Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
2 Research Center of Laser Fusion, CAEP, Mianyang 621900, China
There exist some shallow scratch defects on the super-smooth optical surface. Their detection has a low efficiency with the existing technologies. So a new detection method, dark-field detection of adaptive smoothing and morphological differencing (DFD-ASMD), is proposed. On one hand, the information of shallow scratches can be kept in dark-field images. On the other hand, their weak characteristics can be separated and protected from being overly reduced during the elimination of noise and background in the image. Experiments show the detection rate of shallow scratches is around 82%, and DFD-ASMD can lay a foundation for quality control of defects on the high-quality optical surface.
120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology 120.4630 Optical inspection 150.1835 Defect understanding Chinese Optics Letters
2017, 15(8): 081202
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究。设计并搭建了相应光路系统记录全息图, 采用角谱算法数值重建物光场, 通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变, 获得了经过待测光学元件表面缺陷调制的物光相位分布, 并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌。实验以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象, 分别获得了它们的三维形貌, 以其中一条实际宽度为35 μm、深度为270 nm 的划痕为例, 测量得到该划痕的宽度为35.21 μm, 平均深度为267.6 nm, 与真实值相比, 横向测量误差为0.6%, 纵向测量误差为0.9%。实验结果证实该测量方法是有效、可靠的, 能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌, 因而有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响, 对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义。
数字全息显微术 三维形貌测量 光学元件 表面缺陷 相位修正 digital holographic microscopy three-dimensional microstructure measurement optical component surface defects phase correction
1 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
高质量光学元件表面缺陷中存在一些深度较浅或者宽度较窄的划痕,在暗场成像检测中,该类划痕产生的散射光灰度值很低,甚至淹没在背景光中,很难被目视或常规机器视觉识别,造成划痕缺陷的漏检.针对该问题,以既有的疵病检测系统为基础,根据划痕灰度的等级特征,提出双阈值法分类处理划痕缺陷.在低阈值的弱划痕处理中,根据弱划痕和背景的频率特征以及空间对比度特征,设计了频域滤波及背景差分算法.通过空间域以及频率域的滤波处理,排除高频噪声以及高亮度噪声,根据几何特征等提取弱划痕图像中的复杂背景.经差分处理后,提取弱划痕并增强对比度,最后与正常灰度级划痕信息一同通过高阈值(正常阈值)进行后续划痕的特征提取,即得到所有的划痕信息,为划痕缺陷总长度计算以及最大长度的分级判定奠定基础.实验结果表明,该算法避免了过低二值化阈值引入的背景等不规则噪声,使得划痕与背景的对比度大大增强.目前该算法已经应用于惯性约束聚变系统中大口径光学表面划痕的定量检测,并且使长度计量的准确度已提升到约80%.
弱划痕缺陷 双阈值 频域滤波 背景差分 对比度增强 精密计量 weak scratch defects dual threshold frequency filter background subtraction contrast enhancement precision measurement 强激光与粒子束
2015, 27(7): 072004
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
在移相干涉中，由于系统或者环境的原因会产生移相误差，进而导致面形检测产生误差。介绍了最小二乘迭代随机移相算法的基本原理，通过模拟仿真，高精度地迭代出原始面形。针对随机移相可能引起迭代得到的面形与真实面形相反的现象，理论上分析了其产生的原因。提出在最小二乘迭代随机移相算法中，需要已知移相方向才能准确迭代出真实面形，通过实验进一步证实结论的正确性。给出了干涉仪移相方向标定的可行方法。
测量 面形检测 干涉法 最小二乘迭代 随机移相 移相方向 激光与光电子学进展
2015, 52(5): 051202
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
在平行平板类元件透射波前的测量过程中, 在干涉强度图上有时会产生寄生条纹, 会给透射波前的测量引入较大的误差。阐述了寄生条纹的产生机理, 仿真分析了寄生条纹对透射波前测量误差的影响, 介绍了调节移除寄生条纹的方法。对一平板类透射元件进行了实验对比, 分别测量了在具有寄生条纹时和移除寄生条纹后的透射波前。根据对比结果可以看出, 该调节方法能有效地消除寄生条纹对透射波前测量的影响, 使测量结果能更真实地反应出元件透射波前的分布。
光学测量 透射波前 寄生条纹 干涉 optical measurement transmit wavefront spurious fringes interference
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 南京 210094
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为了研究高功率激光系统中划痕型缺陷对光场质量的影响，采用分步傅里叶算法对非线性近轴波动方程进行求解，模拟分析了不同划痕参数(长度、宽度、深度)下，元件内部、光束近场、元件后传输光场以及光束远场的光强分布情况。数值模拟结果表明: 随着划痕长度、宽度或深度的增加，元件内部以及元件后传输光场的峰值强度和对比度均会相应增强;光束近场的光强对比度也会略微增大;对于光束远场的强度分布，与划痕宽度方向所对应的频谱能量会不断增强。该项研究工作可以为划痕检验标准的制定提供一定的定量分析依据。
光学元件 划痕型缺陷 高功率激光系统 分步傅里叶算法 光束近场 光束远场 optics elements scratch defect high power laser system split-step-Fourier-transform near field far field 强激光与粒子束
2014, 26(9): 092011
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为解决移相干涉仪(PSI)测量平板类光学元件面形过程中产生多表面干涉条纹混叠的问题，介绍了基于波长移相的多表面干涉条纹分析方法的基本原理。对三表面干涉测量进行仿真分析，通过对随时间变化的干涉图进行傅里叶变换，提取相应频谱级次的相位，可求得前后表面面形分布。比较了不同取样帧数及不同干涉光频谱变化范围下的误差最大值与方差的变化。与原始仿真面形比较，在理想情况下，该方法测得面形误差优于10－4λ。采用该方法对一实验元件的三表面干涉图进行分析计算，并与Zygo干涉仪测量值比较，结果表明，元件面形峰谷值（PV）与均方根值(RMS)相对误差均低于1%。
测量 波长移相 多表面干涉 中国激光
2013, 40(10): 1008007
1 西北工业大学 理学院 陕西省光信息技术重点实验室 空间应用物理与化学教育部重点实验室，陕西 西安 710072
2 中国空间技术研究院 西安分院，陕西 西安 710100
采用离轴菲涅耳数字全息干涉术实现了对电路板表面的连续弯曲形变测量。在电路板两端依次施加0.01 mm至15 mm位移载荷过程中，记录了1 501幅全息图。通过相邻两幅全息图数值重建的复振幅相位分布相减得到干涉相位差，根据相位差与离面位移的关系计算得到照明测量区域的离面位移，通过累加获得了施加1～15 mm位移载荷时电路板表面的弯曲形变测量结果。由5块相同规格电路板上照明测量区域中同一电容中心点的离面位移，计算得到测量结果的A类不确定度不超过0.008 mm，加载夹具引起的测量结果的不确定度为0.003 5 mm，测量结果的合成不确定度不超过0.008 7 mm。实验表明这种利用离轴菲涅耳数字全息干涉术测量物体大位移连续弯曲形变的方法具有良好的重复性和稳定性。
数字全息干涉术 离轴菲涅耳全息术 电路板 弯曲形变 digital holographic interferometry off-axis Fresnel holography circuit board bending deformation
西北工业大学 理学院光信息技术研究所,陕西省光信息技术重点实验室,陕西 西安 710072
在对合成孔径数字全息图通过分幅数值重建的过程中,数值重建平面中心的改变将会影响子全息图再现像的位置及相位分布,进而会对最终得到的合成数值再现像的质量产生不利影响。针对合成孔径数字无透镜傅里叶变换全息图,在理论分析的基础上,提出了相应的分幅再现算法。根据相应子全息图在合成孔径全息图平面上的位置,给各分幅数值再现像分别乘以相应的相位修正因子后再进行叠加,可得到准确的合成数值再现像。以采用线阵CCD推扫获得的大幅面数字无透镜傅里叶变换全息图为例,按照所述方法进行了分幅数值重建实验,获得了高质量的准确合成数值再现像。实验结果与理论分析一致。
合成孔径 数字全息术 数字无透镜傅里叶变换全息图 相位修正因子
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Abstract
Institute of Optical Information Science and Technology, Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
A phase correction method is presented to remove the phase slope of the sub-holograms caused by the multi-direction illumination on object in digital holography. To improve the resolution of the reconstructed holographic images, two sub-holograms are recorded by using angular multiplexing and their phase slope parameter is obtained by theoretical analysis. Introducing a phase correction parameter to this phase slope, the ideal complex reconstructed image can be obtained by superposing the reconstructed object wave fields of the two sub-holograms. Experimental results demonstrate that the resolution of the reconstructed image can be effectively enhanced.
数字全息术 角分复用 相位倾斜 相位校正 分辨率 090.1995 Digital holography 100.2000 Digital image processing 100.3010 Image reconstruction techniques Chinese Optics Letters
2009, 7(12): 1072
