无需精确调整被测镜的平面面形检测新方法

现有的面形绝对检测法为了保证检测精度,在测量过程中需要耗费大量时间对被测镜进行精密的姿态调整。针对上述问题,提出了一种无需精密调整被测镜姿态的两平面面形检测方法。该方法需被测镜在3个位置进行测量:初始位置、旋转未知角度后的位置、横向平移未知距离后的位置。通过特征匹配求解被测镜实际旋转角度和平移量,通过迭代算法和拟合Zernike多项式恢复被测镜面形,并对被测镜面形中损失的角频率项进行补偿。该方法在保证精度的同时,避免了被测镜的精密调整,缩短了测量时间。实验表明,该方法与Vannoni的方法相比,二者检测结果的残差均方根(RMS)值为0. 004λ,测量中被测镜调整过程快速简单连贯,为光学元件的面形检测提供了一种新的技术途径。     

全自动焦度仪光学系统的研究

介绍了一种新的全自动焦度仪的光学系统的设计原理,即采用微珠双透镜准直系统。该系统改善了光学部分的准直性,提高了仪器的检测精度;另外由于被测镜片作为光学系统的一个组成部分暴露在外界环境中,太阳光及各种杂散光容易影响系统正常工作,即采用干涉和截止滤光技术研制出专用消杂光器件,提高了仪器的环境适应性和系统的信噪比。该系统能准确地测量眼镜片的度数,技术指标达到国家相关检验标准。     

光电测量设备光学系统的像面照度均匀性检测

提出了一种光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法.该方法首先对被检设备的CCD进行标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统进行检测.该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像.根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度.此外,将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测.利用研制的光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测系统对某型号光电测量设备进行了检测,得到了该设备光学系统像面照度不均匀度达到18.7%,不满足不均匀度≤10%的要求,应对该光测设备进行重新装调.在重新装调后对该设备进行复检,得到重新装凋后的不均匀度为6.7%,像面照度均匀性得到了提高,验证了该方法的有效性.     

一种特殊用途的光学系统设计

介绍一种瞄准系统光学检测仪器的光学设计研究，其中包括设计的难度、研究思路、解决办法及最后结果。该光学系统作为接收镜被用在我所研制的摇摆台动态精度检测仪中。     

三维测量工业内窥镜的双目光学系统

针对国内工业内窥镜只限于观察,无法满足工件三维尺寸测量的现状,设计了一种探头外径为6 mm并且可以向任意方向弯曲的三维测量工业内窥镜,并介绍了该内窥镜的双目光学系统及镜体内部结构的设计。首先,基于双目立体成像的原理,提出了一种具有双物镜、单图像传感器的新型双目光学系统。其次,根据光学系统的技术要求,设计了内窥镜的头部结构。考虑到一些工件内部结构比较复杂,分别设计了内窥镜的可弯曲结构以及后部操控机构以方便一些精密工件的检测。最后,通过三维图像处理软件对待测物表面两个特征点进行长度测量试验,得到了两个特征点的间距。实验结果表明：待测物表面两个特征点的长度测量误差在±0.2 mm内。该系统基本实现了工业内窥镜的三维测量功能。     

基于五棱镜扫描法的波前系统研究

为检测基于五棱镜扫描法的大口径光学系统波前检测法,以口径为513mm的仿真模拟波面为被测波面进行模拟仿真检测试验,使用通光口径为5mm的五棱镜对被测波面进行模拟二维扫描检测。根据实验结果拟合出被测波面的二维特性曲线,再利用二维特性曲线对被测波面进行三维拟合,并分析实验中可能存在的误差。实验结果表明,模拟波面与被测波面吻合,证实了这种方法可行并且在一定条件下能进行高精度检测。     

光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测方法

提出了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法,该方法首先对被检设备的CCD标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统检测。该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像。根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度。并且将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测。     

宽带多传感器光轴检测系统的研究

测量装载在一个平台上的多个光学系统的平行性有多种方法。介绍了一种针对航空机载平台的多波段、多传感器瞄准线(光轴)及其安装基准轴之间一致性进行检测和定量标定的一种方法。并设计了一套装置,进行了误差的分析,利用这种方法能够更简捷、更快速地对被测设备进行平行度检测与标定。     

大口径非球面系统的共基准加工与检验

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点,提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法,对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8nm)时,对主镜和第三镜进行共基准装调和测试,并进行背板一体化装嵌,然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例,对一大口径非球面系统口径为724mm×247mm的非球面主镜和口径为632mm×205mm的第三镜进行了共基准加工与检测,最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ,满足光学成像。     

大型光学设备检测中大口径平行光管波像差的消除

使用大口径平行光管检测大型光学设备或元件时,平行光管的自身误差会影响检测结果,故本文提出了一种消除光学检测结果中平行光管引入误差的新方法。该方法使用干涉仪获取平行光管和光学检测系统的出射波前信息并以37项Standard Zernike Phase多项式进行拟合;通过两组系数相减分离平行光管引入误差,再配合ZEMAX中建立的等效被检光学系统的仿真模型模拟真实系统的出射光锥,最终获得被检光学系统真实的出射波前信息。利用ZEMAX中的光学系统模型验证了该方法在大口径光学检测工作中的可行性;使用焦距为1 597mm,口径为150mm的小型平行光管、焦距为50mm的光学镜头进行了实验。实验结果表明:使用该方法获得的被检光学系统出射波前与真实波前的PV值误差小于0.005λ,RMS值误差小于0.001λ,可以满足实验室中对被检光学系统成像质量参数检测的精度要求。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

校准能见度仪用标准散射体定标系统装调技术

为了实现校准能见度仪用标准散射体的快速高精度定标,依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理,提出了一种新型的校准能见度仪用标准散射体定标系统,重点研究了该系统的装调技术。根据定标系统的组成与工作原理,建立了定标系统装调光学模型,并提出由抛物面反射镜与全景成像能量检测系统相对位置装调以及抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统相对位置装调组成的定标系统装调方案。建立校准能见度仪用标准散射体定标系统极限误差计算模型,在入射光线角度为45°的情况下,计算出装调过程中抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差分别为3.18°和0.847°,抛物面反射镜与全景成像能量检测系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差的极限装调误差均为2.14 pixel。实验证明装调后的校准能见度仪用标准散射体定标系统的最大角度检测误差为0.795°,满足定标系统的角分辨率是1°的使用要求。     

随机振动下光学谐振腔腔体形变及变动规律

鉴于复杂环境会使激光陀螺谐振腔产生变形,从而严重影响激光陀螺的性能,本文利用有限元分析软件ANSYS仿真分析了典型随机振动谱(gRMS=6.6 g)下激光陀螺腔镜3个方向的微小形变量,分别为0.342 5″、0.349 4″和0.215 0″,并结合矩阵光学理论定量得到了谐振腔光阑处的形变量。然后定量分析了不同曲率半径、不同腔长、不同入射角对光学四边形环形谐振腔的影响规律。最后,研究了球面镜-球面镜同时变化以及球面镜-平面镜同时变化下谐振光路的变动规律。实验结果表明,单纯考虑谐振腔的抗振性能,当L处于0~1m,R处于1~8m时,球面镜的曲率半径越小,腔长越短,四边形环形光学谐振腔所受外界环境的影响越小,两个腔镜同时变化时按照一定规律等效成单镜变化。本文研究可以为激光陀螺光学谐振腔的设计提供参考。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

基于相位恢复技术的大型光学镜面面形在位检测技术

根据目前大镜加工在位检测的需求和面临的困难,把基于衍射图像检测的相位恢复技术应用到大镜面形的在位检测,建立大镜加工在位检测系统.对影响测量系统精度的主要因素以及系统的抗振动性能进行了分析和仿真,结果表明该测量系统具有较好的抗振动能力,精度接近标准球面波光源的精度.基于GS迭代算法开发了测量软件,对( 500 mm球面镜进行在位测量.把相位恢复测量结果与高精度的ZYGO干涉仪测量结果进行比较分析,结果表明在面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和方均根值(RMS)上,两者具有较高程度的一致性,这说明相位恢复测量方法的可行性和准确性.由该方法构成的在位测量系统具有光路简单、精度较高、抗振动能力强和操作简单等特点,完全满足大镜的在位测量需求.     

Adaptive aberration correction using a triode hyperbolic electron mirror

A converging electron mirror can be used to compensate spherical and chromatic aberrations in an electron microscope. This paper presents an analytical solution to a novel triode (three electrode) hyperbolic mirror as an improvement to the well-known diode (two electrode) hyperbolic mirror for aberration correction. A weakness of the diode mirror is a lack of flexibility in changing the chromatic and spherical aberration coefficients independently without changes in the mirror geometry. In order to remove this limitation, a third electrode can be added. We calculate the optical properties of the resulting triode mirror analytically on the basis of a simple model field distribution. We present the optical properties-the object/image distance, z(0), and the coefficients of spherical and chromatic aberration, C(s) and C(c), of both mirror types from an analysis of electron trajectories in the mirror field. From this analysis, we demonstrate that while the properties of both designs are similar, the additional parameters in the triode mirror improve the range of aberration that can be corrected. The triode mirror is also able to provide a dynamic adjustment range of chromatic aberration for fixed spherical aberration and focal length, or any permutation of these three parameters. While the dynamic range depends on the values of aberration correction needed, a nominal 10% tuning range is possible for most configurations accompanied by less than 1% change in the other two properties.     

Shape measurements of mirror surfaces with a lateral-shearing interferometer during machine running

A common path lateral-shearing interferometer with a minimum number of optical components has been developed. Because the interferometer is little affected by mechanical vibrations and air turbulence, it can be mounted on an ultraprecision lathe and can be used to measure the shapes of workpieces. A plane parallel glass plate is used to shear the wavefront under test in the interferometer. To analyze the interference fringes obtained by the interferometer precisely, a fringe-scanning method using a slight tilt of the glass plate is used. Zone plates that are computer-generated holograms are used to measure spherical and aspherical surfaces with the interferometer. A spherical and a parabolic concave mirror were measured with the interferometer. The spherical mirror was also measured by a Fizeau interferometer to compare the error with that measured by the lateral-shearing interferometer. The experimental results agreed well with those measured by the lateral-shearing interferometer.     

利用激光全息技术校正大口径光学成像系统像差

基于光学全息原理,分析了激光全息技术校正光学成像系统像差的机理和方法,建立了全息记录实验系统,用于校正口径500 mm、低质量球面反射镜光学系统对有限远物体成像时的像差。采用原光路再现的方法,通过比较像差校正前后的干涉图样和成像结果,验证了该校正方法的可行性。实验结果表明,校正后该系统剩余波像差约为λ/8。     

基于射频信号的非接触式血压监测系统

提出了一种基于射频信号的非接触式血压检测方法,设计了血压检测系统并进行了数据的测试及分析。主要针对传统袖带式血压计对于特殊人群使用不方便以及现有血压检测主流方法中光信号易受干扰、测量不准确、需要跟身体接触等问题进行了方法探究。系统发射射频信号到身体上的待检测点,然后采集反射回来的信号,由多普勒效应原理可以得到脉搏波传导的波形图,并计算脉搏波传导时间,代入血压计算模型中,得到血压值,从而实现非接触式连续检测、监测。实验结果证明,该装置可以实现对血压的非接触式连续检测和监测,为便携式可穿戴式血压测量及实时监测设备提供了可参考的实施方法。