并行共焦测量中的并行光源技术综述

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量,从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理,综述了用于并行共焦的并行光源技术,分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果,重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理,最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。

单光源双光路激光并行共焦测量系统设计

针对传统激光并行共焦测量过程中存在的泰伯效应,提出将数字微镜器件(DMD)引入激光并行共焦测量系统来正确辨识正焦面的位置。采用了DMD作为光分束器件,从理论上验证了它是一种投影式的阵列光源,对激光分束后不会在光路方向上产生泰伯像;同时,考虑DMD不能对分束后的光线产生会聚作用,并非高效的并行光源分束器件,本文将DMD与微透镜阵列(MLA)结合构建了单光源双光路并行共焦测量系统。该系统利用DMD光路探测正焦面位置,利用微透镜阵列光路进行精确的共焦测量。实验结果表明,两种光路下的正焦面位置仅相差2μm,在一个泰伯间距范围之内,可以较好地克服泰伯效应对激光并行共焦测量的影响,进而保证较高精度的并行共焦测量。

基于数字微镜器件实现共焦测量的结构光参数

虽然采用并行共焦测量提升了共焦测量速度,但系统中的传统光分束器件参数固化后难以适应不同的被测对象。本文利用数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)可产生柔性化结构光的特点,将其作为光分束器件引入共焦测量装置以提升系统对被测对象的适应性。理论分析了DMD的空间调制方法,搭建了DMD的共焦测量装置,研究了DMD结构光参数对共焦测量轴向分辨率、横向分辨率以及图像对比度等指标的影响。实验表明,在光学系统参数匹配的条件下,结构光光点参数越小,测量分辨率越高。同时,利用DMD进行柔性化照明,改善了因光点参数小造成的图像对比度下降的问题。得到的结果为研究基于DMD的跨尺度测量方法提供了研究基础。

用于并行共焦测量的DMD控制方法研究

激光共焦测量采用并行的方式可以有效提高测量效率,但用于并行共焦测量的光分束器件普遍存在制作困难、价格偏高的不足。从数字微镜器件的空间光调制机理入手,主要研究数字微镜器的控制方法,通过构建任意所需的点光源阵列,实现了并行共焦测量。结果表明,测量装置可根据不同的被测物便捷地更换点光源参数;测量装置具有很好的柔性,且测量误差小。

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣,改善系统横向分辨力;通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力,最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明:整形环形光内孔归一化半径ε越大,横向分辨力改善越明显,量程扩展范围越宽;当入射光波长=λ632.8 nm,物镜数值孔径取NA=0.85,=ε0.5时,该系统的横向分辨力优于0.2μm,轴向分辨力优于2 nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法,可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。

多光束共焦测量系统有效采样点的标定

建立了多光束共焦测量系统实验装置 ,应用数字图像处理方法解决了测量系统有效采样点的标定问题 。

点扫描激光共焦测量研究

根据共焦显微术原理提出一种新型轴向扫描方式 ,在此基础上设计了一套可自动调节光强的焦点扫描激光共焦测量装置 。

面向宽谱段共焦测量的消像差准直会聚方法

针对宽谱段定焦系统存在色散严重、像差较大的问题,提出一种面向宽谱段共焦测量的消像差准直会聚新方法。该方法利用全反射式结构抑制不同波长定焦时造成的色散效应,利用抛物面结构和环形光束抑制像差,在可见至红外宽谱段内实现了对光束的精确准直与会聚,相对于现有准直会聚方法可以消除色散且明显抑制像差。理论分析和初步实验表明：依据该方法构建的准直会聚系统在不同波长光源情况下聚焦点完全重合,定焦曲线旁瓣得到明显抑制,且定焦分辨力达到72.4μm@1 064 nm,接近环形光束聚焦情况下的理论计算极限。

激光共焦干涉面形快速高精度自动测量

针对传统球面面形干涉测量中手动调整被测件姿态精度低、速度慢的问题,提出了激光共焦干涉面形快速高精度自动测量方法。该方法通过共焦精密定焦技术实现了对被测件共焦位置的高精度轴向定位;通过五维自动调整架对被测件进行姿态调整,实现了被测件的高精度横向定位;通过Zernike拟合对被测件进行精调以减小离焦误差和倾斜误差,实现了对干涉面形的零条纹调整。最终实现了激光共焦干涉面形自动测量。构建了激光共焦干涉面形测量系统,实验表明:该方法的面形测量结果与Zygo干涉仪的测量结果相差0.000 6λ,重复测量精度可达0.001 9λ,平均单次干涉面形测量时间为16.5 s,与手动调整至零条纹相比测量效率提高了1.56倍。该方法为干涉面形的快速高精度测量提供了一种有效的手段。

数字微镜器件用于并行共焦测量的再研究

数字微镜器件(DMD)可以控制其中每个微镜的偏转状态,相对于其他光分束器件,它可以构建出点光源大小可变、间距可调的柔性阵列光源。在前期研究的基础上,理论上推导出该阵列光源可以用于并行共焦测量,改进了测量光路,并结合实际使用找到了合适的阵列光源参数,获知了并行共焦测量系统的纵向分辨率与点光源大小的关系,最终通过对实物的测量较完善地阐述了基于DMD的并行共焦测量系统。

双面光学共焦技术的透镜中心厚度测量设计

基于共焦法测量透镜中心厚度的装置中,需要光进入透镜内部发生折射和反射,但这会影响测量精度。为了解决这一问题,在共焦法原理的基础上,采用双面光学共焦的测量方法,设计了一套透镜中心厚度的测量装置,并进行了理论分析、误差分析和试验验证。结果表明,该装置测量范围能达到30mm,测量精度为2μm。该装置实现了对透镜中心厚度的高速非接触测量,完全能达到实际测量的需要。

多光束共焦三维测量系统误差的标定及校正

由于具有非接触、精度高、测量速度快的特点 ,多光束共焦测量已经成为一种重要的光学三维测量手段。文章分析了系统中存在的像差 ,并对第二类像差 (焦平面弯曲 )提出了测量和标定的方法 ,即通过测量平面镜来获取系统误差 ,通过对测量结果的球面拟合来进行标定 ,利用标定值即可进行系统误差的校正。采用此种方法可简化光学系统设计 ,降低系统制造费用。最后给出了试验的结果。

基于DMD的并行共焦图像处理方法研究

在并行共焦测量中，用于构造点光源阵列的光分束器件普遍存在参数固化、对不同测量对象适应性较差的缺点。将数字微镜器件（DMD）作为光分束器件应用于并行共焦测量，可以控制DMD构造柔性化点光源阵列，应对不同的测量场合。推导了DMD的空间光调制模型，规避了“泰伯效应”对并行共焦测量的影响，设计了可抑制光点横向漂移的远心光路，构建了基于DMD的并行共焦测量装置，对比了两种不同的并行共焦图像处理方法。实验结果表明，在没有设置高数值孔径物镜组的情况下，测量装置的纵向分辨率受到一定影响，但所设计的图像处理程序能够快速、准确地获取被测物面的形貌特征。

CCD共焦的误差分析

在CCD相机的研制工作中,需要将多个CCD安置于CCD相机的焦面位置处,并使各CCD像元之间相对于相机焦面的共焦偏差满足相机设计要求。为了达到这一目的,需要对多个CCD进行焦面测量。文章对各种误差因素在测量过程中的影响进行了分析。

一种并行共焦显微镜的设计与研制

并行共焦显微镜是一种综合了光学、机械、电子、计算机及数字图像处理等技术,具有较高的横向和纵向分辨力的新颖三维表面无损检测仪器.为了保证其装配调节方便,在关键部件的结构设计上采用了微调结构,主要介绍了并行共焦显微镜的光学系统、物镜组设计、关键部件的微调结构设计及结构组成。

融合共焦与变焦测量技术的复杂表面测量方法

对于复杂多样性的表面,共焦测量法和变焦测量法均只能测量特定的区域信息,不能提供全局的最优测量.针对此问题,基于结构照明显微成像技术,提出了一种融合共焦测量技术与变焦测量技术的复杂表面测量方法.该方法通过建立坐标统一的双模式一体测量显微镜,充分利用了两种测量方法的优点来估算每个测量点处的表面重建置信度值,进而有效地实现了不同表面形貌数据的融合.为了验证该方法的性能,对陡峭台阶表面和复杂纹理的磨削表面进行了一系列试验测试.结果表明:该方法在兼顾共焦测量精度的同时,有效抑制了复杂表面测量结果中存在的噪点和异常点,较好地实现了对陡峭台阶表面和复杂纹理的磨削表面的有效测量.

微靶装配中靶球几何量的高精度测量

为满足微靶装配过程中靶球和靶腔相对位置的严格的要求,保障惯性约束聚变实验的成功,针对机器视觉的几何量测量精度很难达到5μm以下的不足,设计了利用具有亚μm级精度的激光共焦测头对装配中的靶球进行采点扫描以获取其尺寸和位置的非接触测量方法,借助于在线监测系统运动轴的高精度定位,通过上下两个激光共焦测头的组合测量,并采用一种快速而准确的基于点阵插值细分和目标两级提取的测量算法,使在线监测系统的球体几何量测量精度达到了2μm。

激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统的研制

针对激光聚变靶丸内表面轮廓高精度无损测量的迫切需求,研制了一套激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统。该系统通过最小二乘算法(LSC)计算出靶丸回转偏心量,并利用偏心调整台对靶丸偏心进行自动快速调整;然后,系统软件控制气浮回转轴承驱动靶丸旋转,利用激光差动共焦传感器(LDCS)轴向响应曲线过零点及光线追迹算法精确计算出靶丸内表面轮廓上每个采样点的几何位置;最后,对靶丸内轮廓测量数据进行LSC评定得到其圆度信息。实验证明,靶丸回转偏心的自动调整时间可达22s,当采样点分别为1 024,2 048及4 096时,靶丸内轮廓测量时间分别可达10,20及40s,且圆度测量标准差可达19nm(1 024点)。该系统实现了靶丸回转偏心的自动快速调整及其内轮廓的高精度、无损、快速、自动测量。

基于针孔阵列的多光束共焦三维测量系统

提出了一种基于 5 0 0× 5 0 0的针孔阵列的多光束共焦三维测量系统 ,该系统具有测量视场大 ,测量速度快 。

非共轴激光共焦显微技术的研究现状与展望

非共轴激光共焦显微技术是近年来激光共焦显微成像领域发展起来的一种新型成像方法。该成像方法将被测样品与照明光轴成一定角度放置,使得照明光轴与采集光轴形成一定的夹角,减小系统合成焦体体积、提高轴向分辨力。与传统的共焦显微技术相比,该方法可以有效兼顾激光共焦显微系统的轴向分辨力、工作距和视场大小。介绍了非共轴激光共焦显微技术的成像原理,详述了共焦theta显微技术和双轴共焦显微技术这两种典型的非共轴激光共焦显微技术的研究现状和发展趋势,简述了在双轴共焦显微技术领域的研究设想。