分块非线性加权在车灯检测仪校准器光轴角测量中的应用

针对传统光轴角测量系统中人为因素干扰导致的重复性能降低等不足,设计一种基于图像处理技术与高精度电控转台相结合的自动测量方案。分析了照明光斑光强分布特性,提出了一种基于图像区域分割的最优非线性加权的特征点提取算法。该方法根据光强与灰度的线性关系,将光强量化到3个区间。然后分析灰度因素在特征点定位中的影响;针对不同区间应用局部最优加权法则以实现局部最优化处理。最后,利用光轴偏转角与特征点在像面上位移的对应关系,计算得到光轴角测量值。开展了光斑特征点重复性实验并分析了光轴角检测精度,结果表明:该系统在不同光强、不同角度条件下重复性好,测角精度优于60.18″。与激光光源的光轴角测量实验对比,该算法在光斑光强分布不均的条件下仍能完成稳定且精确的光轴角测量。     

基于光强调制和数字拟合的PSD位置检测方法的研究

为了实现对微小位置信号的精密测量,建立了PSD位置检测系统。对该系统的光强调制方法、测量原理、位置测量算法及误差评估进行了研究。实验发现当信号光强微弱时,位置敏感器件(PSD)受背景光强影响很大。采用正弦调制光强,通过带通放大的方式,克服背景光强的影响,极大地提高了测量系统的信噪比。针对所提取的PSD光强差与和信号均为调制频率信号,且幅值与相差由光斑位置决定的特点,提出应用同步A/D与椭圆拟合法计算光斑位置的方法,并对相关计算公式进行了理论推导。实验结果表明:在测量范围达到9 mm的条件下,测量精度可达到0.01 mm.基本满足PSD位置检测方法的稳定可靠、测量精度高、抗干扰能力强等要求。     

变栅距光栅衍射特性分析

光纤式变栅距光栅位移传感器是一种新的位移传感器,变栅距光栅是该位移传感器的核心元件,传感器的位移分辨率决定于变栅距光栅的光谱分辨,分析和研究如何提高变栅距光栅的光谱分辨能力是位移传感器提高位移分辨的关键。基于夫琅和费衍射理论,推导了对于变栅距光栅,平行光入射后的衍射光强的角度分布。计算变栅距光栅参数相同,入射光斑宽度分别为5mm和10mm衍射光的分布特点;10mm入射光斑,光栅参数不同时衍射光的分布特点。实验验证了不同入射光斑宽度对光纤式变栅距光栅位移传感器分辨率的影响。由于变栅距光栅的衍射特点,入射光斑直径的大小是传感器分辨率的一个重要影响因素。     

基于微小电流过采样的激光光栅测试系统

激光光栅的质量检测是光栅生产应用中的关键环节。该测试系统设计了高精度微小电流采样电路,采用过采样技术用AVR芯片内部10位ADC实现13位采样精度,采用窗口滤波、平均滤波进行进一步数据处理。系统提升光栅透光率的测量相对误差至5‰以内,0级与1级光斑光强比测量相对误差至1%以内,实现了高精度激光光栅测试。     

四象限探测器的特性测试

研究了用四象限探测器检测光斑中心位置时,入射光斑的各种特性和外部环境对象限探测器输出产生的影响。通过理论推导得出了入射椭圆高斯光斑时光斑中心位置与探测器输出的关系公式及检测灵敏度公式;搭建实验系统完成了室内及野外测试实验。实验结果表明,室内环境下探测器具有较高的检测精度与细分能力;在极限灵敏度下通过数字滤波可以使器件具有36细分的能力;测量了象限探测器的电压特性,完成了背景光特性、光斑大小特性、信噪比特性测试实验。野外实验表明,光强闪烁对探测器影响很大,当大气折射率结构常数为10-16时,距离在830 m时器件仅具有7细分能力,距离在12.5 km时基本没有细分能力,已经无法进行光斑检测。     

基于局域表面等离子体共振的近场偏振测量

在近场条件下金纳米粒子能引起光场矢量局部变化,针对金纳米粒子的这一特性,提出了一种检测近场光偏振态的新方法。将半径为50 nm的金纳米小球组成金纳米粒子阵列结构,利用该结构产生一定的光强分布图案,用于检测不同偏振态的光场矢量。利用数值模拟软件FDTD对金纳米粒子阵列结构进行模拟仿真,结果表明,从仿真图案上可以直观地分辨出5种不同偏振态的光场。     

拼接式反射镜共焦误差检测

基于传统的夏克-哈特曼波前传感技术,针对实验室现阶段所拥有的合成孔径望远镜系统设计了一套共焦检测系统,用于对合成孔径系统的拼接主镜进行倾斜量误差检测。由于受实验平台振动和实验环境气流扰动等因素的影响,导致检测系统的夏克-哈特曼光斑质心阵列做无规则的抖动,检测系统难以实现高精度共焦。针对该问题提出采用连续帧频数据采样叠加滤波处理的方法来克服实验环境因素的影响;将采集的连续帧频数据逐帧处理,相互叠加,分析光斑质心分布规律,通过构建光斑分布图样最小外接矩形获取光斑质心位置,从而有效的提高了共焦检测系统的准确度。实验表明中心镜沿x与y方向的倾斜量误差数据的标准差分别从0.0297与0.0092降到了6.0×10^-5与5.1614×10^-4。最终光斑质心数据的稳定性得到了不止一个量级的提升,良好的克服了因实验环境因素导致检测系统精度损失的问题,同时也验证了共焦检测系统方案的可行性。     

基于动态权重PSO算法的眼科OCT设备横向分辨率检测

眼科光学相干层析成像(OCT)设备的横向分辨率检测易受光斑噪声和干涉条纹影响,为提高横向分辨率检测精度,提出一种基于动态权重粒子群优化(DWPSO)算法的眼科OCT设备横向分辨率检测方法。通过构造动态权重因子对局部PSO算法进行改进,构建了DWPSO算法;建立了光束光强分布模型,采用DWPSO算法辨识模型参数并获得光束宽度,应用最小二乘算法拟合光束宽度得到数值孔径,用于实现眼科OCT设备横向分辨率检测。实验结果表明:DWPSO算法与其他相关算法相比较能够快速得到光束光强分布模型的全局最优解;被测眼科OCT设备在近焦点位置的横向分辨率为18. 21μm,远焦点位置的横向分辨率为49. 91μm,该横向分辨率检测方法使光斑噪声和干涉条纹的影响有效降低,具有较好的噪声鲁棒性。     

光电/量热复合式近红外高能激光光斑探测器

为了准确测量高能激光系统远场到靶总能量和功率密度时空分布等参数,本文提出了量热吸收法和光电探测阵列法相结合的复合式测量方法.该方法由热吸收体测量入射激光的总能量,由光电探测阵列测量光斑的时空分布.研制了用于大面积、长脉冲近红外高能激光测量的复合式光斑时空分布探测器.探测器主要由石墨热吸收体、近红外探测器阵列、测温单元和信号处理单元等组成,有效测量光斑面积达到22 cm×22 cm,光斑测量空间分辨力为1.1 cm,时间分辨力为20 ms.该测量系统同时兼顾了光电探测阵列法的高时空分辨能力和量热吸收法的低测量不确定度等优点,适合于高能量、大面积近红外高能激光光斑参数的综合测量,并已成功应用于外场实验.     

正交分光成像系统实时多光斑亚像素定位研究

正交分光成像系统在高频动态坐标测量中具有独特优势。针对其在高频测量条件下数据量大,光斑坐标难以实时提取的问题,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的实时多光斑峰值位置亚像素定位算法。首先设计与光斑光强分布相近的模板,通过模板匹配解决了原始图像中因噪声导致的峰值抖动问题;其次对匹配后的图像进行阈值比较并生成窗口信号,对窗内像素进行高斯拟合,拟合中心作为光斑峰值亚像素坐标。计算中充分利用FPGA并行处理的特点,采用流水线设计实现了硬件加速。实验表明,该算法可实现对多光斑位置的实时提取,光斑重复定位极差小于0.1像素,标准差为0.014像素,分辨力达亚像素级别。     

Automated luminescent topographic system

A new optical-scanning technique with a spatial resolution of 10 mum has been developed for the observation of surface luminescence. The photoluminescence topographic technique is a fully automated system capable of measuring luminescence intensity from a surface area as large as 25.8 cm(3) as well as the actual luminescence spectra from a spot as small as 10 mum in diameter. The system consists of an Ar-ion laser for excitation, a bidirectional scanner with focusing lens, a spectrometer for high spectral resolution, and a photomultiplier for photon counting. Experimental control and data acquisition and display are performed by a Hewlett-Packard 9820A calculator and interface package. Applications of the technique in the analysis of impurity segregation in semiconductor wafers are illustrated.     

Influence of the cavity parameters on the output intensity in incoherent broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy

The incoherent broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy is a technique in measuring small absorptions over a broad wavelength range. The setup consists of a conventional absorption spectrometer using an incoherent lamp and a charge coupled device detector, as well as a linear optical cavity placed around the absorbing sample, which enhances the effective path length through the sample. In this work the consequences of cavity length, mirror curvature, reflectivity, different light injection geometries, and spot size of the light source on the output intensity are studied and the implications to the signal-to-noise ratio of the absorption measurement are discussed. The symmetric confocal resonator configuration is identified as a special case with optimum imaging characteristics but with higher requirements for mechanical stability. Larger spot sizes of the light source were found to be favorable in order to reduce the negative effects of aberrations on the intensity.     

超分辨率纳米聚焦系统设计

纳米尺寸的聚焦光斑在光存储、光学成像等领域有着重要的作用,为此设计了一种近场聚焦系统来获得超分辨率纳米聚焦光斑。系统中使用纵向偏振光做光源,用于激发光学天线产生表面等离子体增益,形成纳米光斑。分析了不同材料和尺寸的光学天线对超分辨率聚焦的影响,进而设计由合适的材料和结构构成的光学天线,实现10nm直径的聚焦光斑。     

应用激光微小光斑进行颗粒分析

目前已有多种颗粒分析的方法,它们都有各自的特点,本文介绍一种应用激光微小光斑进行颗粒分析的技术,该方法应用聚焦光斑直径与被测样品平均颗粒粒径相近的激光光斑,使其落在样品颗粒上,在后向获取信号,经处理得到样品颗粒分析的结果,它适用于河道与港口水样品的泥沙分析,也可以应用在类似的场合。     

保偏光纤模场直径和数值孔径测试研究

基于光纤测量远场法原理测量光纤远场光强分布。通过改进远场法得到光纤的远场光强分布后,同时计算得到保偏光子晶体光纤的模场直径和数值孔径,使测量装置实现集成化和简便化。通过光束测试仪测量光纤的出射光强分布,光束测试仪测量的是光纤中心最大光强点的两个垂直方向上的光强分布。保偏光子晶体光纤的出射光斑是椭圆的,每个方向的模场直径、数值孔径分布并不相同。传统的测试方法不能解决这个问题。通过旋转光纤测量光纤各个方向上的光强分布,然后计算各个方向上的模场直径,最后通过拟合各个方向上的模场直径得到保偏光子晶体光纤椭圆形的模场分布。实验测得保偏光子晶体光纤椭圆光斑长短轴的模场直径分别为7.5μm和4.2μm,数值孔径分别为0.159和0.276。     

基于扫描白光干涉法的接触式轮廓综合测量仪

介绍了一种基于白光干涉原理的接触式轮廓测量仪，该仪器可用于滚动轴承内外圈滚道及滚动体轮廓形貌的综合测量，其理论分辨率可达纳米级，垂直和水平测量范围可分别达5mm和50mm。重点论述了该轮廓仪测量系统的构成、测量原理，并用实例说明干涉信号数据处理过程及结果的有效性。     

基于虚拟锁相技术的原位光学测量技术研究

本文构建了一套基于虚拟锁相放大技术的、能准确测量微弱信号的高精度宽波段原位光学测量系统。介绍了该测量系统的建立目的,系统结构及原理;阐述了如何通过美国Ni公司的图形化编程语言Labview来虚拟实现锁相放大器功能,并应用于本套测量系统。这样既降低了成本,又简化了系统结构。测量了系统光源在200-2500nm的光强分布,测量了系统紫外可见部分及红外部分测量重复性,分别能达到0.12％、0.54％。最后利用该套系统测量了一块石英玻璃的透过率,并与lambda950的测量结果比较,两者测量结果平均相差0.95%。实验结果表明,使用了虚拟技术来实现锁相放大处理的该套原位光学测量系统的测量精度较高,对杂光和电气设备带来的噪声的抑制能力较强,能有效得对样品进行原位光学性能测量。     

Time resolved cathodoluminescence in the scanning electron microscope by use of the streak technique

Minority carrier lifetime is one of the basic material properties in optoelectronic devices and material. Both the micrometer range dimensions of the devices and lifetime variations around defects in materials require a lifetime measurement technique with both high spatial and high temporal resolution. In order to meet these requirements a highly efficient cathodoluminescence (CL) measurement system has been developed consisting of a commercial scanning electron microscope extended for integral and spectral CL-measurements and a streak camera with subnanosecond time resolution as time resolving detector. The lifetime is determined by evaluation of CL-decay time after excitation of the specimen by an electron beam pulse, which is blanked in less than 50 ps by an adjustable plate capacitor. The CL-light is collected by an adjustable, ellipsoidal mirror and can be dispersed in a vacuum monochromator. The monochromator exit slit is imaged on to the photocathode of the streak camera, which transforms the temporal distribution of the photon intensity into a lateral distribution on the camera phosphor screen after amplification by an integrated microchannel plate. By this technique it is possible to record the complete CL-decay simultaneously, thus avoiding all measurement falsifications by system instabilities. The resulting intensity distribution is read out by a SIT vidicon camera with subsequent multichannel analyser, providing an intensity plot versus streak time in less then 1 min for each beam spot location. The technique is therefore well suited for lifetime mapping experiments. The best time resolution of the complete system achieved today is about 100 ps. Its performance is here demonstrated by measurements of the temperature dependence of the CL-decay in a highly Se-doped GaAs specimen in the temperature range from 90 K to 300 K.     

原子力显微镜在纳米粗糙度测量中的应用

介绍了用于纳米量级表面粗糙度测量的原子力显微系统。着重讨论了实现这种测量的软件实现方法。实验结果表明 ,该系统可以测量任意横向或纵向截面的线粗糙度 ,同时还可以测量任一区域的面粗糙度 ,并且在 X、Y、Z三个方向上的表面粗糙度测量精度均已达到纳米量级 ,完全满足纳米尺度形貌研究要求