上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
应力检测对光学元件的制造和使用意义重大。基于应力双折射原理，提出了一种利用偏振相机测量应力分布的方法。根据Stokes矩阵和Mueller矩阵推导出应力值及应力方向计算公式，并对影响系统测量精度的主要误差进行了理论分析。为验证方法的可行性，搭建了一台测量应力分布的装置。使用该装置测量一块633 nm的四分之一波片，测得其误差为0.86 nm。进一步测量，得出一块车灯透镜的全场应力相位延迟量与应力方向图，利用所测相位延迟量计算出透镜中心区域的应力双折射值为9.21 nm/mm、主应力差为2.45 MPa；利用符号规则调整了透镜的应力方向，结果符合应力连续性原则。该方法测量应力分布时无需旋动光学元件，可实现应力延迟量及应力方向的实时测量。
应力测量 应力双折射 偏振相机 Stokes矩阵 stress measurement stress birefringence polarized camera Stokes matrix
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
立体偏折法作为一种非接触式镜面表面三维测量方法, 近年来发展迅速。为了解决传统立体偏折法难以测量较大倾角曲面的问题, 提出了一种基于标志点的三维拼接立体偏折法。先利用立体偏折法测量不同视角下的曲面子区域的三维点云, 同时通过立体视觉测量样品台上标志点的三维坐标, 使用标志点坐标进行粗拼接, 再通过迭代最近点算法进行精拼接, 最终重构出完整的三维面型。实际搭建了一套三维拼接立体偏折测量系统, 测量了一个倾角25.8°的光滑凸球面反射镜, 拼接后球面拟合误差在3μm以内。实验结果验证了方法的可行性, 对立体偏折法应用于大口径和大倾角的复杂光学曲面三维测量具有借鉴意义。
光学测量 立体偏折法 三维点云 拼接 ICP算法 optical measurement stereo deflectometry three-dimensional point cloud stitching the ICP algorithm
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
三维轮廓检测能力决定了光学自由曲面开发的进度和应用的范围。基于条纹反射法检测原理提出了一种结合线结构光立体视觉和条纹反射法的三维轮廓检测系统。该系统主要用于光学自由曲面轮廓的检测，以立体视觉测量得到的光学自由曲面轮廓数据作为初值，结合相位测量偏折法测量数据的迭代，得到精度更高的光学自由曲面轮廓测量结果。实验结果表明，该系统可测量直径为300 mm、倾斜角范围为± 20°的自由曲面光学元件，系统的复合测量能力强，光学自由曲面的测量不确定度小于± 1 μm。
条纹反射法 立体视觉 自由曲面 fringe reflection stereo vision free-form optics
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
非球面光学元件在光学系统中的应用日益广泛。非球面点云数据调平坐标变换是非球面检测系统误差分析的一个重要环节。提出了一种基于Zernike多项式拟合的非球面点云数据自动调平方法, 通过计算Zernike多项式X和Y倾斜项系数确定调平旋转矩阵, 通过迭代使其最小化, 最终将点云数据回转轴调整至与坐标Z轴平行, 使得非球面三维点云测量结果可以进行后续三维比对和截面误差分析。通过理论仿真和实验数据测试验证了方法的有效性, 能够将非球面数据倾斜降低到可忽略的程度; 方法计算过程简单, 对于各类非球面和曲面点云数据的调平变换都具有较好的参考意义。
光学测量 非球面 三维点云 调平 坐标变换 Zernike多项式 optical measurement aspherical surface 3D point cloud leveling rigid transformation Zernike polynomials
解树平 1,2,3杨波 1,2,3,*万新军 1,2,3黄鹏程 1,2,3江剑宇 1,2,3
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海理工大学 教育部光学仪器与系统工程研究中心, 上海 200093
非接触式测振技术有着非侵入无损检测、空间分辨频率高、实时性强等优良的特性。为了实现大视场、多点实时测量,提出了一种基于双目机器视觉的三维测振技术。在待测物表面粘贴100个圆形发光标志点,选取不同频率、振幅的标准振动台进行测试,分别采集500帧图像进行处理。实验结果表明,测量精度为54 μm/m,该系统具有良好的稳定性,可满足大多数振动测量的要求。
双目视觉 测振 多点测量 振动台 binocular vision viberation measurement multi-point mearsurement vibration table
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院 上海市现代光学系统重点实验室 教育部光学仪器与系统工程研究中心, 上海 200093
振动测量是现代制造业发展的关键技术之一, 在**、工业、农业等方面具有重要的应用意义。为了实现大视场、高效率的非接触式测量, 基于双目视觉原理设计了一种多点三维振动测量系统。在待测物体表面粘贴多个标志点, 对左右相机图像上的标志点进行多点同步准确匹配计算得到其空间三维坐标, 实现三维测振。选取五个标志点进行实验, 结果表明, 测量误差最大为91μm/m, 可满足大多数振动测量的要求。
光学测量 三维测振 双目视觉 多点匹配 optical measurement 3D vibration measurement binocular vision multipoint matching
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
干涉显微物镜是干涉测量显微镜的关键部件，在微纳表面三维形貌测量中应用广泛。设计了一款无限远共轭大倍率Mirau干涉显微物镜，其放大倍率为50×，数值孔径为0.5。基于系统长工作距的特性，干涉物镜采用反远距物镜结构。根据二级光谱理论，分析了干涉物镜的二级色差校正，合理选择了玻璃材料和初始结构。利用光学设计软件Code-V进行系统优化设计，设计结果表明，光学系统全视场范围内在800 lp/mm处的调制传递函数大于0.3，其他各项指标满足设计要求。通过非序列模式建模对所设计的干涉物镜进行光线追迹，仿真分析得到清晰的牛顿环干涉图，结果验证了设计的合理性。
光学设计 Mirau干涉显微物镜 长工作距 二级光谱 干涉图 激光与光电子学进展
2017, 54(11): 112205
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
为了减少白光干涉法的采样数据和计算成本, 提高测量速度, 提出了一种快速稳定的白光干涉测量方法。根据白光干涉显微镜模型, 对光学干涉法的数学模型进行了推导分析, 确定了干涉光强函数与包络函数之间的关系。在此基础上, 提出利用加大采样间隔的离散采样点的希尔伯特变换函数提取干涉信号包络算法, 并基于采样原理分析确定了符合算法的采样间隔条件。通过仿真实验对该算法的有效性进行了验证。实际样品的白光干涉光强信号存在直流(DC)偏置噪声, 影响快速白光干涉测量法的稳定性, 因此采用中值滤波法消除背景噪声, 分析滤波后干涉光强包络的质量。通过白光干涉显微镜装置进行了实际样品白光干涉图像采集, 并对不同倍率采样间隔重构的三维表面形貌图进行比较。结果表明, 该快速算法重构三维形貌的速度相比传统方法提高了20倍, 同时增强了稳定性。
测量 白光干涉法 三维表面形貌 希尔伯特变换 采样间隔 噪声滤波 激光与光电子学进展
2017, 54(5): 051203
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
在光学精密测量中, 相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差, 采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差, 提高测量精度, 但是其迭代过程运行时间长, 效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法, 先对干涉图像进行等间隔抽样, 降低计算量; 再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点, 防止误差增大, 进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证, 在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比, 运行时间从6.687 s降为0.725 s, 均方根误差仅为0.032 9°。实验结果证明: 选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小, 非常适合高速相移干涉测量应用。
相移干涉 相位提取 最小二乘迭代算法 选择采样 phase shifting interferometry phase extraction least square iterative algorithm selective sampling
