长景深阵列光学组件缺陷检测系统设计

介绍了神光-Ⅲ中阵列光学组件缺陷的长景深检测系统的基本组成。利用在系统光阑处进行的相位调制,可以实现景深的延拓效果,从而可以实现在3~13m物距范围内的大景深成像探测。进一步论述了光学检测系统的设计指标、设计思想、设计结果及其仿真评价。模拟结果显示该系统可以实现3~13m纵向范围内阵列光学组件缺陷的同时检测。     

光学元件亚表面缺陷的全内反射显微检测

 光学元件亚表面缺陷的有效检测已成为高阈值抗激光损伤光学元件制造的迫切要求。基于全内反射照明原理开展了全内反射显微技术检测光学元件亚表面缺陷的实验研究。结果表明：全内反射显微技术可有效检测光学元件亚表面缺陷;入射光偏振态和入射角度会影响元件内界面下不同深度处驻波形式照明强度的分布,对于可见度发生明显改变的微小缺陷点能衡量出其一定的深度尺寸范围;利用显微镜精密调焦对界面下一定深度处缺陷成像,可知缺陷点的位置深度。     

基于微透镜阵列的光场显微镜实验研究

为了解决传统光学显微镜景深小的局限性,结合光场成像技术,搭建了基于微透镜阵列的光场显微镜试验平台.实验获取了绿光照明下碎玻璃片的光场显微镜照片,利用光场成像技术数字重聚焦得到了清晰成像与不同距离的图像序列.通过几何光学的成像原理以及物理光学相关理论,分析了传统显微镜和光场显微镜的空间分辨率和景深.结果表明,光场显微镜的景深较传统显微镜大幅度增加了38倍,而空间分辨率减小了8/9.实验得到的光场图像序列同样表明光场显微镜能够大幅度增加景深.     

全内反射显微技术探测亚表面缺陷新方法研究

亚表面缺陷的检测和去除对于提高光学元件的激光损伤阈值至关重要。结合全内反射显微技术和数字图像处理技术获得光学元件亚表面缺陷信息的新方法,利用显微镜系统的有限焦深,对亚表面缺陷沿深度方向扫描,可以获得不同离焦量下的散射图像,通过数字图像处理技术,建立缺陷散射图像清晰度评价值与离焦量的关系,通过清晰度曲线得到亚表面缺陷的深度位置及深度尺寸。模拟全内反射显微平台的成像过程,讨论微调焦过程中全内反射显微成像的特点。缺陷深度位置及深度尺寸的测量精度主要由载物台精密调焦机构的精度以及显微镜的焦深决定,一般可达微米量级。利用飞秒激光加工技术制备尺寸和位置已知的微结构,使用该方法准确获得了微结构信息,验证了该方法的有效性。     

多个布儒斯特窗大型光学元件的损伤在线检测

 针对高功率固体激光装置主放大器中以布儒斯特角放置的大型光学元件,设计了一套损伤在线检测系统。该系统利用望远系统倍率不变特性实现了多个光学元件在线等精度、等分辨率检测;采用景深理论,通过仔细调节孔径光阑的大小,以达到既能测量同一倾斜光学元件上的不同损伤点,又能减小相邻光学元件间损伤信息相互影响的目的。通过亮场成像纵向定位损伤位置,而利用暗场成像横向定位损伤的大小。实验证明了该方法的可行性和有效性。该检测方法适用于各种多个倾斜放置的光学元件的损伤在线检测。     

手持式眼底相机光学系统设计

提出一种新型眼底成像系统,结构更加简单、紧凑。系统的成像和调焦投影光路共用调焦镜,调焦投影光路完全嵌入到照明光路。调焦投影光路不再专设照明组件,避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。并且充分利用了网膜物镜系统的空间。利用LED光源窄带宽的优势,瞄准和拍照过程共用一个电荷耦合器件相机。采用新的光学结构,设计了一款视场30°、工作距离30mm的眼底相机光学系统,眼光焦度补偿范围-10m-1～+5m-1,物方各视场分辨率为45line/mm,畸变小于5%。     

一种新型投影曝光调焦方法

为研究大面积激光投影光刻的调焦,利用Zemax光学设计软件模拟离焦对光程差（OPD）和调制传递函数（MTF）的影响,分析二者对投影曝光图形质量的影响,给出系统最大的离焦量值。提出一种利用显微镜的调焦方法,分析此方法的调焦误差主要来自于显微镜景深,根据景深表达式和系统最大离焦量值,选择一款景深不大于系统最大离焦量的显微镜来构建调焦系统,并基于该调焦系统进行光刻实验。实验结果表明:利用该方法对投影成像光刻进行调焦,无论是否离焦,边缘视场与中心视场的MTF均有差异,分辨率也有差异,但这种差异不影响光刻图形的质量。     

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。     

基于多重结构的平显视差仪中内调焦物镜设计

根据平显视差测量原理中自动调焦的要求,设计了一个相对孔径与调焦范围均较大的内调焦物镜。针对内调焦传统设计方法的不足,在对内调焦各镜组选型后将它们组合成为一个系统,采用多重数据结构设计的方法,对不同物距下的结构进行同时优化,从而解决了近距离的成像质量难以控制的问题。所设计的内调焦物镜在不同的物距下成像质量稳定,无穷远时光学传递函数(MTF)值在空间频率为120 lp/mm时轴上与轴外均达到0.4以上,物距在300 mm时轴上视场MTF为0.3,轴外视场弧矢MTF在0.3以上,子午MTF达到了0.2;相对畸变均控制在1%以内,有利于后续的图像处理工作。     

基于多视角合成孔径的太赫兹光场成像去遮挡算法研究

针对太赫兹光场成像中由前景遮挡物影响感兴趣信息采集的问题,提出基于多视角合成孔径的太赫兹光场成像去遮挡算法。在分析太赫兹光场成像数字重聚焦原理的基础上,首先使用太赫兹焦平面阵列相机来采集太赫兹光场的原始数据,然后通过确定最小泛化误差来定位数字重聚焦深度,最后应用经验模式分解(EMD)法对重构图像进行增强处理,得到目标物轮廓分明、抑制遮挡物干扰的太赫兹图像。实验结果表明,太赫兹光场技术与合成孔径技术的结合可有效降低遮挡物的影响,另外证实了EMD法具有改善太赫兹图像质量的能力。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

基于矩阵变换的光场成像及重聚焦模型仿真

基于光场的两平行平面表示方法,针对光场相机两参考平面间的共轴空间距离变换、离轴空间距离变换、轴旋转和沿轴旋转以及透镜作用等对光线描述方式的影响,给出了相应的光场矩阵变换方程,并利用这些方程,建立了光场相机的成像模型、采样模型及辐射传输模型.从光场共轴空间距离变换的观点出发推导出可实现不同点清晰成像的数字重聚焦公式.利用所建立的模型,计算机仿真生成了目标景物,并用所建立模型对生成景物进行了数字重聚焦,验证了数字重聚焦后的图像与直接聚焦图像的一致性.     

大口径精密表面疵病的数字化检测系统

 根据散射光成像原理,采用大小两个视场来获取不同精度的暗背景下的亮疵病图像,设计了完整的数字化表面疵病检测系统。该系统采用多区域自适应阈值分割算法对图像进行分割,然后采用基于等价归并标记方法快速提取疵病的特征参数,最后利用BP神经网络对疵病进行分类。实验结果表明该方法既满足实时性需求,又取得了较好的分类检测效果。     

Imagery of local defects in multilayer components by short coherence length interferometry

We propose to image local defects inside multidielectric optical components by using a special configuration Linnik interference microscope, along with a CCD camera and a dedicated detection, to extract the amplitude scattered by the defects in the interference image. The use of a short coherence length source allows one to obtain interference only from a thin slice (~1microm) within the observed object. The object is tilted to permit the use of a dark-field configuration to enhance the defect contrast. We describe the experimental setup and the detection scheme. Images that exhibit local point defects on the interfaces of various multilayer optical components (laser mirrors) are presented.     

Detection and measurement of surface defects by automatic fringe analysis

A novel measurement and inspection system for the detection and measurement of surface defects, such as chips and cracks, has been developed and applied to engineering components such as cylindrical rollers.The position, depth and volume of such a defect can be determined automatically. Measurement of such defects requires that three-dimensional information be made available for computer analysis. This is achieved by using a grating projection technique to provide contour fringes on the object, i.e. to give depth information. The contoured object is viewed by a charge coupled device (CCD) camera, the output of which is digitised and stored in a frame buffer from which it is available to a computer system for digital image processing, analysis and comparison. Calibration tests on defects of known size have confirmed that the system is fast and accurate.     

复杂曲面构件的超声虚拟声源阵列成像*

利用虚拟声源和合成孔径聚焦相结合的复合成像技术解决复杂曲面构件超声检测图像中的缺陷位置失真问题。首先,在水浸检测条件下利用128阵元线性阵列换能器中采集曲面构件内部缺陷的B扫描数据。通过相邻阵元界面回波时间差构建虚拟声源,并将其定义为声波在水-构件双层界面上的入射点。然后,根据实际阵元-虚拟声源-聚焦目标三者之间的声传播路径,通过合成孔径聚焦技术将各路阵元的接收信号反推至虚拟声源处进行图像的延时叠加重建,最终获得复杂曲面构件中缺陷的超声图像。结果表明,与传统B扫图像和合成孔径聚焦图像相比,虚拟源-合成孔径聚焦图像能够准确呈现复杂曲面构件的表面轮廓,精确表征构件内部的缺陷位置。     

Noninvasive optical imaging by speckle ensemble

We propose a new method imaging through scattering media. An object hidden between two biological tissues (chicken breast) is reconstructed from any speckled images obtained from the output of a multichannel optical imaging system. The effect of multiple imaging is achieved with a microlens array. Each lens is the array projects a different speckled image onto a digital camera. The set of speckled images from the entire array is first shifted to a common center and then accumulated into a single average picture.     

基于光场成像的表面三维重构

传统的成像方式单次曝光只能获取物空间二维横向分辨率信息,无法获取纵向深度信息,导致单次拍摄过程中物空间的深度信息丢失, 无法对物空间的目标物进行三维重构。光场相机内部采用光场传感器,不同于传统成像系统单次采集只能获取二维信息而造成的信息缺失,光场传感器可获取物空间的多维光场信息,同时其还具有便携等优点。采用光场相机进行拍摄,利用数字重聚焦以及散焦测距和相关计算的方法,实现密集深度图像的获取,基于matlab软件平台,对所获取的图像深度数据矩阵进行处理,最终实现物空间的三维重构。得到物空间的相对深度的归一化结果。本实验中,在深度范围为100 mm~1 500 mm范围内,实现平均误差为5.47%深度信息的表面三维重构,最大重构误差为8.30%。     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

Double-exposure heterodyne imaging for observing line-of-sight deformation

An optical heterodyne array imaging system is described for double-exposure interferometric measurement of objects that change because of stress or vibration. The signal measurement and processing approach is summarized, and the method is demonstrated in the laboratory. An advantage of this technique over other electronic interferometric imaging methods is that complex exposures are created with digital phase and amplitude values at each image pixel. In addition, measurement of object deformation does not require time synchronization between the camera exposure time, or laser pulse time, and object vibration frequency.