一种分析薄膜振动模式的结构光条纹时间平均法

提出了一种用于振动物体表面快速测量的光学测试系统和方法。该系统采用结构光三维传感技术,利用时间平均法来实现对振动表面的测量和振动模式分析。用低帧频商用CCD相机记录由光栅投影到振动物体表面上形成的一系列变形正弦条纹,对获取的一帧变形条纹经过二维傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换等处理得到调制物体振幅的零级贝塞尔函数分布。给出了该方法的理论分析,推导了相应的计算公式。计算机模拟和实验验证了该方法的可行性。实验证明,该方法具有数据获取速度快,全场非接触测量以及实验装置简单等优点。

面向应用能力培养的工程硕士案例教学探索

工程硕士教育以高层次应用型人才为培养目标,如何培养学生的工程应用能力与创新能力,是工程硕士课程教学的一个重要任务。本文分析了工程硕士研究生教学现状和存在的问题,并以面向光学工程专业的"先进光学制造与检测"课程为例,结合应用型和创新型人才培养模式,探索对工程硕士课程进行案例教学改革的可行性。具体以数字全息三维形貌测量系统的设计与实现为例,介绍了如何引导学生综合运用理论知识,设计并搭建用于超精密光学制造过程中的光学元件三维形貌测量系统,通过引入案例教学方式,调动学生的积极性和主动性,培养解决实际工程问题的应用能力和实践创新能力。

面向行业需求的专业研究生知识结构与工程案例研究

国内光学行业的快速发展以及对专业工程人才的大量需求,促使高校转变工程研究生培养方案。文章从光学工程中的先进制造研究方向切入,面向行业需求,结合一级学科培养方案,探讨构建工程研究生知识结构和课程体系,以满足不同行业对人才的跨学科知识体系的要求。同时,提出建立校内实践平台,设计不同的工程案例,强化学生的理论联系实践能力和解决实际问题的能力,以期为培养具有创新精神和实践能力的专业技术人才提供借鉴。

反向摄影大尺度空间结构光三维测量

结合结构光三维测量与近景摄影测量各自的优势,实现高精度高分辨率三维测量,成为大尺寸空间光学三维测量的有效手段。其测量过程需在待测物体上粘贴一定数目的标记点,而粘贴标记点会带来一系列的缺点和限制。本文提出舍弃粘贴标记点的步骤,从理论上分析了反向摄影大尺度空间结构光三维测量的可行性。在结构光三维测量系统上安装辅助的反向摄像机,在结构光系统进行大尺寸物体局部三维数据单次测量时,用辅助摄像机反向观测作为定向靶标的大型液晶显示器,根据反向摄像机对液晶定向靶标的多次成像约束,反向追踪结构光三维测量系统相对于定向靶标的位姿,在反向摄像机位姿传递的辅助下,将所有结构光系统单次测量的三维数据统一在定向靶标坐标系下,实现大尺寸空间高精度高分辨率三维测量目的。反向摄影结构光三维测量技术体现了信息反向传递的优势,可实现无接触大尺寸空间结构光的三维测量。

无透镜数字全息显微成像技术与应用

针对微结构和微光学元件等微小物体的表面定量检测,本文介绍了一种利用无透镜数字全息的快速、无损的显微成像方法。首先介绍了基于球面波的无透镜数字全息显微成像技术的基本原理,采用CCD作为光电转换器件,基于迈克尔逊干涉光路,设计了无透镜数字全息显微成像系统,利用反射镜构成折反式光路,系统结构简单、紧凑,提升了系统便携性。然后利用USAF1951分辨率板对构建的成像系统进行了标定实验,得出其横向分辨率为6.69μm,放大倍率为3.375,系统工作距离为12.0mm。此外,还对晶圆表面结构进行实际测量。实验验证了该系统的可行性和有效性,有望进一步应用于MEMS、微光学元件、光学元件等表面形貌的定量测量中。

三维人脸识别算法研究

近年来,基于三维图像的人脸识别技术已经取得了很大进展,在约束环境下也能获得很好的识别性能,但仍受限于姿态、表情等因素,需要从算法上改进才能解决其影响。本文分别从基于空域直接匹配、基于局部特征匹配和基于整体特征匹配3个角度出发,对人脸匹配算法以及融合算法进行了研究,列出了部分改进算法的实验结果,并分析了算法有效性的原因,总结了目前面临的三维人脸识别算法难以突破的一些困难及未来的研究趋势。

双波长离轴数字全息成像技术研究

针对单波长离轴全息显微成像系统存在的测量深度小以及相位解包裹算法存在相位模糊的问题,本文提出了一种反射式双波长离轴无透镜数字全息显微系统,该系统基于双波长离轴干涉技术,并利用二向色镜使两个不同波长参考光同时和物光进行离轴干涉形成全息图,最后采用双波长技术重建全息图得到合成波长的相位分布,从而实现单次采集两个离轴干涉图,达到拓展测量深度及避免相位解包裹运算时的相位模糊问题。本文首先从理论上数值模拟研究了双波长相位解包裹算法的有效性,最后,分别对磁流变抛光技术得到的光学表面抛光斑和标准光学分辨率板进行了双波长数字全息三维测量,实验初步验证了该系统的有效性和可行性。

大数值孔径光学镜约束多级衍射机理

针对基于激光照明的离轴全息显微成像系统存在散斑和寄生条纹噪声,以及基于部分相干光照明的离轴数字全息显微技术存在相干条纹对比度差的问题,本文提出了一种基于单色LED照明的衍射相位显微成像系统。该系统利用大数值孔径物镜及光栅对物光进行多级衍射,并采用4f系统和空间滤波器分离出0级和+1级信息,分别作为参考光和物光,最终两束光在CCD阵面上干涉产生离轴全息图,从而形成共光路全息成像结构。通过理论分析和计算,对实验用到的光学元器件进行选型,确保衍射光频谱信息能够分开且满足抽样条件。最后与传统激光离轴数字全息显微成像检测结果进行对比,实验结果表明,本文提出的系统能够获得较高的成像准确度和信噪比。

数字全息重构图像边缘误差抑制方法研究

数字全息技术由于其高灵敏度、高准确度、分辨能力强,且再现、存储及传输方便灵活等特点,在微纳结构与生物细胞的测量领域中得到越来越广泛的应用。然而,记录数字全息图受孔径有限等因素的影响,其重构图像会产生一些类似于波纹的边缘误差,导致成像质量降低和CCD视场不能充分利用。本文首先基于数字全息理论对误差产生原因进行了理论分析,并对边缘误差产生影响的数值参数进行了详细讨论,在此基础上,提出了一种周期延拓迭代方法对全息图进行预处理,并使用图像均方差值对迭代结果进行评价。通过计算机仿真与实验,结果表明,该方法能够显著降低边缘误差,提高再现图像质量。

基于动态散斑干涉的数字全息成像技术研究

基于干涉测量原理的定量相位显微镜(QPM)在生物医学成像领域中得到了重要应用,在QPM中使用传统光源(如白光和激光)干涉的理论非常成熟。最近,在QPM中使用动态散斑照明(DSI)因其具备优于传统光源的优势而备受关注。本文基于DSI搭建了两套离轴全息成像系统(DSI-DHM),分别对USAF1951(表面镀铑高度为110 nm)标准分辨率版和人体红细胞进行了相位成像,实验结果初步验证了基于DSI数字全息系统具有高时间相干性与较低的空间相干性、高空间相位灵敏度、可扩展的视场和分辨率等优势。

再现图像细节抑制散斑噪声技术研究

为了消除数字全息再现像产生的散斑噪声,一种基于边缘检测各向异性扩散方程的去噪算法被提出。在各向异性扩散方程(PM)基础上,通过将边缘检测算子结合梯度算子引导扩散过程,边缘检测算子对噪声具有低敏感度,可以更好地区分边缘信息,达到数字全息再现像去噪目的。通过去噪效果图对比和与中值滤波、均值滤波、小波变换滤波算法峰值信噪比(PNSR)的比较,表明本文提出的算法具有更好的去噪效果,在去除噪声的同时有效保护了图像的细节信息。

傅里叶变换轮廓术中一种普适的计算公式和系统标定方法

提出一种新的普适计算公式和系统标定方法,推导了傅里叶变换轮廓术(FTP)中高度相位映射关系。由于新的普适计算公式对系统的几何结构没有严格要求,测量系统的搭建变得容易,投影系统和成像系统可以任意放置以便获得更好的条纹信息,因而操作灵活。提出的标定方法能够准确得到普适条件下系统参数的组合。避免了对系统各个参数的直接测量,提高了测量系统的可操作性及测量速度。实验中采用本方法对最大高度为28.00 mm的物体进行测量,相对误差仅为0.97%。测量结果证明,提出的方法能够准确恢复物体的三维形貌且具有较好的普通性。

用条纹时间平均法分析薄膜振动模式

提出一种对薄膜的振动模式进行定性分析和识别的方法—结构光条纹时间平均法。该方法采用结构光三维传感技术,用低帧频商用CCD相机记录由光栅投影到振动薄膜面上、因薄膜振动导致条纹局部模糊的一系列变形正弦条纹,经过傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换、取模等处理得到被测薄膜的振动模式分布。本文给出了该方法的理论分析,推导了相应的计算公式。计算机模拟和实验验证了该方法的可行性:能够对在不同激励频率下薄膜的振动模式进行定性分析和识别。在实验中,如果连续改变振动物体的振动激励频率,可以清楚地观察到物体振动模式的变换过程。实验证明,本文方法具有数据获取速度快,全场测量,实验装置简单等优点。

基于波像差函数建立大口径施密特校正板方程

施密特光学系统由施密特校正板和球面反射镜组成,校正板设置在球面反射镜的球心处,系统的焦点不一定和反射镜的焦点重合。为了得到精确的校正板面形初始结构参数,基于波像差函数建立了带有离焦量的大口径施密特校正板的数学模型,同时校正了系统的三级和五级球差。利用光学设计软件对校正板口径为1000mm、主镜的曲率半径为2000mm、F数为1的系统进行了设计和分析,来验证校正板面形数学模型的正确性。结果显示此校正板的数学模型与优化后结果吻合得较好,校正板面形初始结构参数的精度得到了极大的提高,这为大口径、大相对孔径的施密特光学系统的设计提供了理论基础。

数字全息中的自动相位畸变补偿算法

提出一种面向数字全息的相位畸变自动补偿方法,利用图像分割技术对被检测物体进行自动分割,生成相位掩模板,进而得到不含被测物体区域的畸变相位。基于相位畸变校正模型对畸变相位进行最小二乘拟合,最终实现相位畸变的自动补偿。实验中搭建了数字全息检测平台,并对晶圆表面进行测量,结果表明所提出的方法能够实现畸变相位的自动校正。

基于立方体分光棱镜的干涉投影傅里叶变换轮廓术

提出了一种基于立方体分光棱镜的干涉投影傅里叶变换轮廓术。基于杨氏双缝干涉原理,对立方体分光棱镜的干涉投影理论进行理论分析和仿真实验,通过调节立方体分光棱镜的安装角度可实现干涉投影条纹周期的任意调节,结果证实了该干涉投影系统的可行性以及灵活性。对小脚丫模型进行了三维面形重构,结果表明:干涉条纹相位稳定且强度分布均匀,利用所提方法可以很好地恢复物体的三维形貌。

大口径光学非球面制造检测全链路协同关键技术及应用

高精度光学非球面元件是航空航天、空间遥感、高能激光、IC装备等国家战略领域光学系统中不可或缺的核心元件,其光学表面质量要求严苛:除了要求达到纳米/亚纳米表面精度外,还要求降低光学元件表面频谱误差,提高峰值强度和短波光学系统的成像质量以及提高图像的对比度或信噪比;减小光学元件亚表面损伤程度可提高光学元件抗激光抗损伤阈值.