基于Mirau双光束干涉,研制了检测微表面形貌的Mirau相移干涉轮廓仪.柯拉照明提供被测面均匀的照明,干涉成像系统是长工作距无限筒长干涉显微镜结构,由Mirau干涉物镜和镜筒透镜组成.物镜由光焦度较大的正光组和光焦度较小的负光组组成.轮廓仪的放大率为-10,数值孔径为0.3,工作距5 mm,视场0.64×0.48 mm2,中心遮拦0.129.相移器为电容式闭环控制的压电陶瓷传感器.通过6幅光纤连接器端面的干涉图,经6步相移法得到其表面形貌.实验结果表明,Mirau干涉轮廓仪的横向分辨率为0.875 μm,垂直方向的测量范围为5.3 μm,重复测量精度为1.7 nm.

针对微小面积及'盲孔'底面形貌,提出了一种基于直接成像原理的多功能光电检测系统.主要阐述了其光学系统设计思路,即内窥式镜头与显微系统相结合,观测与微扫描相结合.物镜部分采用内窥式探头,可深入内径2.5mm的盲孔内部,数值孔径不受微孔尺寸限制,从而提高了系统分辨力,达到600lp/mm.利用平行平板光学测微器,寻找和瞄准微孔内观测表面的微小细节,可将±0.1mm范围内的被观测目标定位到视场中心.

提出了一种非接触内窥式微面形貌探测镜,分析了其光学系统的装配误差对实际成像位置的影响.利用几何光学原理,计算了三种装配误差与实际成像位移之间的关系.给出了满足CCD成像分辨率要求的位置调整范围,推导出透镜的装配误差范围,达到成像清晰、系统分辨率高的目的.

偏振耦合对光纤陀螺的系统性能有直接影响.设计了光纤寄生偏振耦合测试仪(DPCA)中的高精度数据采集电路.通过FPGA控制步进电机的扫描以及AD转换器的数据采集.对FPGA内部功能采用集中控制的设计方法,简化了系统设计.

研究并设计实现了微形貌测量白光扫描干涉仪系统和光纤偏振耦合点监测白光扫描干涉仪系统.前者采用Mirau相移干涉形式,用压电陶瓷传感器PZT作移项器,主要用于微形貌测量,精度可达nm量级.后者采用光路补偿白光Michelson干涉形式,用格兰棱镜对偏振态进行调整控制,用移动参考臂来补偿由于耦合点所造成的光程差,光纤寄生偏振耦合测试仪的空间分辨率达到50 mm,测量范围达到1 km,探测灵敏度不小于-80 dB(耦合模式与主模式的功率比).

基于相移干涉理论设计并实现了微平面三维形貌测试系统,针对三维形貌检测解包裹过程中出现的问题,改进了现有的残差点判断法,能够更加准确、快速地确定残差点的存在.对相位解包裹算法进行了系统研究,分析了干涉图中残差对相位解包裹的影响,提出了一种基于二阶导数的区域增长解包裹算法.在实际测量中,最终结果得到了明显的改善,证明了该方法的有效性,提高了系统精度.采用此算法,系统的纵向测量误差小于2 nm.

本文设计一种口腔内窥镜，以满足牙科医学应用。整个系统主要由成像系统、照明系统、图像显示及处理系统三个部分组成。系统具有显微放大的功能，并且亮度及色温可调。文中利用光学软件设计、优化了光学成像系统，给出了系统像差曲线，并构造了光学照明系统。论丈结尾使用口腔内窥镜对两种牙齿模型进行了测试实验，系统成像分辨力高于100lp／mm，图像清晰，可以观察到牙齿表面的细节。实验结果表明，系统能够满足牙科医学使用要求。