1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西 西安 710071
3 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021
When the collimator is placed horizontally and installed obliquely, its optical parameters will be greatly different due to different stress states. In order to accurately evaluate the focal length of collimator, according to the mapping relationship between the point on the focal plane of the collimator and the angle of the total station, an accurate mathematical model of the relationship between the focal length and the angle of the total station under the condition of oblique installation is established, the principle projection error caused by the rotation of the vertical axis of the total station is corrected. Several groups of data are collected by total station and experimental verification is carried out. After correcting the distortion, the focal length calculated by each testing point when the line segment is parallel to the vertical wire are 1 980.03 mm, 1 983.45 mm, 1 982.79 mm, the average focal length, i.e. the true value, is 1 982.09 mm. When the distortion is corrected but the projection error is not corrected, the focal length calculated from each testing point when the line segment is parallel to the horizontal wire of the reticle is 996.42 mm, 995.23 mm, 995.22 mm, the relative error of the average focal length is 50.2%. The range of focal length calculated by each testing point when the line segment is located in different quadrants and parallel to the horizontal wire of the reticle is 4.74 mm after correcting the projection error and distortion, the average focal length of all testing points is 1982.69 mm, the difference between the average value and the true value is 0.6 mm. The maximum relative error between the extended uncertainty of the focal length calculated by different testing point and the true value of the focal length is 0.36%. This value is far less than the stipulation in GB/T 9917.1-2002 that the relative error between the measured focal length and the nominal focal length in the photographic lens does not exceed ±5%. The experimental results show that the model has universality and high accuracy, the phase of the target slit in the reticle is allowed to be a random value, there is no need to adjust the slit to be strictly parallel to the vertical wire of the total station, the model has great engineering application value for the in-situ detection of the focal length of the collimator under the condition of oblique installation.
焦距 畸变 投影误差 原位标定 随机相位 focal length distortion projection error in-situ calibration random phase 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220124
相位测量偏折术(PMD)是一种结合光线反射原理和条纹相位编码的光学面形检测方法,具有设备简单、成本低廉、稳定抗干扰等优点。但传统的偏折术需要对透明元件后表面进行黑化或粗糙化处理,以避免后表面反射对条纹相位提取的干扰,过程中可能损伤光学表面。分析了PMD面形检测方法用于透明元件检测的数学模型,提出了一种基于多频条纹反射和谱估计算法的新型PMD——多频条纹偏折术,分离了透明元件前后表面反射信号。从数字信号分析角度描述了谱估计方法分离精度的影响因素,并给出了分离结果优化的具体方案。进行了数值模拟和实验验证,取得了与基于相移的传统PMD非常接近的检测结果,证明了多频条纹偏折术的正确性和可行性。实验结果表明,该技术具有精度高、无需改变现有实验装置和待测元件的优点,为透明元件的无损静态检测提供了可靠的方法。
相位测量偏折术 光学面形检测 后表面反射 多频条纹偏折术 谱估计 phase measuring deflectometry optical surface testing back surface reflection multi-frequency fringe deflectometry spectrum estimation
针对相位测量偏折术(PMD)检测平面光学元件面形的光路结构,系统地分析了各部件因各自由度的不确定度变化对重建面形的影响,并且提出了一种高精度的平面元件调整方法。通过对相移算法得到的显示器坐标与通过光线追迹得出的参考面显示器坐标进行比较,能够将被测镜调节至理想测试状态,从而能准确求出被测面上各点斜率,再采用波前重建算法,实现了光学元件面形重建。实验结果显示,有效口径为Ф140 mm的平面元件在去掉Zernike多项式前6项的面形数据与干涉仪的测量结果差值在RMS=5 nm以内,结果远优于未经过该方法调整的结果。因此,该调整方法可行,能够有效完成对平面元件的精密调整,具有很大的应用价值。
相位测量偏折术 自由度分析 灵敏度矩阵 光线追迹 精密调整 phase measurement deflectometry degree of freedom analysis sensitivity matrix ray tracing accurate alignment
基于斜率检测的相位偏折术能够快速、简单、准确地测量光学元件面形和透射光学元件畸变波前。借助点光源显微测量系统对参考点坐标的准确测量提出了空间直线预标定的方法,利用它得到了相机中CCD面阵上每个像素对应每条光线的方向向量,通过每条光线的方向向量和被测面方程,追迹得到了被测面的世界坐标,从而求出被测面上各点斜率,采用波前重建算法,实现了光学元件面形的准确重建。实验结果显示,拟合面形去掉Zernike多项式前4项的RMS数据与干涉仪的测量结果最大相差仅约10 nm,并且实验中重建的面形与利用张正友提出的标定方法坐标计算重建的面形几乎相同。因此,空间直线预标定法切实可行,可以实现高精度的反射光学元件面形测量,且测量系统简单,具有应用价值。
光学检测 斜率 偏折术 空间直线法 预标定 optical measurement slope deflection spatial straight line method pre calibration
相位测量偏折术(PMD)是近几年在光学测量领域内普遍使用的一种非接触式的高精度测量方法,该方法需要CCD相机拍摄经被测光学元件反射的在显示屏上显示的条纹图,而CCD自身存在的镜头畸变会对测量精度产生一定的影响。为避免这一影响,提出了在梯形畸变和镜头畸变同时存在的情况下保留梯形形状而只校正镜头畸变的矢量Zernike多项式校正方法。该方法首先利用光轴与被拍摄面的交点及相机和被拍摄面的相对位置来求取与光轴垂直的辅助面上的标准图,然后利用矢量Zernike多项式拟合标准图与畸变图的坐标得到二者的映射关系,接着运用得到的映射关系对畸变图进行校正。实验结果表明:提出的畸变校正方法可以有效地降低测量误差,提高测量精度。
相位测量偏折术 镜头畸变 畸变校正 矢量Zernike多项式 phase measuring deflectometry lens distortion distortion correction vector Zernike polynomial
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610065
2 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
子孔径拼接方法在大口径光学元件检测中发挥着重要的作用,关于子孔径拼接精度研究也受到广泛重视。子孔径斜率数据可由哈特曼探测器测得,被测光学元件上每个子孔径上的斜率数据通过最小二乘法进行拼接。测量过程中,测量数据不可避免含有随机噪声,这将影响拼接参数(如倾斜)的不确定度。推导了误差传递公式及评价拼接精度的公式,并分别计算了并行拼接和串行拼接中任意子孔径上每一点的拼接误差。在0.06 s的随机噪声下,拼接斜率的统计误差与理论误差之间的差别在10-9 rad量级。模拟实验结果证实了所提出的拼接精度公式的正确性,可以用来评价拼接精度,并从理论上给出了并行拼接误差小于串行拼接误差的原因。
子孔径 斜率拼接 并行拼接 串行拼接 大口径元件 精度 subaperture slope stitching parallel stitching serial stitching large operture optical element precision
提出了一种基于光线角度标定的被测面坐标测量方法。该方法以二维棋盘格参照物作为标定靶,测量得到外置光孔以及标靶上角点的坐标。将由角点过光孔的光线投影于世界坐标系各平面,计算出此光线与摄像机光轴的夹角。拍摄单幅图像,由Harris角点检测算法得到图像坐标系下角点坐标,以像素为单位插值,根据针孔相机原理,可得到CCD靶面上各像素点过光孔的光线与光轴的夹角,以此计算标定靶面上任意点的空间坐标。实验结果表明,该方法具有较高的精度。由于只需要拍摄一幅图像,因此可以完成实时测量。
坐标测量 二维棋盘格标靶 标定 光线角度 coordinate measuring two-dimensional checkerboard target calibration angel calibration of ray
光瞳像差的存在会导致实际光瞳和理想近轴光瞳的形状和位置出现差异,从而对光学系统的成像质量产生间接的影响。由于光瞳球差会影响光瞳的位置,而在某些使用机器视觉的测量系统中,入瞳位置作为摄像机的光心,形成了机器视觉中的一种重要参数,当入瞳位置发生变化时,将会影响到测量的准确性,尤其在高精度的测量领域。介绍了光瞳像差的基础理论,以SCOTS(Software Configurable Optical Test System)光学面形测量系统为例,通过计算入瞳球差,分析了光瞳球差对相位测量偏折术测量的影响。结果表明,双高斯物镜中光瞳球差的存在,对测量结果的准确性和精度造成了影响,故在使用机器视觉进行测量的系统中,需考虑光瞳像差带来的影响。
光瞳球差 机器视觉测量 光学测量 相位测量偏折术 pupil spherical aberration machine vision measurement optical measurement PMD
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610065
2 视觉合成图形图像技术国家重点学科实验室, 四川 成都 610065
斜率传感的平面元件面形检测是基于光线反射的几何原理和相位测量偏折术方法的光学面形检测技术，它能够快速、简便、准确地测量非球面面形及透射光学元件波前，也称偏折术或逆哈特曼测试系统。推导了平面元件斜率检测公式和面形恢复算法，使用可编码条纹的液晶显示器作为照明光源，四步相移法来识别显示器像素点坐标。针孔摄像机采集被测表面对条纹所成的像，将该系统用于有机玻璃板在加热条件下的面形测量，经计算机处理得到被测表面斜率数据。用方形域内标准正交矢量多项式拟合计算斜率数据得到有机玻璃板面形信息，对面形信息对比分析，然后对有机玻璃板在加压条件下的斜率变化进行了检测，与激光反射法计算的斜率变化结果进行对比。结果表明，该测试系统有动态范围大、装置简单、速度快、非接触、测试精度高等特点，为实际生产和应用提供了一种检测平面面形及动态变化过程监测的新手段。
测量 光学测试 面形 矢量多项式 偏折术 斜率 光学学报
2014, 34(s1): s112004
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610065
2 交通运输部公路科学研究院, 北京 100088
3 视觉合成图形图像技术国家重点学科实验室, 四川 成都 610065
对单色平行光照明玻璃微珠产生的散射光强分布，采用Debye理论对其分析时发现位于球形粒子左侧的探测器上接收到的k阶彩虹光强分布主要由衍射光、直接反射光和k次内反射光的相互叠加形成，而位于球形粒子右侧的探测器上接收到的k阶彩虹光强分布主要是衍射光、直接透射光和k次内反射光的叠加形成；当入射光波长一定时，玻璃微珠的折射率大小将影响散射光强分布中的最小偏向角在探测器上的位置，而玻璃微珠直径不影响最小偏向角位置，但影响散射光强的周期。实验分析了折射率和半径对最小偏向角附近一次彩虹和二次彩虹散射光强分布的影响，并与几何方法进行了比较，结果与运用Debye理论数值模拟结果相吻合。这说明提出的假设具有合理性，因此光经玻璃微珠散射形成的最小偏向角可用于其折射率的测量。
散射 Debye理论 玻璃微珠 折射率 一次彩虹 二次彩虹 中国激光
2014, 41(s1): s108010
