光切片结构光显微的三维测量速度一直是该技术应用方面的重要关注点。基于光切片的三维测量方法需要在同一个轴向位置进行至少两次曝光, 才能获得该位置的光切片信息。文章提出一种单次曝光的结构光显微三维测量方法, 在轴向扫描的每个位置只需拍摄一幅结构光显微图像, 相邻轴向位置的条纹存在一定的相移; 然后分析每个像素对应的轴向灰度曲线, 计算轴向调制度并定位峰值; 最后进行标定和换算, 便可得到样品的三维重建结果。实验证明, 所提方法可以得到与光切片方法相当的测量精度, 测量效率和图像处理效率都比光切片法有很大提升。
结构光显微 调制度分析 相移法 三维测量 structured illumination microscopy modulation analysis phase shifting method three-dimensional measurement
1 广西师范大学 电子工程学院，广西 桂林 541004
2 上海应用技术大学 计算机科学与信息工程学院，上海 201418
3 广西师范大学 职业技术师范学院，广西 桂林 541004
使用相移法测量物体形貌时，质量导引法在相位解包裹中起着重要作用。在检测高反光待测物表面缺陷时，相移条纹调制度常用来识别表面缺陷。本文通过将Sobel梯度与条纹调制相结合，提出了新的缺陷表征质量图，即调制度-Sobel梯度偏差质量图（modulation-sobel gradient variance，MSGV）。将解包裹相位图和原始相位图的均方根误差、峰值信噪比、信噪比3个性能作数据对比，对相位解包裹数据进行模拟测试。结果显示，MSGV的平均峰值信噪比较调制度-相位梯度偏差质量图（modulation-phase gradient variance，MPGV）提升了约1.97%，均方根误差减小了约2.91%。表明本文提出的MSGV算法相对于传统算法有一定优越性，具有更高的抗噪性和更低的解包裹误差。将所提出的方法对鼓型滚子曲面进行缺陷检测与定位，结果表明，MSGV能更好地显示出缺陷的轮廓信息。
相移条纹 质量图 调制度 缺陷检测 phase-shift fringes mass map modulation degree defect detection
东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞230009
具有多层结构特征的微纳结构在新型显示、半导体、MEMS等领域具有广阔的应用前景。现有的干涉测量相位解析方法如白光干涉、光谱干涉利用多层反射光与参考光的干涉信息实现多层三维重构。然而, 当介质层数较多时, 相邻介质层的干涉信号严重影响测量精度, 且在大台阶、高曲率等复杂结构检测中具有许多局限性。基于结构光调制度解析的测量方法以其非接触、高精度、高适应性等特点在复杂微纳结构检测领域中占有重要地位。将结构光调制度测量原理应用于多层结构同步三维重构, 通过对不同的介质层成像, 进而解析出不同层结构的调制度分布, 最后实现多层结构及其厚度分布同步三维测量。
微纳结构 三维重构 结构光 调制度 多层结构 micro nano structure three-dimensional reconstruction structured light modulation multilayer structure
成都信息工程大学光电工程学院，四川 成都 610225
提出一种基于相移与焦移法的三维面形垂直测量方法，当投影仪变焦扫描被测物体的深度信息时，将三步相移中的三帧条纹图依次连续循环投影到被测物体表面上，相机同步采集对应的条纹图。在计算投影仪每一焦距值对应的条纹图的调制度分布时，利用该焦距位置及其前后相邻焦距值位置处的三帧条纹图近似计算该焦距位置处的调制度分布，并根据调制度值最大值与深度信息的关系重建被测物体的三维形貌。实验结果表明，所提方法的条纹投影量和数据采集量仅占传统三步相移法的1/3，却可获得与传统三步相移法几乎相同的测量精度。在1100 μm测量深度范围内，相移与焦移法对任意位姿斜面的测量均方根误差平均值可达4.98 μm。
测量 光学微观三维面形测量 调制度测量轮廓术 垂直测量 相移方法 光学学报
2022, 42(15): 1512004
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春30033
2 空军装备部驻某地区军事代表室
3 长春奥普光电技术股份有限公司，吉林长春100
为解决航空遥感相机不同波段目标作用距离计算模型缺乏统一评价标准及工程闭环等问题，开展双波段航空遥感相机目标作用距离评价标准研究及工程应用案例分析。明确航空遥感相机目标作用距离的限制条件，从目标的几何和辐射特性出发。首先根据航空遥感的特点提出了目标三维投影变换关系式，得到任意观测工况下目标的等效观测尺寸；针对可见光、红外双波段点目标和面目标各自不同的辐射成像特点，分别建立了目标作用距离计算模型。接着，结合工程应用示例对不同计算模型的结果进行分析比较，给出了适合航空遥感相机远距离斜视成像条件下选用的计算模型。然后，采用某型航空遥感相机的实际飞行图像中提取的信息，对目标作用距离计算过程中信噪比及调制度的阈值进行了合理选择，并根据修正后的阈值分析了大型舰船和坦克在可见光与红外不同的探测及识别概率下对应的作用距离。分析结果表明：在载机航高18 km，大气能见度15 km，航空遥感相机可见光焦距不低于1.5 m时，可实现在50%的概率下对海面大型舰船的探测距离141 km、识别距离93 km，对陆地坦克等小目标的探测距离105 km、识别距离80 km；在红外焦距不低于1 m的条件下，可实现在50%的概率下对海面大型舰船的探测距离203 km、识别距离140 km，对陆地坦克等小目标的探测距离44 km、识别距离37 km。上述仿真的结果吻合实际，本文的成果可较好应用于工程实践。
航空相机 可见光红外 作用距离 探测识别 信噪比 调制度 对比度 aerial camera visible and infrared operating distance detection and identification SNR modulation contrast
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
为了降低光强探测器面响应非均匀性对高能激光惯性约束聚变(ICF)装置近场参数测量的影响，提出了一种高能激光近场参数测量中的光强探测器面响应非均匀性校正方法。理论方面推导了基于高能激光近场空域评价因子的多点线性定标校正模型，并设计及搭建了高均匀性线性输出的光强探测器面响应非均匀性自动校正装置。为了验证所提方法的有效性，对某型号科学级CCD的面响应非均匀性进行校正，探测器面响应调制度由1.42降至1.08，对比度由0.014降至0.004，相比两点定标方法，采用文中所提方法校正后光强探测器的均匀性大幅提高。结果表明，该方法可为高能激光ICF装置参数测量中的光强探测器面响应均匀性校正提供一种有效的技术手段。
测量 面响应非均匀性 调制度 对比度 measurement non-uniformity of surface response modulation degree contrast 红外与激光工程
2021, 50(S2): 20210215
电子科技大学光电科学与工程学院, 四川 成都 611731
玻璃、透镜等透明物体在光学系统中有广泛的应用,表面质量优劣对系统性能有较大的影响。利用光的偏振特性,提出一种基于偏振透射结构光的表面缺陷检测方法。利用所搭建的透射系统产生偏振透射条纹结构光,该结构光投射到被测物体表面,经被测物体后发生变形;然后采集变形条纹,提取相位信息,解出调制度,得到被测物体的表面缺陷信息。实验结果表明:所提方法能够消除灰尘的影响,并可以有效提高系统信噪比,有望用于平板厚透镜、大曲率光学透镜等透明物体的缺陷检测。
测量 表面缺陷检测 透射光学元件 偏振透射结构光 条纹调制度 光学学报
2021, 41(18): 1812002
中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室, 四川 成都 610209
针对现有同轴检焦方法如临界角法、博科刀口法、针孔法以及像散法等容易受光强变化的影响,且对系统装调有较高要求的问题,提出一种基于差动调制度解析的同轴检焦方法。通过物理光栅对成像空间进行编码,并采用傅里叶变换解析经基片高度调制后的编码图像调制度分布,结合差动探测系统实现对基片高度的精确测量。理论与实验表明,采用数值孔径为0.9、放大倍率为100的物镜,检焦精度优于10 nm。本文所提的检焦方法无需复杂光学元件,具有结构简单、测试精度高等优点,将为新型光刻技术提供一种新的高精度同轴检焦手段。
测量 同轴检焦 光刻 傅里叶变换 调制度
1 滁州学院机械与电气工程学院,安徽 滁州 239000
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
针对迈克耳孙干涉仪中的动镜倾斜问题,通过干涉理论分析了矩形和圆形通光孔径下干涉调制度的影响因素。仿真结果表明,干涉调制度与通光孔径 r、波数 υ?和倾斜角度 θ有关。为了确保干涉仪的性能,干涉调制度应不低于90%。当波长为λ时,矩形和圆形孔径的动镜倾斜角度 θmax应分别小于等于λ/（16r）、λ/（14r）。在动镜倾斜角度控制范围内,用Matlab仿真了单色光对正弦倾斜误差和随机倾斜误差的影响,结果表明,动镜倾斜角度应控制在1″左右,这对光谱仪的结构设计和研制具有一定的参考价值。
光学设计 迈克耳孙干涉仪 动镜倾斜 误差 调制度 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0122001
广西师范大学 电子工程学院, 广西 桂林 541004
在光滑表面缺陷检测过程中, 调制度可以用来标记缺陷位置。为了提高缺陷检测的准确性, 提出了一种基于扇形条纹的调制度检测方法, 该方法对缺陷位置和方向有更高的灵敏度, 适用于多种类型的缺陷检测。首先, 由变形条纹解调得到调制度图, 调制度的高低可判断是否存在缺陷, 再基于调制度图产生新的质量图——调制度-相位梯度偏差质量图, 由此可以识别出缺陷位置。8组对比实验表明, 同一实验环境下, 基于扇形条纹的调制度缺陷检测方法不仅能检测出单一走向的缺陷, 对复合走向的缺陷检测效果也很好, 能更完整地检测缺陷, 同时检测缺陷的精确度达到了0.07 mm。与传统的机器视觉方法和水平/垂直/圆形条纹检测法相比, 本文所提出的扇形调制度法具有更高的灵敏度和准确性。
光学检测 缺陷检测 条纹反射 扇形条纹 调制度 optical detection defect detection stripe reflection sector fringe modulation 光学 精密工程
2020, 28(10): 2112
