一种基于偏振相机的应力测量方法及其误差校正

基于Muller矩阵和Stokes矢量测量原理,提出了一种利用圆偏振光、无旋转元件的应力测量和在线误差校正方法。该方法通过偏振相机获取的光强信息计算出待测样品的相位延迟,对相位延迟进行溯源便可得到样品的应力分布。通过分析标准1/4波片的相位延迟和偏振相机消光比对测量结果的影响,提出了相应的在线测量与校正方法。为验证方案的可行性,搭建了一套应力测量系统,利用该系统测量了一块经计量部门赋值的633 nm波长的1/4波片,并用提出的误差校正方法校正了测量结果。结果表明:校正前后波片相位延迟相对误差分别为11.5%和1.73%,校正后的相对误差主要由线偏振器产生。所提方法具有测量过程简单、精确度高等特点。

基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法

提出了一种基于表面双向反射分布函数(BRDF)离散测量值直接追迹散射光线的方法,以各向同性表面为例,先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换,由散射角半球空间转换到方向余弦空间;再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据;然后,利用舍选抽样法不受限于累积分布函数(CDF)求解过程的优点,设计新的散射概率模型,以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布,设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标,实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性,设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数,编制了本文光线追迹方法的仿真程序,对不同光机元器件建模仿真,对比商用LightTools软件的仿真结果,计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明,基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法,运算结果数据准确,与商用LightTools软件的仿真结果相比,UQI值均在0.998以上,且波动范围小,本方法具有良好地适用性。

基于轻量化校准反射镜的旋转平移干涉绝对检验技术

光学干涉绝对检验技术能够实现参考面和待测面面形的有效分离,是对干涉仪进行精度标定的有效手段。面向大口径平面干涉仪的校准需求,旋转平移法仅需一块透射平晶和一块反射平晶,避免了额外加工第3块平晶的成本和难度。但随着口径的增大,自重和支撑使得反射平晶在平移和旋转多种状态下的变形较大,继而影响绝对检验精度。提出设计轻量化的校准反射镜作为反射平晶,采用旋转平移法实现大口径干涉仪的绝对检验。以Φ1 500 mm平面干涉仪作为标定需求,采用碳化硅作为校准反射镜材料,以三角形轻量化结构和6点背部支撑方式进行轻量化设计,控制其质量仅为93 kg,支撑和重力引入的面形变形PV值为9.75 nm。将变形面形叠加至PV值λ/4、不同分布的加工面形进行旋转平移绝对检验仿真计算,对旋转对称程度低且包含较多高频成分的面形,检验精度为λ/30;而对分布平滑对称的面形,检验精度可达到λ/50。因此,为了实现对于大口径平面干涉仪λ/50精度的标定目标,要求碳化硅校准反射镜加工面形PV值低于λ/4,尽量避免高频成分,旋转对称程度高。

基于显微原理的微区应力测量技术

微区应力在印制电路板焊接、透明导电膜镀制、显微光学系统装配等过程中普遍存在,将降低器件的性能和运行安全性。现有应力测量系统适用于大尺度的光学材料,不能用于微区应力测量。针对微区应力非接触无损测量问题,提出了一种基于显微技术的微区应力测量方案,该方案融合了基于偏振的光学应力测量系统与对微区成像的显微系统,可实现横向尺度为毫米或亚毫米量级区域范围的应力测量。借鉴国家标准GB/T 7962.5—2010的2.3%相对误差测量精度要求,开展了测量装置的系统设计与元件误差分析研究。为验证理论设计与测量方案的有效性,构建了一套测量微区应力分布的装置,工作波长为532 nm,显微物镜倍率为50×,相应的理论空间分辨率为0.59μm。选择工作于532 nm、相位延迟量由计量部门赋值的零级1/4波片为测量对象,测量区域直径为0.96 mm相位延迟量测量结果为1.595 rad。经与中国计量科学研究院的检测结果1.604 rad比对,绝对误差为0.009 rad,相对误差仅为0.6%,验证了测量装置的测量精度。利用该装置,检测了石英玻璃的不同测量区域在施加不同大小预压力下的相位分布。结果表明:该测量方法的测量误差在1%内,可检测出现有测量系统无法分辨的微小区域应力。

基于非均匀采样的五棱镜阵列扫描测量大口径准直波前

五棱镜扫描法通过沿扫描方向连续采集子孔径光束会聚点的坐标,由斜率反演波前分布,是检测大口径准直波前的常用方法。在传统的一维五棱镜扫描法的基础上,提出添加多个五棱镜,形成一组并联的五棱镜和一组串联的五棱镜,实现了一种基于非均匀采样的五棱镜阵列扫描测量大口径准直波前三维分布的方法。该方法通过三个平行于扫描方向的并联五棱镜同时测量准直波前X方向的斜率,三个垂直于扫描方向的串联五棱镜同时测量准直波前Y方向的斜率,采用Zernike多项式中4~11项的导函数拟合测量得到的斜率,继而获得用Zernike多项式表征的准直波前三维分布。该方法只需要一次扫描测量,就能同时获得待测波前三条线上的斜率,避免了传统方法测量全口径准直波前时需要在X、Y方向进行的多次扫描,优化了扫描机构,缩短了扫描检测时间,实现了全口径准直波前的快速检测。通过仿真验证了使用待测波前三条线上斜率复原待测波前的可行性与准确性。应用该方法对1 m口径准直波前进行了检测,并与干涉法检测结果进行了对比,两种方法得到的准直波前数值与分布形式基本一致,证明了该方法的可行性。