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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, 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 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, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 佳木斯大学, 黑龙江 佳木斯 154007
提出一种基于角度分割逼近算法和粒子群算法计算二次曲面轮廓度误差的最小区域评定方法来准确评定任意位姿的二次曲面轮廓度误差。首先, 给出了能够实现角度分割逼近算法的两条前提假设; 基于假设, 给出了更合理的算法网格布局递推公式。根据曲面轮廓度误差的定义建立了误差评定的精确模型。然后, 采用角度分割逼近法求取测点到拟合二次曲面轮廓的距离; 通过粒子群算法, 以所有的点与二次曲面距离中的最大值为适应度值拟合出二次曲面一般方程, 并实现被测轮廓与理论轮廓位置的匹配。最后, 采用上述方法对某抛物面天线进行了评定, 并与参数分割法、SMX-Insight和最小二乘法进行比较。实验结果显示: 该方法测得的天线轮廓度误差为0.659 8 mm, 比其它方法准确。结论表明: 基于角度分割算法能够更有效地评定任意位姿二次曲面轮廓度误差, 计算准确、迅速, 而且无需确定待分割区域。
二次曲面 曲面轮廓度误差 角度分割法逼近 最小区域法 quadric surface conicoid profile error angle subdivision approach algorithm least zone method
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 吉林铁道职业技术学院, 吉林 吉林市 132001
3 北京卫星制造厂, 北京 100190
提出了用7参数Procrustes方法建立了具有尺度因子的7参数坐标转换模型对多站大尺寸坐标测量仪坐标数据进行转换。首先, 根据大尺寸测量仪坐标转换的原理, 建立了7参数大尺寸坐标转换的非线性模型, 并具体分析了Procrustes方法及其对坐标转换的适用性和重心法的转换过程。然后, 列出了7参数Procrustes坐标转换方法的具体算法步骤; 最后, 利用该方法对一台Faro激光跟踪仪在移站前后的实际测量数据进行了坐标转换验证。对所得结果与激光跟踪仪配套软件移站的结果以及重心法的测量结果进行了比较, 还利用所得的转换参数对一已知长度的基准尺两端坐标值进行转换验证。结果表明: 利用7参数Procrustes方法得到坐标转换后x、y、z三个轴的最大误差分别为24.5 μm、42.5 μm和32.8 μm, 转换结果的中误差为17.1 μm, 远远高于配套软件以及重心法的转换精度。另外, 用转换后的坐标值计算基准尺长度的极差为36 μm。该坐标转换方法也可用于不同种类的坐标测量仪的数据匹配。
大尺寸测量仪 坐标系转换 Procrustes方法 激光跟踪仪 移站 large scale measurement coordinate transformation Procrustes method laser tracker transfer station
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 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
针对惯性约束聚变(ICF)终端光学元件的高精度在线检测, 提出了一种基于图像拼接的检测方法。该方法主要包含图像配准及图像融合两个部分。在图像配准部分, 采用基于局部损伤点特征匹配的方法来解决在线检测图像中信息过少, 以及子图像间存在曝光差异的问题, 并将检测系统的运动信息应用到配准过程中, 提高了检测精度及效率。在图像融合部分, 采用泊松融合的方法来消除曝光不均匀所产生的"拼接线", 实现了检测图像的“无缝拼接”。用本文算法与尺度不变特征变换(SIFT)算法对ICF终端光学元件在线检测(Final Optics Online Inspection , FOOI)图像进行了实验对比, 结果表明, 本文提出的图像配准方法优于SIFT算法。通过4×4方式得到的拼接图像显示, 本文方法可以大幅度提高ICF系统中FOOI装置的检测分辨率。
惯性约束聚变 终端光学元件 在线检测 图像拼接 泊松融合 Inertial Confinement Fusion(ICF) final optics on-line inspection image mosaic Poisson fusion
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
1 哈尔滨工业大学电气学院， 黑龙江 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
针对惯性约束聚变(ICF)光学元件损伤问题，提出了一种基于随机抽样一致性(RANSAC)及最小二乘支持向量机(LSSVM)回归的高精度检测方法。建立了损伤区域总灰度与实际尺寸的回归模型，通过该回归模型对待检测损伤区域的尺寸进行预测，得到损伤区域的高精度尺寸。为剔除回归模型建立过程中离群样本点的影响，采用RANSAC方法对训练样本进行优化选择。针对抽样组中样本数对检测精度及检测效率的影响进行了相关实验，确定了抽样组中样本数的合适区间。RANSAC-LSSVM方法可通过改变误差评价函数得到不同评价体系下的最优回归模型。实验证明，在传统像素级检测方法的基础上，该方法将损伤尺寸检测的平均相对误差降低了近90%。
图像处理 光学元件损伤 在线检测 回归 最小二乘支持向量机 随机抽样一致性
哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001
为准确测量水下目标的发声频率，在光学暗室下建立了基于激光干涉法探测水下目标的实验系统。当水下声源引起水表面波动时，用激光照射水面，携带声波信息的水面散射光与参考光干涉，利用精密光学测量装置探测光程差的改变，通过数据采集和处理系统从干涉信号的频谱分析图中解调出水下声信号的频率信息。干涉信号的频谱分析图中存在以水下声信号频率为中心的频带，频带宽度与自然水表面波引起的多普勒频移有关。实验结果表明，水下发声目标引起水表面波动的振幅在纳米级，系统可以实时探测出4~15 kHz的水下声信号，且测量标准偏差＜7 Hz。该系统可满足水下目标识别技术的实时性、准确性等要求。
激光技术 激光干涉术 水下声信号 频率探测 laser technology laser interferometry underwater acoustic signals frequency detection
