进行分析，绘出不同缺陷的温度变化曲线。根据曲线斜率的不同，可定性确定缺陷的类型。模拟结果说明：大型有限元分析软件ANSYS可用于红外热波无损检测实验过程的模拟,模拟结果与实验结果相符。该方法可用于其他不同缺陷类型的模拟及定量识别。     

星间激光通信终端光学天线的隔离度

为满足星间激光通信对高隔离水平光学天线的要求,实现对光学天线隔离度的仿真分析和优化,提出了一种将红外系统冷反射的特征控制量YNI值作为衡量光学元件表面后向反射能量强度,并控制光学天线优化以提高隔离度水平的方法。在Light Tools软件中为某激光通信终端的卡塞格林天线创建了实体模型,通过仿真分析得出了各元件表面的后向反射率。在ZEMAX软件中以增大各元件表面的YNI值为目标优化天线结构。对比优化前后的结果,系统的后向反射率从3.068 8×10~(-4)减小到1.075 5×10~(-5),隔离度从-35.13 d B减小到-49.68 d B。优化后的卡塞格林天线具备较高的隔离度水平,可用于星间激光通信。     

用于铝板缺陷无损检测的激光超声有限元模拟研究

激光超声技术能够在材料表面形成超声波，是实现材料缺陷无损检测的重要环节。借助Abaqus有限元分析工具，基于激光超声热弹机制建立了轴对称铝板的表面缺陷模型，模拟了激光激发产生的表面波在材料中的传播特性及其与铝板缺陷的相互作用过程。数值模拟实验表明，铝板表面缺陷的分布深度值越大，反射波越强，并且当缺陷深度达到一定程度时，反射波的幅值趋于稳定；但缺陷的分布宽度对于反射波的影响则十分有限。所得结论为基于激光超声的材料缺陷的定量检测及识别提供有效的理论依据。