1 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 沈阳理工大学自动化与电气工程学院，辽宁沈阳110159
针对现有多模光纤数字扫描成像方法, 形成扫描聚焦光斑计算量大、速度慢的问题, 提出了一种基于自适应并行坐标(Adaptive Parallel Coordinate, APC)算法的单根多模光纤数字扫描成像方法, 通过控制多模光纤输入端的光场, 在单根多模光纤出射端实现光斑的聚焦和扫描。建立了单根多模光纤数字扫描成像数学模型; 采用自适应并行坐标算法对空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)加载相位进行优化, 有效缩短了扫描聚焦光斑的形成时间, 提高了成像速度。实际生成30×30个聚焦光斑, 对50 μm×50 μm范围的分辨率板进行扫描成像。实验证明, 该方法实现了单根多模光纤对距离光纤端面60 μm处平面内的目标成像, 分辨率达到2.46 μm。
自适应并行坐标算法 多模光纤 数字扫描成像 空间光调制器 adaptive parallel coordinate algorithm multi-mode fiber digital scanning imaging spatial light modulator 红外与激光工程
2017, 46(4): 422002
Author Affiliations
Abstract
Instrument Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
In this study, an improved phase-shifting diffraction interferometer for measuring the surface topography of a microsphere is developed. A common diode-pumped solid state laser is used as the light source to facilitate apparatus realization, and a new polarized optical arrangement is designed to filter the bias light for phase-shifting control. A pinhole diffraction self-calibration method is proposed to eliminate systematic errors introduced by optical elements. The system has an adjustable signal contrast and is suitable for testing the surface with low reflectivity. Finally, a spherical ruby probe of a coordinate measuring machine is used as an example tested by the new phase-shifting diffraction interferometer system and the WYKO scanning white light interferometer for experimental comparison. The measured region presents consistent overall topography features, and the resulting peak-to-valley value of 84.43 nm and RMS value of 18.41 nm are achieved. The average roughness coincides with the manufacturer’s specification value.
120.5050 Phase measurement 120.3180 Interferometry 120.6650 Surface measurements, figure 220.4830 Systems design 260.5430 Polarization Chinese Optics Letters
2016, 14(7): 071202
哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院,黑龙江 哈尔滨 150001
为实现微球形貌检测中子孔径数据的快速、准确拼接,给出基于点衍射干涉原理的微球形貌检测模型,分析了干涉场横向分辨率的分布规律,提出基于映射图像匹配的子孔径拼接方法。通过形貌数据的等尺度变换,实现横向分辨率均匀化,并将三维点云数据进行降维处理,映射生成二维图像,从而将形貌数据的旋转关系转化为图像坐标的平移关系,再通过图像匹配算法对特征点进行匹配,得出子孔径坐标系间的对应关系,从而实现拼接。最后通过仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。
干涉测量 微球 形貌检测 子孔径拼接 图像匹配 interferometry microsphere profile inspection sub-aperture stitching image matching 红外与激光工程
2016, 45(8): 0824005
哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
双点光源移相干涉测量是大口径光学元件位相缺陷检测的一种重要方法。为了分析双点干涉中误差对解相算法的影响, 首先给出相位缺陷检测的系统结构和理论模型, 在此基础上, 针对测量过程中主要存在的一次移相误差、二次移相误差、光强误差和随机振动误差, 研究了Hariharan 5帧移相算法、13帧移相算法和迭代随机移相算法的解相误差, 并进行了仿真分析。结果表明, 针对这几种误差源, 13帧算法解相精度整体优于5帧法, 迭代随机移相算法解相效果优于13帧法和5帧法, 当这几种误差按实际指标同时作用时, 迭代随机移相算法解相误差RMS小于5帧法和13帧法, PV值稳定在05 nm以内。由于随机振动占主要作用, 说明迭代随机移相算法受误差影响很小。
位相缺陷 双点干涉 相位提取算法 误差分析 phase defects two-point interference phase extraction algorithm error analysis
哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 哈尔滨 150001
为实现惯性约束聚变实验中核心部件球形靶丸表面形貌的高精度、高效率、无遗漏检测，建立了基于子孔径拼接和衍射干涉技术相结合的靶丸形貌测量装置，给出了测量的基本原理及系统单孔径横向分辨率的计算方法，并对靶丸旋转扫描时子孔径的排布进行了划分。针对点云数据横向间隔过大导致匹配算法迭代收敛速度缓慢，甚至不收敛的问题，提出以虚拟的极小半径代替实际曲率半径，将点云进行横向压缩的方法，在保持形貌特征不变的同时提高算法的匹配速度和准确性。最后，对直径1 mm的镀金球靶进行了实际测量，得到拼接后相对形貌误差峰谷值和均方根值分别为1.332λ和0.479λ的检测结果，可以同时获得表面形貌的整体起伏特征，以及局部的形貌细节。
移相衍射干涉测量 靶丸 表面形貌 子孔径拼接 phase-shifting diffraction interferometry target surface topography sub-aperture stitching 强激光与粒子束
2016, 28(2): 022006
哈尔滨工业大学仪器科学与技术, 黑龙江 哈尔滨 150001
聚焦光斑光强与光纤出射端总光强的比值(光斑聚焦效率)直接影响基于液晶空间光调制器(SLM)的单光纤数字扫描采样的信噪比。采用顺序坐标上升优化算法控制多模光纤输入端光场分布，实现多模光纤出射端光斑聚焦，通过理论和实验证明了归一化目标函数值与光斑聚焦效率的和近似为常数。为了提高光斑聚焦效率，必须尽可能降低归一化目标函数值。分析了多模光纤出射端总光强对归一化目标函数收敛性的影响，通过仿真和实验证明随着多模光纤出射端总光强的增大，归一化目标函数收敛速度变慢，光斑聚焦效率变差。
光纤光学 多模光纤 液晶空间光调制器 单光纤数字扫描 目标函数 顺序坐标上升算法
Author Affiliations
Abstract
Instrument Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
We propose an adaptive parallel coordinate (APC) algorithm for quickly forming a series of focused spots at a multimode fiber (MMF) output by controlling the MMF input field with a spatial light modulator (SLM). Only passing over the SLM once, we can obtain SLM reflectance to form focused spots on different positions. Compared with the transmission matrix method, our APC does not require iterations and massive calculations. The APC does not require as much access device time as the adaptive sequential coordinate ascent (SCA) algorithm. The experiment results demonstrate that the time taken to form 100 spots with our APC is 1/54th the time with the SCA.
140.3510 Lasers, fiber 060.2350 Fiber optics imaging 110.2350 Fiber optics imaging 180.5810 Scanning microscopy Chinese Optics Letters
2015, 13(7): 071404
哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001
由于使用传统的误差修正方法进行微球形貌检测会有过大的残差，本文提出了一种新的偏心误差修正方法来提高微球表面形貌检测的精度和效率。在分析了横向偏心和轴向偏心引入光程差数学模型的基础上，推导了偏心误差的高阶近似模型，提出了小曲率半径下基于Zernike多项式拟合的偏心误差修正方法，并给出误差修正的流程及相关参数的标定方法。通过对2 mm直径的微球的表面形貌检测验证了所提出误差修正方法的可行性和有效性。结果表明: 相对于零条纹时的形貌误差基准，采用本文提出的方法修正后的残余形貌误差峰谷(PV)值为0.081 5λ，均方根(RMS)值为0.016 1λ，比传统方法修正效果更好，能够满足高精度微球形貌检测的需求。
表面形貌检测 微球 偏心误差 Zernike多项式拟合 surface topographic inspection microsphere eccentricity error Zernike polynomial fitting 光学 精密工程
2015, 23(10): 2794
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对微球移相干涉测量中系统校准差及离焦引入的线性移相误差对相位信息提取产生的影响及特点，在分析了常用移相算法应用缺陷的基础上，构造了新的五帧算法。该算法对线性移相误差的响应特性与Hariharan算法十分接近，且符号相反。通过两种算法的互补修正，使得相位解算误差理论上较之Hariharan 算法降低了两个数量级，大幅提高了定步长移相算法的线性误差抑制能力，且避免出现类似任意步长算法奇异相位解的异常情况，运算更为简洁。最后通过测量实验验证了提出的误差互补修正相位提取方法的可行性和有效性。
干涉测量 微球 相位提取 互补修正
1 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院， 哈尔滨 150001
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心， 四川 绵阳 621900
针对光学元件损伤图像中损伤区域的高精度检测问题，对内全反射照明下光学元件损伤图像的处理技术进行了研究。根据在线检测图像中损伤区域中心峰值的信号强度高于局部背景的信号强度这一特点，利用高斯滤波器生成待检测图像的局部信号强度比图像，实现了对损伤区域的低漏检率自动定位; 根据CCD的成像原理，利用辐射标定的方法建立起损伤区域的尺寸与其在图像中总灰度的关系方程，实现了损伤区域的亚像素高精度尺寸测量。实验结果表明，与传统的光学元件损伤图像处理算法相比，本文提出的算法在保持低漏检率的同时大大提高了损伤区域的测量精度。
图像处理 局部信号强度比 辐射标定 全内反射照明 images progressing local signal intensity ratio exposure calibration total internal reflection edge illumination
