激光数字光学平面玻璃表面检测系统技术研究

干涉波面数字化和测量分析处理方法是激光数字平面检测系统中的核心技术,只有掌握了此核心技术的关键内容,才能够真正实现对光学平面的快速高精度检测。对光学干涉波面的拟合函数系的选择、拟合算法、系统像差以及被测表面平面误差类型进行了理论分析和算法优化,并进行了实验测试,完成了系统的构建。发现了Zernike多项式阶选择法则,提出被测光学表面误差类型的判别标准以及一种全新的在“Zernike像差空间”确定激光数字光学平面检测系统精度的理论和方法,为实现检测自动化奠定了理论基础。     

如何在激光平面干涉仪上精确测量光学面的平行度

<正> 科研工作中常用到各种平行度很高的光学件,例如研究激光频率用的法卜里——珀洛标准具必须具有二十分之一波长的平行度。因此,如何在加工过程中方便准确地测量光学件的微小楔角乃是光学工艺经常需要解决的一个问题。目前,在光学加工中激光平面干涉仪用得比较普遍,通常用等厚干涉法,即通过测量工件自身两个表面产生的等厚干涉条纹的宽度而求出光学零件平行度的方法。下表给出了λ=0.6328微米时在玻璃平板(n=1.5)和空气平板(n=1)中的楔角θ与条纹宽度B的对应数值。     

微型光学元件的透过波面畸变的数字化检测

介绍了由浙江大学研制的CQG II型车间数字干涉仪检测 φ3 6mm× 0 5mm平行平面玻璃的透过波面畸变的情况。最近研制出的干涉仪测量的最大口径为 φ60mm ,采用移相式条纹扫描数字化处理 ,基于WINDOWS操作系统实现实时检测 ,以优于λ/ 30的精度计算出被检件的波面误差。工厂生产检测表明 :在上述仪器上增加一个 4倍口径的放大系统 ,可以使通光口径 φ3 1mm的工件达到 42 0 0个采样点 ,仪器的透射测量标准干涉腔误差PV≤ 0 0 2 8λ ,仪器隔日多次测量重复性PV≤ 0 0 3λ。该仪器已经正常投入使用 ,生产的用于光学信息产品的微型光学件已为日本先锋公司 (PIONEER)复检通过 ,成为工厂批量生产过程质量控制 (QC)的重要手段。     

非球面条纹扫描式剪切干涉检验法

本文论述用横向剪切干涉仪精确测量光学非球面波象差的方法。用计算机控制干涉相位测量技术,可进行高精度的检测和实时数据分析。本系统主要由有平行平板的横向剪切干涉仪、压电式驱动反射镜、象探测器和具有图象显示的微处理机组成。剪切干涉仪产生与波面导数相应的条纹图,用条纹扫描方法进行分析。对所得数据积分,便可求出波象差。对相对孔径为f/4的非球条面反射镜进行测量,测量精度为1/32λ均方根。     

光学干涉波面数字化处理方法与应用

全面论述了激光数字平面检测系统中的核心技术——干涉波面数字化分析理论和处理方法,对光学干涉波面的拟合函数系的选择、拟合算法以及系统像差和被测表面平面误差类型判定方法进行了深入研究,提出了在"Zernike像差空间"确定激光数字平面检测系统精度的理论和方法.     

光学镜面磁流变确定性修形的实现

磁流变确定性修形具有高精度、高效率、高表面质量以及近零亚表面损伤的特点。介绍了磁流变修形技术的基本原理和方法,并对磁流变修形中涉及的关键技术进行了讨论。在自研的磁流变修形设备上采用水基磁流变抛光液对一块直径80mm的K9玻璃平面进行了磁流变修形实验。经过一次迭代修形(4.39min)使其面形精度峰谷(PV)误差由初始的0.144λ改善到0.06λ(λ=632.8nm),均方根(RMS)误差由初始的0.031λ改善到0.01λ,面形收敛率达到2.81,表面粗糙度RMS值达到0.345nm。实验结果表明,采用磁流变进行光学表面修形,面形收敛快,面形精度高,表面质量好,可广泛应用于高精度光学镜面加工。     

应用离子束进行光学镜面确定性修形的实现

为了克服传统光学镜面抛光方法的缺点,提出了应用离子束进行光学镜面修形的方法.介绍了离子束修形技术的原理和方法,并对离子束修形中涉及的关键技术进行了讨论.在自研的离子束修形设备上对一块直径φ98 mm的微晶玻璃平面样件进行了离子束修形试验,经过两次的迭代修形使其面形精度均方根误差由初始的0.136λ提高到0.010λ(λ=632.8nm),平均每次迭代的面形收敛率达到3.7.实验结果表明,应用离子束进行光学镜面修形无边缘效应、面形收敛快、加工精度高;由于离子束修形技术去除材料过程自身的特点,使数控离子束修形技术对非球面的加工和对平面的加工难度相当.     

条纹图象的数字化自动分析处理技术之一:条纹中心法

条纹中心法是光学条纹图象数字化自动分析处理的重要方法之一.本文全面地介绍了条纹中心法技术分析处理光学条纹图象的详细过程,并对条纹中心的提取、条纹级数的确定与插值等关键技术做了重点说明.文章最后讨论了光学条纹图象数字化自动分析处理软件的编制.     

读者信箱

<正> 答读者1.光源对光圈计算有影响吗? 光圈是用来度量光学零件面形误差的一种计量单位。光学零件的面形误差,主要指平面的平面度偏差、球面的半径误差和两者的局部误差。这些误差,在生产中一般用比较法进行检验,也就是用一标准面与零件受检面作比较,求其两者在规定范围内(一般为零件直径D)的最大偏离量,图(a)、(6)中的△h,此标准面就是样板工作面。检验原理是利用光的干涉,观察其干涉图样的条纹数和规则程度。最大偏离量△h不用一般的长度单位来计量,而用λ/2作为度量单位,λ为光波波长。将此干涉图样称光圈,其条纹数称光圈数,用N表示,     

非球面检测的新进展

<正> 1984年8月,在日本召开的国际光学会议上(即ICO-13)发表了一些关于非球面检测的文章,这些文章代表了非球面检测的新进展。例如,计算全息非球面检测——朗奇(Ronchi)检测法;横向和径向剪切干涉检测法;散射板干涉检测法等。从这次会议上宣读的文章来看,各种不同的干涉计量术检测非球面,他们的技术水平和理论分析已日趋完善并已达到新的高度。目前,各种干涉仪都配有干涉传感器、数模转换图象输入接口和计算机,使干涉条纹的判读精度达到λ/50～λ/100。联邦德国斯图加特大学应用光学学院的研究人员,在应用计算机全息图检测非球面方面有较深的研究。他们将计算机全息图(CGH)记     

光学综合孔径成像中的傅里叶相位研究

傅里叶相位是光学综合孔径成像的重要信息,观测目标的傅里叶相位包含于干涉条纹中。从像平面干涉条纹形成原理出发,推导出大气扰动、星光方向与基线方向不垂直和望远镜系统机械误差等因素是影响干涉条纹初始相位的主要因素。利用条纹原点值和峰值位移从条纹中提取初始相位,采用闭合相位法从条纹初始相位中去除其它因素的影响,从而最终获取目标傅里叶相位：结合计算机模拟对噪声给条纹峰值位置的影响进行分析,模拟结果表明在频域中对条纹能量谱进行阈值处理有较好的去噪效果。最后结合目标重构迭代法阐述了闭合相位在像重构中的作用。     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

基于样本块匹配的干涉图延拓方法

在快速傅里叶变换(FFT)方法处理单幅干涉图原理的基础上,提出一种基于样本块匹配的干涉图延拓方法,利用干涉图像的可信度和等照度线特征,来确定待填充块的优先权,然后在干涉图的已知区域寻找与待填充块最相似的样本块来进行填充。充分利用了干涉图的条纹特征,结合梯度变化方向有效地合成纹理信息,具有很好的延拓效果。最后将该干涉图延拓方法与傅里叶变换,合适的滤波函数和相位解包方法结合起来形成整套单幅干涉图处理方法。采用该单幅干涉图处理方法获得的波面峰谷值与Zygo移相干涉仪得到的平均相差不到λ/100,并且两种方法获得的波面均方根值平均相差不到λ/200。     

基于插值法波面拟合的球面光学元件检测

为了实现在线自动化检测球面光学镜片的面形偏差,在已有的光学检测系统基础上,对光学检测系统采集的干涉图样进行图像处理和波面拟合算法研究。首先对干涉图样预处理,再根据球面光学镜片大多是圆形孔径,对预处理后的干涉条纹通过最小二乘法拟合出干涉图样的圆边界,确定数据取值边界点的中心和半径值;然后采用Multi-quadric函数插值法拟合出波面的面形轮廓,计算波面的峰谷偏差EPV值及均方根偏差ERMS值;最后用上述方法对Zygo干涉仪采集的干涉图的处理结果与Zygo干涉仪测试结果进行比较分析。结果表明:通过边界处理可有效提高波面拟合精度,采用multi-quadric函数插值法拟合可以理想的还原出波面,且测量误差与国标相比能够控制在0.2的误差范围内,与Zygo干涉仪检测结果相比可以控制在0.03误差范围内,都能够满足球面光学镜片在线检测的精度要求。     

数字平面检测系统误差和精度评价方法的研究

通过对光学平面玻璃样品表面检测结果的分析，对激光数字平面检测系统中，应用泽尼克多项式进行平面分析的系统理论误差以及被测表面形状类型的判别方法进行了深入的研究，并应用误差分析理论，提出了一个在“泽尼克像差空间”确定激光数字平面检测系统精度的理论和方法。     

光学元件干涉检测数据的定位处理方法

在光学元件的抛光阶段,通常采用干涉仪对光学元件的面形数据进行检测,为进一步的加工工作提供指导意见.为了利用干涉仪检测数据给出被测光学元件面形上的各点空间坐标准确位置,对面形数据的原始数据做二值化处理,用Sobel算子采用基于边缘检测的方法准确提取光学元件的外形轮廓数据,采用基于半径约束的最小二乘拟合方法对被测光学元件的内、外圆边缘数据进行多次处理,求取内、外圆的圆心位置,半径大小,根据等准确度测量原则获得光学元件面形数据的准确值,为在干涉仪检测所得面形数据上准确建立坐标系提供依据.     

基于小波变换的干涉图压缩算法

在研究小波变换和分层树集合分割排序算法的基础上,将小波图像压缩技术应用于干涉图的压缩.根据小波分解系数矩阵中高频子图像上数据接近于零,信息主要表现部分在低频子图像上,以及干涉图数据中主要信息集中在零光程差附近的特征,将干涉图一行数据拆开并按对角Z型排列存储为矩阵形式,再进行小波压缩.结果表明,此改进能提高压缩性能.     

Bidimensional near-field sampling spectrometry

We report on a concept of compact optical Fourier-transform spectrometer based on bidimensional (2D) spatial sampling of a confined interferogram. The spectrometer consists of a nanostructured glass surface on which two light beams interfere in total internal reflection. Subwavelength spatial sampling of the interferogram near field is achieved by introducing a tilt angle between a 2D array of optical nanoantennas and the interferogram pattern. The intensity distribution of the scattered light is recorded on a 2D CCD camera, and a one-dimensional Fourier transform of the interferogram is used to recover the input light spectrum. Experimental results show a wide spectral bandwidth in the visible range, down to 380 nm, with spectral resolution of 1.6 nm around 780 nm.     

非球面光学系统设计、加工及检验的综合考虑

某研究所要求研制一台夜间红外观测系统 ,观测波段为 3～ 5 μm ,焦距 f =90 0mm ,相对口径为 1∶4,视场角 2ω =0 8°。红外焦平面是已有的 ,其冷屏直径为Φ5mm ,冷屏至焦面的距离为 2 0mm。由于从设计开始 ,要求完成的时限很短 ,因此必须将缩短加工周期的问题作为重要因素来考虑。工作在 3～ 5 μm波段 ,首选的必然是非球面反射系统 ,而非球面的加工与检验的难易直接和其参数有关。因此在评价设计结果时 ,不能仅从像质好坏来看 ,还要看其需要的加工周期长短。接受到任务之后 ,首先找到了可行的方案 ,然后设计了几个具体的系统 ,在比较了两个最可行的设计结果之后 ,选择了其中之一。