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最新刊期
2014 年 第 8 期
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显微立体视觉小尺度测量系统的标定
摘要：结合透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法，提出并实现了一种标定显微立体视觉系统光路的方法。首先，通过光刻方法制作了用于显微立体视觉系统标定的标定参考物，并利用待标定系统采集标定参考物不同方位的图像。然后，基于非参数化的光学畸变模型，采用样条曲面计算得到显微立体视觉系统的畸变校正场，并结合透视投影模型建立显微立体视觉系统的完整成像模型。最后，利用光束平差算法对所建立的成像模型进行标定计算和优化调整。搭建了显微立体视觉小尺度测量装置，验证了提出的标定方法的可行性。通过标定获得了测量装置两个光路的焦距和相对方位等参数，并借助于高精度四轴位移台对标定结果进行了精度验证。结果表明，采用本文方法标定后位移测量的精度优于1%，能够满足微胀形实验中三维变形测量的要求。该标定方法也可用于其他显微视觉检测领域。关键词：显微立体视觉;成像畸变;非参数化模型;光束平差;光路标定- 61
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发布时间：2020-08-13 -
无遮拦折反射红外光学系统
摘要：提出了一种新型无遮拦红外折反射光学系统的设计方法以解决原系统存在的中心遮拦问题。分析了传统离轴两反望远系统由于存在线性像散而无法实现无遮拦设计的原因，给出了消线性像散的条件。基于上述条件提出了通过对接共轴透镜组实现无遮拦折反射系统设计的基本思想。最终，通过联接不同的中继镜组完成了无遮拦中波、长波红外系统的设计。设计的应用于制冷型3~5 μm中波和8~12 μm长波红外的两套无遮拦折反光学系统的焦距为200 mm，F数为2，全视场为2.75°×2.2°。各视场光学传递函数显示设计的光学系统的成像质量接近衍射极限。得到的结果表明，利用消线性像散的共焦离轴两反系统与同轴透镜组联合设计，可以得到高性能无遮拦的折反射红外光学系统。关键词：光学设计;无遮拦设计;折反射红外系统;离轴两反光学系统- 124
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发布时间：2020-08-13 -
光纤流量非浸入式测试系统
摘要：提出了一种基于湍流振动原理的非浸入式流量测量方法。该方法通过在油管外壁缠绕特定长度的传感光纤，并在传感光纤两端焊接光纤光栅组成光纤流量传感单元。由于流体流过管壁时湍流产生动态压力，动态压力会导致缠绕在管壁上的传感光纤相位发生变化；通过光纤干涉仪技术、时分复用技术及相位载波调制解调技术解调出相位信息，即可实现流量的在线监测。实验数据分析显示，得到的相位变化与流速呈二次曲线关系，设计的实验系统可实现5~50 m3/h流量的实时在线测量。由于采用光纤作为传感器感知流量信号，该方法结构简单可靠，灵敏度高，避免了传感光纤流量计需要浸入流场的缺陷，是井下流量测试的理想方法。关键词：光纤传感;光纤干涉仪;光纤光栅;流量测量;湍流振动;动态压力- 50
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发布时间：2020-08-13 -
基于光强自标定移相算法检测光学面形
摘要：考虑菲佐型波长移相干涉仪中波长可调谐激光器光强与调节电压之间的关系会对相位计算精度造成影响，本文提出了一种基于光强自标定的波长移相算法。首先，分析了波长可调谐激光器调节电压与输出光强之间的关系，建立了数学模型；然后，依据最小二乘判据，推导出了波长移相干涉仪的光强自标定移相算法。最后，实施了仿真实验，通过计算机生成背景光强具有一定变化的12幅干涉图，利用所提出的算法进行了相位恢复。结果表明，提出的算法可以很好地免疫激光器的光强变化，实现高精度的相位恢复。对口径为100 mm的平面镜的测量结果显示RMS为0.005λ，PV为0.073λ。与ZYGO干涉仪测量结果的比较显示，两次测量面形的偏差RMS为0.0014λ，PV为0.022λ。得到的结果证明了算法的可行性及在菲佐型波长移相干涉仪中的实用性。关键词：菲佐干涉仪;波长移相;移相算法;光强自标定;面形检测- 54
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发布时间：2020-08-13 -
激光辐照下尼龙纤维材料的热烧蚀规律
摘要：为了得到激光辐照下尼龙材料的烧蚀规律，利用红外成像的方法分析了近红外连续激光辐照尼龙材料引起的热烧蚀现象。用摄像机和红外热像仪记录了尼龙材料在烧蚀过程中的主要现象和温度变化过程，并对实验结果与ANSYS仿真结果进行了对比。使用波长为976 nm，输出功率密度为1×105 W/m2、光斑高斯半径为10 mm的光束对尼龙材料进行照射的结果显示：开始时尼龙材料温度迅速上升，发生膨胀，并逐渐熔融分解;随着照射时间的增加，尼龙材料温度变化变缓，熔融部分向光斑边缘退化；当达到一定温度时，材料温度不再升高。由于受光束质量、材料性能不均匀、熔融部分向边缘退化等因素影响，得到的实验烧蚀结果与理论烧蚀结果稍有差异，但基本吻合，验证了实验方法及ANSYS数值仿真方案的可行性。关键词：激光辐照;激光烧蚀;尼龙;红外热像仪;ANSYS仿真- 48
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发布时间：2020-08-13 -
大屏幕投影显示光学系统的超薄化设计
摘要：针对大屏幕投影显示对成像物镜提出的超短焦、大视场角、超薄化、大相对孔径以及高清晰度等要求，设计了一种新型折反射式超薄投影成像系统。采用TI公司的0.65″数字微反射镜片（DMD）作为空间光调制器，利用非球面反射镜校正畸变并缩短投影距离，然后通过一个折叠反射镜对光路进一步转折来实现超薄化投影显示。系统由5片透射镜片和1片非球面反射镜组成，焦距为2.8 mm，F/#为3.5，最小视场角为55°，最大视场角为78.5°，在投影距离为120 mm时画面尺寸显示为65.2″。设计结果表明：在像面的Nyquist频率处，95%以上视场的MTF>0.6，最大畸变量为0.8TV%，一个像元尺寸内能量集中度在90%以上。为了进一步验证折反射式超薄投影镜头的性能，加工并组装了原理样机。实验结果表明其图像显示效果良好，能够满足超薄化、低成本、小型批量化生产等设计要求。关键词：光学设计;投影显示;大屏幕显示;数字微反射镜片;超薄投影显示系统;非球面反射镜- 37
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发布时间：2020-08-13 -
光学掩模实现几何超分辨成像的仿真
摘要：将基于实际CCD模型的频谱编码方法引入光电成像系统，以克服CCD对空间分辨率的限制，实现几何超分辨成像。介绍了光学掩模实现几何超分辨成像的工作原理，基于实际的CCD模型在4f成像系统的频谱面上放置光学编码掩模来提高图像分辨率。对该成像系统模型进行了数学分析，从理论上证明了这种基于实际CCD模型的频谱编码方法的有效性。根据建立的理论完成了基于一维光学编码掩模方法的仿真实验。仿真结果表明：提出的方法能实现几何超分辨成像，解决了光电成像系统中因CCD欠采样造成的物频谱混叠和因像素尺寸非零而造成的低通效应问题。与传统的超分辨方法相比，该方法的系统结构简单、易实现。关键词：几何超分辨;超分辨成像;光学掩模;频谱编码;CCD实际模型- 61
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发布时间：2020-08-13 -
镜面热变形及吹气流场对光束的联合影响
摘要：采用热弹性力学模型、可压缩流体力学模型和标量波动方程，通过数值模拟定量研究了激光系统中高功率密度光束在弹性支撑反射镜上的热沉积造成的镜面热变形以及镜面变形对光束的影响；同时分析了抑制热晕的对称多孔吹气方式在不同吹气速度下通道流场对光束的影响。然后，通过空间顺序耦合得到了两者对光束的联合影响。实验结果显示：在中心固定的弹性支撑条件下，反射镜的镜面变形有效作用面比较平滑，主要表现为镜面总体倾斜导致光束在远场产生的轻微角度偏转基本可忽略或可预调校正，吹气流场在较低吹速下对光束的影响也基本可以忽略；但在较高流速下，流场由于密度非均匀分布加剧，对光束的影响十分严重；二者耦合后对光束的联合影响基本与单独影响一致。关键词：激光系统;光传输;镜面热变形;热弹性力学模型;N-S方程;标量波动方程- 50
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发布时间：2020-08-13 -
基于单压电执行器的光栅刻线摆角修正
摘要：考虑机械刻划光栅刻线摆角对平面光栅衍射波前质量的影响，本文根据光栅机械刻划过程的特点，提出了一种单压电执行器调节方法。该方法可通过不断调节微定位工作台位移，实时修正工作台摆角导致的光栅刻线摆角误差。首先，推导出了微定位工作台位移实时修正公式。接着，采用三路干涉仪实现了微定位工作台摆角测量及其主要成分分析。最后，进行了光栅刻线摆角放大和校正实验。结果显示，摆角放大和摆角校正实验已基本达到了预期的效果，对光栅宽度为10.4 mm且刻线密度为600 line/mm的光栅进行修正后，光栅刻线摆角比校正前降低了64%以上。这些结果表明：采用单压电执行器方法对光栅刻线摆角进行实时修正可有效降低光栅刻线摆角，提高光栅质量；该方法可应用于大面积机械刻划光栅刻线摆角的修正。关键词：平面光栅;光栅刻线;摆角修正;衍射波前;压电执行器- 61
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发布时间：2020-08-13 -
200单元硅基单压电变形镜的设计与测试
摘要：针对天文望远镜对变形镜的需求，设计了200单元级硅基单压电变形镜并对其进行了性能测试。首先，通过有限元方法对单压电变形镜进行结构建模，分析比较了电极排列形式和边界支撑方式对变形镜性能的影响。然后，制备了3款200单元变形镜样机（环形简支，环形固支，六边形简支）。最后，利用干涉仪测量了变形镜的影响函数，并通过激光多普勒测振仪测量其频响特性。仿真与实验结果表明：致动器在50 V电压下变形量可达1 μm，固支条件下谐振频率在1 kHz左右，对前100项Zernike像差具有良好的校正能力。该变形镜在低成本天文自适应光学系统中具有应用潜力。关键词：压电变形镜;硅基变形镜;自适应光学;天文望远镜- 45
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发布时间：2020-08-13 -
1m口径红外测量系统的辐射定标
摘要：为了测量空中目标的红外辐射特性，设计了一套1 m口径红外测量系统的辐射定标装置。给出了红外测量系统辐射定标的数学模型，以腔型黑体和平行光管组合作为标准辐射源，建立了1 m口径红外测量系统的辐射定标系统。考虑该红外测量系统的光谱响应具有选择性，若采用传统辐射定标方法易产生原理误差，故提出了一种基于光栅单色仪和标准辐射计的相对光谱标定方法。给出了该标定方法的数学模型并进行了相对光谱标定。最后，在外场以黑体作为模拟目标进行了辐射特性测量实验。结果表明，应用本文提出的辐射定标方法，1 m口径红外测量系统的辐射特性测量误差最大值为9.5%，比传统方法平均减少了约8.7%，可满足实际项目指标要求，非常适合外场辐射定标的应用。关键词：红外测量系统;辐射特性;辐射定标;光谱响应;单色仪- 66
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发布时间：2020-08-13 -
基于多层氧化膜演化的45#钢激光辐照热响应
摘要：为解决金属材料在激光辐照过程中因时变能量沉积所致的热响应问题，构建了由多层氧化膜生长模型、吸收基底表面多层吸收膜模型和热传导方程组成的能量沉积-热响应时变耦合模型。多层氧化膜包括Fe2O3、Fe3O4和FeO等三层，Fe2O3和Fe3O4氧化膜初期以线性规律生长，后期以抛物线规律生长，其中Fe3O4氧化膜在250℃以上开始生长；FeO氧化膜在570℃后以抛物线规律生长。利用吸收基底表面多层吸收膜模型计算了不同厚度多层氧化膜的反射率；利用热传导方程计算样品温度，联立求解了激光辐照过程中样品温度和反射率的变化历程。最后，建立了积分球反射率测量装置，在线测量了不同功率1.06 μm连续激光辐照过程中45#钢的反射率和温度，实验结果与数值模拟结果吻合较好。关键词：连续激光;激光辐照;45号钢;反射率;热响应;动力学模型- 53
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发布时间：2020-08-13 -
空间成像与激光通信共口径光学系统设计
摘要：针对空间成像系统与激光通信天线同时需要大口径光学系统而使卫星载荷质量增大的问题，提出了一种成像光学系统与收发合一激光通信天线共口径工作的新型光学系统。从像差理论出发，给出了以主次反射镜为共用部分、成像和通信工作在不同视场的共口径光学系统初始结构设计方法。实际设计了共口径光学系统，该系统口径为600 mm，次镜遮拦比为0.225，成像系统的传递函数在50 lp/mm时大于0.47，接近衍射极限；发射分系统波像差远小于λ/20，发射激光的最小束散角可达4 μrad，出射光斑质量良好；接收系统达到衍射极限，光斑远小于探测端面，满足探测要求。最后，进行了公差分析，给出了光学系统的装调方法。该设计通过共用主次镜减少了系统总质量和总体积，同时满足空间成像和激光通信系统的性能要求。关键词：共口径光学系统;卡塞格林天线;遮拦比;空间成像;激光通信- 69
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发布时间：2020-08-13
现代应用光学
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TiNi形状记忆合金/钛合金异种材料激光焊
摘要：由于TiNi合金与钛合金的物理和化学性能差异较大，故其焊接性较差，焊缝区易形成大量的金属间化合物并产生裂纹。为实现上述材料的良好连接、提高接头性能，本文对采用激光焊连接0.2 mm厚TiNi形状记忆合金和TC4钛合金异种材料进行了探索。分别采用直接对接焊和手工填丝焊的方法，研究了焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明，直接对接焊时焊缝中心产生了纵向裂纹；手工填丝焊则通过合适的焊接工艺，改善了焊缝成形，避免了裂纹的产生。较优的焊接工艺参数为功率百分比18%、脉冲宽度3 ms、脉冲频率3 Hz；在界面区，Ni与TC4形成的过渡层宽度约为2 μm，Ni与TiNi形成的过渡层宽度约为0.5 μm。接头最大抗拉强度为332 MPa，断裂位置发生在靠近TiNi侧的熔合线附近。关键词：TiNi形状记忆合金;TC4钛合金;激光微焊接;对接焊;手工填丝焊- 60
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发布时间：2020-08-13 -
光阑用螺纹式超声电机
摘要：研制了一种新型螺纹式空心超声电机，用于驱动光阑并控制和调节光束。由于光阑仅需有限角度转动，故采取螺纹方式连接超声电机定子和转子来施加轴向预压力和实现转子周向运动的耦合。电机仅由转子、定子和底座组成;其中转子与光阑定圈固定，实现了与光阑的一体化设计。运用有限元软件对定子进行了模态分析，选定工作频率为38.26 kHz。受可加工螺纹螺距尺寸的限制，电机轴向运动使电机预压力变化较大，电机转动角度小，不能驱动光阑完成闭合或开启，故对转子进行了柔性化设计。仿真实验表明，在转动90°范围内，定、转子预压力变化在27%之内。试验研究表明：设计的电机定子振动特性良好，干扰模态距工作模态5 kHz以上；阻抗值变化不超过10%。得到的结果验证了预压力变化对电机影响小；电机驱动光阑开启时间为5 s，闭合时间为4.4 s，开启、闭合直径与电机运行时间呈线性关系。该空心电机满足了光阑调节需求，具有结构简单、零部件少等特点。关键词：光阑;超声电机;螺纹式电机;空心结构- 91
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发布时间：2020-08-13 -
基于卡尔曼滤波器的交流伺服系统自适应滑模控制
摘要：为了减小负载转矩扰动和系统参数摄动对永磁同步电机控制系统的影响，提出了一种基于卡尔曼滤波器的自适应滑模速度控制器。该控制器由自适应律估计参数摄动项，用卡尔曼滤波器估计外部扰动项。设计了含积分作用的滑模面，以保证电机转速的无静差跟踪;采用了指数趋近律，以提高趋近速度并削弱抖振。卡尔曼滤波器估计得到的系统外部扰动前馈补偿至控制器的输出，用于有效降低滑模控制器的不连续切换项造成的系统抖振。实验结果显示：跟踪设定的600 r/min转速时，控制器稳态转速精度达到±1 r/min。电机在以600 r/min稳速运行时，设计的控制器在1.6 N·m的外部转矩扰动下的最大转速波动比传统PI控制器的转速波动减小了2% 。仿真分析和实验数据表明基于卡尔曼滤波器的自适应滑模控制器对交流伺服控制系统具有较强的抗扰动性、鲁棒性以及良好的稳态性能。关键词：永磁同步电机;交流伺服系统;自适应滑模控制;卡尔曼滤波器;转速控制- 59
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发布时间：2020-08-13 -
基于二氧化硅溅射的PMMA和PDMS亲水改性
摘要：为了提高以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为材料的微流体通道的浸润性，通过溅射SiO2对PMMA和PDMS进行了表面亲水改性处理。首先，对PMMA和PDMS进行氧等离子刻蚀，改变其表面形貌;然后，溅射SiO2进行表面亲水改性处理，由不同溅射时间得到不同厚度的SiO2薄膜。在亲水处理后一段时间之内对PMMA和PDMS表面分别进行接触角测量，评价不同条件下的改性效果，并对改性后的样片进行黏接性测试。结果表明：氧等离子刻蚀后，溅射时间10 min以上的PMMA表面可在10天内保持极亲水的状态；溅射时间15 min后的PMMA在35天之内接触角不超过10°；PDMS的亲水性可保持10天，接触角不超过60°；高温老化处理能延缓PDMS表面疏水性的恢复。实验结果显示：氧等离子刻蚀之后，溅射SiO2的方法可使PMMA和PDMS获得较长时间的表面亲水改性效果。另外，亲水改性处理后的PDMS之间仍可实现有效黏接，改性PMMA与未改性PDMS也能有效黏接。关键词：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）;聚二甲基硅氧烷（PDMS）;亲水改性;溅射;二氧化硅;等离子刻蚀- 57
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发布时间：2020-08-13 -
微缩投影系统的计算机辅助装调
摘要：为了解决主次镜结构的微缩投影系统在计算机辅助装调过程中的补偿器耦合问题，实现补偿器的合理筛选，介绍了一种基于光学系统敏感矩阵奇异值分解的计算机辅助装调算法。建立了微缩投影系统装调模型，针对算法和模型开展了计算机辅助装调实验。用光学软件CODE V建立了光学系统模型，采用零位补偿器检测获得了非球面元件面形；基于灵敏度矩阵的分析结果指导微缩投影系统优化，并将优化后的结构参数作为系统光机结构机械装配和定位的基准。新建立的系统装调模型更接近实际装调过程，能更有效地指导装调，解决了补偿器间的耦合问题，加快了装调过程的收敛。最后，基于自行研发的高精度干涉仪完成了计算机辅助装调实验。实验显示系统波像差由46.39 nmRMS收敛至20.73 nmRMS，验证了装调算法和模型的准确性。关键词：微缩投影系统;集成装调;计算机辅助装调;敏感度矩阵;奇异值分解- 60
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发布时间：2020-08-13 -
热压硫化锌的超精密磨削加工
摘要：针对用传统车削或研磨抛光方法加工大尺寸非球面热压硫化锌透镜存在的不足，采用金刚石砂轮磨削加工方法对热压硫化锌材料进行了加工实验。通过压痕、单颗粒金刚石刻划和磨削正交实验，研究了该方法在磨削加工过程中的塑性域去除机理及其亚表面损伤情况，并优化了超精密磨削加工工艺参数。压痕实验发现热压硫化锌材料在载荷作用下易于出现径向裂纹和微裂纹，其断裂韧性为2.643842 MPa/m1/2，临界切削深度为1.808 μm。单颗粒金刚石刻划实验结果表明，热压硫化锌材料在较小的切削深度下可以实现塑性域去除，但在机械去除过程中易出现多种形式的亚表层损伤。磨削实验结果表明，磨削深度是影响表面光洁度的主要因素，随着磨削深度的增大表面光洁度降低，最佳表面粗糙度为7.6 nm。工作台进给速度是影响面形精度的主要因素，且平面磨削的面形精度PV值为0.185~0.395 μm。研究结果表明，磨削加工热压硫化锌材料可以获得纳米级表面粗糙度。关键词：热压硫化锌透镜;压痕实验;临界切削深度;单颗粒刻划;平面磨削;亚表面损伤;表面质量- 64
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基于数字化3D技术的股骨假体再设计与激光选区熔化制造
摘要：研究了基于数字化3D技术的全膝置换股骨假体再设计并通过激光选区熔化（SLM）技术直接制造了股骨假体，以满足医学上对全膝置换股骨假体的高适配性要求。对一名患者的全膝关节CT连续断层图像提取股骨3D模型，根据骨科医生手术规划进行了数字化3D解剖与测量，并据此对目前商业化的假体进行了重新设计。然后，利用SLM技术直接制造了再设计完成的3D股骨假体模型，并讨论了制造工艺参数、机械性能、空间优化摆放位置以及成型精度等关键技术。实验结果显示：依据患者股骨远端解剖参数可完成股骨假体的3D模型再设计并可利用SLM技术直接制造出股骨假体，单个股骨假体成型时间为5.2 h，成型精度标准偏差为0.030 mm，成型致密度达到99.02%；热处理后成型性能优于美国实验材料学会（ASTM） F75的铸造标准。得到的结果表明该项技术可以快速制造完成患者所需要的股骨假体，且成型性能优良。关键词：数字化3D技术;增材制造;激光选区熔化;股骨假体;成型性能- 46
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用于空间望远镜的膜光子筛
摘要：针对空间衍射成像系统对大口径、结构轻量化、空间可展开等特性的要求，设计并制作了用于空间望远镜的新型衍射元件——PI薄膜光子筛。首先，分析了光子筛的设计理论;针对空间应用的特点和原则，采用振幅型光子筛的设计思路给出设计参数；用UG软件设计并加工制作了光子筛的机械固定结构。然后，通过镀膜、光刻、刻蚀等微细加工工艺制作了PI薄膜光子筛。最后，测试了光子筛的衍射效率及成像性能。实验结果表明：光子筛在波长632.8 nm处的实际衍射效率为4.916%，是理论值的73.9%。使用He-Ne激光器，选取10 μm的星点孔进行星点检测，得到了理想的艾里斑图像，其直径为176.70 μm，与理论极限值169.84 μm的误差仅为4.04%。搭建了分辨率板成像实验，测得薄膜光子筛的实际最高分辨频率为12.2 lp/mm，接近理论极限空间频率14.4 lp/mm，表明实验结果与理论分析基本相符。与其它刚性材料基底制成的光子筛相比，采用PI薄膜制作的光子筛不仅重量轻，同时具有较好的成像性能，可以满足空间望远镜主镜的应用要求。关键词：空间望远镜;衍射元件;PI薄膜;光子筛;衍射效率;成像性能- 55
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温度变化下的伺服系统非线性摩擦建模
摘要：针对机械伺服系统因温度变化产生的非线性摩擦变化，提出了一种反映温度因素的摩擦建模方法来实现对伺服系统的摩擦补偿。首先，分析了温度和摩擦的关系，并结合修正黏性摩擦的LuGre模型，讨论了该模型各参数与温度之间的关系。利用单隐层BP神经网络描述了随温度变化的各个参数，并确定了神经网络的输入、输出以及传递函数。然后，通过神经网络训练获得神经网络参数，从而得到与温度相关的摩擦模型。最后，改变运行条件，验证了提出的模型对摩擦的估计能力。建立的摩擦模型在不同运行条件、不同温度状态下的最大相对估计偏差小于2.5%，表明其能很好地估计系统摩擦力矩，满足高精度摩擦补偿。关键词：伺服系统;温度变化;非线性摩擦建模;LuGre模型- 57
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X射线干涉光刻光束线偏转镜系统的设计与测试
摘要：介绍了上海光源X射线干涉光刻（XIL）光束线的基本情况。为实现光束线的光束偏转和光路切换，完成了其偏转镜系统的研制。分析了偏转镜系统的功能，设计了偏转镜的调节机构、切换机构和冷却结构。论述了调节机构的关键运动，即镜箱外直线运动转化为超高真空内旋转运动的实现过程；讨论了切换机构重复精度与承载能力之间的关系，并完成了精密丝杆的校核。采用镜子支撑方式和冷却方式集成的方案设计了冷却结构，并通过数值模拟分析了冷却结构和冷却效果。模拟结果表明镜子子午面形误差和弧矢面形误差分别约为6.5 rad和7 rad。应用激光干涉仪和光电自准直仪对调节机构和切换机构进行了测试，结果表明：调节机构的线性分辨力可达0.2 μm，切换机构的重复精度满足设计要求。关键词：上海同步辐射光源;X射线干涉光刻;偏转镜;结构设计;精度测试- 67
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基于电活性聚合物薄膜柔性器件的触觉传感特性
摘要：针对电活性聚合物（EAP）薄膜制造柔性智能器件的发展要求，分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理，采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极，然后构建了柔性传感器件。实验研究了EAP柔性器件的手指关节弯曲姿态及脚踏运动触觉的传感特性。扫描电子显微（SEM）形貌观察表明：碳纳米管薄膜呈网状结构且质地致密均匀。基于EAP柔性器件的手指弯曲姿态实验结果表明：在手指弯曲度为15~90°时，输出电压峰值为1.2~3.7 V，展示了输出电压峰值与手指弯曲度之间的高线性度，线性相关系数为0.9951。此外，采用EAP薄膜器件对踏步触觉进行了实验测试，其输出电压峰值在1 V左右，而且具有响应快、可重复性好等优势。本文的研究为电活性聚合物薄膜型电子皮肤及触觉传感器的发展提供了理论基础和实验依据。关键词：电活性聚合物薄膜;柔性器件;碳纳米管;手指弯曲姿态;触觉传感- 43
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发布时间：2020-08-13 -
微流控细胞芯片LED诱导透射式荧光检测微系统
摘要：构建了用于微流控细胞分析芯片的发光二极管（LED）诱导透射式荧光检测微系统，以克服现有荧光检测系统体积大、能耗高，以及激发光光路、检测区域和荧光收集光路间光学耦合效率低等问题。该系统的激发光光路和荧光收集光路互成135°，LED发出的激发光经透镜聚焦和激发光滤色片滤光后，经直径为200 μm的小孔光阑限束，然后投射到微流控芯片通道末端的检测区域;产生的荧光及杂散光经加工后置于微流控芯片底部的发射光高通干涉滤色薄膜后，被光电倍增管收集。以HepG2肝癌细胞为测试样本对该荧光检测微系统的有效性进行了评测，结果显示：当LED工作电流为200 mA，PMT控制电压为3.5 V时，可产生与背景噪声明显区分的峰值信号;用250 s观测时间得到了8个平均峰高为0.7 V的峰值信号，与荧光显微镜观察结果一致，实现了细胞的在线计数检测功能。提出的系统为新型微全细胞分析提供了一种新的技术途径。关键词：荧光检测;发光二极管（LED）;透射式光路;微流控芯片;细胞计数检测- 48
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发布时间：2020-08-13 -
压电式喷头的微滴喷射行为及其影响因素
摘要：设计并加工了一种压电式微滴喷头，并在微滴喷射平台上进行了微滴喷射实验，用CCD相机拍摄到了液滴形成的整个过程。通过激光位移测量平台测量了压电片的振荡曲线，并将位移曲线输入流体模拟求解器，用两相的方法模拟出了微滴形成的过程。模拟显示液滴的形成时间，大小，形状和速度与实验结果拟合得很好。通过对比液滴的形成过程与压电片的振荡曲线，发现主液滴在压电信号为高电平时，已经脱落了微滴喷嘴，基于此提出了通过改变高电平时间和增加压电片的自由振荡衰减阻值提高微滴喷射最高频率的方案。通过微滴喷射行为模拟，解释了微滴喷射实验中出现两条液滴的原因，并通过改变喷腔结构和改变液体黏度，找到了减少额外液滴出现的途径。关键词：压电喷头;微滴喷射;衰减振荡;喷射频率;黏度- 69
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发布时间：2020-08-13 -
月基光学天文望远镜反射镜转台的设计
摘要：为了在月球上完成天文观测任务，对月基反射镜二维跟踪转台进行了热力学分析及结构设计。采用航天轻量化法设计反射镜的二维转动机构以减少载荷重量；采用外转子机构实现垂直轴系以大大提高系统沿发射方向的一阶模态。由于水平轴系跨度较大，设计中采用了一端固定另一端游动的精密轴系，并通过合理设计深沟球轴承游隙有效解决了温度变化导致的转动机构卡死的问题，进一步提高了机构的可靠性。为了满足精度要求，系统采用蜗轮蜗杆+步进电机驱动方式，严格控制蜗轮蜗杆的加工及安装工艺。在控制中以光电开关为位置定位元件，使得转台的单轴指向精度优于60″。验证试验显示：系统发射方向的一阶谐振频率达到81 Hz，它可在-25℃ ~+60℃温度下正常工作，其指向精度（方位及俯仰）≤60″。结果表明该转台具有精度高、力学性能好、可靠性高、重量轻等特点。关键词：月基天文望远镜;反射镜转台;轻量化设计;指向精度- 46
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发布时间：2020-08-13 -
紫外压印长波红外亚波长结构的涂胶工艺研究
摘要：采用旋涂法进行了Si表面紫外固化胶涂布研究，并压印出了长波红外亚波长结构图形。用激光共聚焦显微镜观察了旋转涂布胶层的表面形貌，测量了表面粗糙度（Ra）;用椭圆偏振仪测试了胶层厚度，扫描电子显微镜观察了压印图形的表面形貌，并用扫描探针显微镜测量了压印图形的结构高度。结果显示：当匀胶转速较小（如300 r/min）时，胶层中不会产生气泡及针孔等缺陷，胶层的Ra小，但胶层均匀性差；提高转速可以改善胶层均匀性，但同时胶层中会产生大量气泡和针孔等缺陷，且它们不会随匀胶时间的延长而消除。文中提出用四转速匀胶法来同时解决胶层均匀性和膜层气泡等问题，获得的胶层无气泡，Ra为317 nm时与Si衬底表面相当（324 nm），均匀性（最小厚度值与最大厚度值之比）为89.17%，胶层平均厚度为626 nm。结果表明：四转速涂胶法获得的胶层满足紫外压印长波红外亚波长结构的要求，压印的图形均匀、完整、保真性好。关键词：紫外压印;亚波长结构;涂胶;表面粗糙度;气泡;针孔- 62
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发布时间：2020-08-13
微纳技术与精密机械
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太赫兹Gabor同轴数字全息二维再现像复原
摘要：提出结合分段对比度拉伸变换（PCST）和基于块的局部最优维纳（PLOW）滤波算法进行太赫兹Gabor同轴数字全息二维再现像图像复原的方法。分别介绍了PCST和PLOW的工作原理，给出了PCST-PLOW组合滤波算法的工作流程。对真实的2.52 THz数字全息再现像进行了去噪处理，并对每一处理过程进行了对比分析。比较了PCST节点对增强效果的影响，其节点的起点和终点分别根据直方图和图像均值确定。对真实太赫兹再现像的处理结果显示：去噪处理后的40帧平均全息图再现像的整体标准差由0.184 9提升到0.307 4，均值与标准差的比值由1.720 8提升到2.268 8。得到的结果表明所用方法明显抑制了噪声，同时提高了图像对比度。关键词：太赫兹成像;图像复原;数字全息;基于块局部最优维纳滤波;分段对比度拉伸变换- 62
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发布时间：2020-08-13 -
基于模式复杂度的深度视频快速宏块模式选择算法
摘要：为了降低深度视频编码的复杂度，提高深度视频编码的效率，本文利用深度视频纹理复杂度的一致性，提出了一种深度视频快速宏块模式选择算法。该算法首先对不同区域模式复杂度进行分析，定义一个宏块模式复杂度因子，根据该因子将深度视频划分为简单模式区域和复杂模式区域。然后，分析深度视频的宏块模式分布情况及宏块模式选择的相关特性，为提出的算法提供理论依据。最后，根据模式区域选择相应的编码策略完成深度视频宏块模式的快速选择。实验结果表明，提出的算法在几乎不影响编码率失真性能及保证绘制质量的情况下可明显降低计算复杂度，能节约65.57%~92.72%的编码时间；而在低码率的情况下节约的编码时间会更多。因此，该算法在较低网络带宽限制下更加有效。关键词：深度视频;模式选择;模式复杂度;复杂度因子;率失真性能;绘制质量- 48
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发布时间：2020-08-13 -
面向目标检测的空间观测图像精确配准
摘要：针对空间目标检测对图像配准精度的要求，本文组合Fourier-Mellin变换和加速鲁棒特征变换（SURF）算法来实现对空间观测图像的精确配准，并研究了该配准算法所涉及的变换模型、特征提取、特征匹配和配准精度等问题。该算法首先利用Fourier-Mellin变换计算图像旋转角度的整数值，根据整数角度将待配准图像反向旋转；然后利用SURF算法检测两幅图像的匹配特征点；最后利用最小二乘方法计算旋转角度的浮点值和平移量，而整数角度与浮点角度之和就是待配准图像的实际旋转角度。文中分析了SURF特征点检测与图像尺寸、DoH响应阈值以及尺度空间层数之间的关系。实验结果表明：提出的算法对图像旋转角度估计值的均方误差为0.0077°，50组实拍图像中星点质心均方误差的平均值为0.1353 pixel，能够满足空间目标检测对图像配准的精度要求。关键词：空间观测图像;图像配准;Fourier-Mellin变换;加速鲁棒特征（SURF）算法;配准精度- 56
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基于非下采样Contourlet变换系数直方图匹配的自适应图像增强
摘要：由于非下采样Contourlet变换（NSCT）域图像增强方法需要手动调节参数，无法实现自适应增强，本文将直方图均衡化和NSCT域增强相结合，提出了一种基于NSCT系数直方图匹配的自适应图像增强算法。该算法首先对低对比度含噪原图像进行直方图均衡化，然后对原图和直方图均衡化后的图像分别进行NSCT分解，得到低频子带系数和各高频方向子带系数。对低频子带，将原图的低频子带系数直方图匹配到直方图均衡化后图像的对应系数直方图上。对各个高频子带，则先进行阈值去噪，再将原图的各个高频子带系数直方图匹配到直方图均衡化后图像的对应系数直方图上。最后，经NSCT重构得到增强后的最终图像。实验结果表明，本文方法增强效果明显优于直方图均衡化，与Contourlet变换增强法相比，实验所采用的两组图像的图像评价函数（EMEE）值分别提高了24.05%、16.97%、13.29%和20.63%，且与NSCT域非自适应增强法（人工选取参数）的处理效果相当。该方法无需手工调节参数，具有自适应性和实用性强的优点。关键词：图像增强;图像去噪;非下采样Contourlet变换;系数直方图匹配;自适应图像增强- 73
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发布时间：2020-08-13 -
基于自抗扰控制技术提高航空光电稳定平台的扰动隔离度
摘要：提出一种基于电流环的自抗扰控制新方法以进一步提高航空光电稳定平台的抗干扰能力。首先，利用电流环将硬件电路中复杂的电机模型简化为一阶模型，从而减小了由于参数过大噪声对扰动观测值的影响；然后，采用带宽单参数化的设计方法为简化后的一阶系统设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制规律；最后，在飞行模拟转台中测试了自抗扰控制器对2.5 Hz以内任意频率扰动的抑制能力，并与目前航空光电稳定平台中常用的平方滞后超前校正方法进行了对比。实验结果表明：与传统的平方滞后超前控制器相比，采用自抗扰控制器后系统的扰动隔离度至少提高了6.56 dB；而且随着扰动频率大于0.5 Hz，自抗扰控制器的扰动抑制能力更为明显，扰动隔离度最多可提高12.03 dB。同时，自抗扰控制器具有很强的鲁棒性，允许被控对象参数在15%的范围内任意变化，可满足高精度航空光电稳定平台的性能要求，对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。关键词：航空光电稳定平台;自抗扰控制器;扩张状态观测器;扰动补偿;扰动隔离度;电流环- 60
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发布时间：2020-08-13 -
基于四轴飞行器的单目视觉避障算法
摘要：针对四轴飞行器平台上单目视觉避障算法实时性不够，准确率不高的问题，提出了一种新的基于金字塔LK（Lucas-Kanade）光流与平移光流融合的单目视觉避障算法并给出了这一方法的数学推导过程。在配有320 pixel×240 pixel摄像头的ArduCopter 四轴飞行器上开发和实现了该算法，并进行了多次飞行测试验证了算法的可行性与有效性。在飞行器自主飞行过程中，采用消失点进行导航，并结合神经网络PID对其进行飞行自适应控制。与单目即时定位与地图构建（SLAM）避障算法、Horn-Schunck光流避障算法以及图像分割避障算法比较了算法的实时性和准确性，结果显示：本算法具有实时性好和准确率高的优点，可以满足实际工程中四轴飞行器的实时避障要求。关键词：四轴飞行器;单目视觉;避障算法;金字塔LK算法;平移光流;融合光流- 41
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发布时间：2020-08-13 -
空间立体角“准均匀分布”导航星表划分
摘要：为了建立更高性能的导航星表，分析了现有导航星表划分方法的优缺点，提出了一种合理划分导航星表的新方法。该方法以块空间立体角“准均匀分布”为原则，以天球赤道某区域所对应空间立体角大小为基准，将全天球依序划分为若干个子块，从而实现了一种分布均匀性更好的导航星表。仿真实验数据表明：以赤道上15°×15°所对应空间立体角为例，按空间立体角“准均匀分布”法划分天球后，最大子块和最小子块所对应的空间立体角变化范围相差22.86%，均方根（RMS）值为0.060 3，其均匀性远高于内接正方体法划分天球的均匀性。该方法为验证星图识别环节中模拟星图的快速生成和进一步筛选导航星奠定了基础。关键词：导航星表;星敏感器;星图识别;空间立体角- 45
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发布时间：2020-08-13 -
基于3线阵探测器的亚像元成像超分辨率重构
摘要：虽然增加探测器的时间和空间采样频率可以提高亚像元成像系统空间分辨率，但探测器采集到的数据易发生混叠，使重构得到的图像的分辨率无法达到理想值。本文以3片线阵探测器亚像元成像为基础，提出一种超分辨率重构算法。首先，在高分辨率网格上建立插值模型；然后，辨识插值重构图像在线阵列方向和扫描方向的模糊核，得到整幅图像的模糊核；最后，采用带有Neumman边界条件的梯度平滑正则化模型去除模糊，抑制振铃效应。实验结果表明，该算法使亚像元成像系统分辨率为单线阵探测器无过采样成像系统分辨率的2.6倍；与双线性插值法相比，平均灰度等级（GMG）提高了7.71。该算法可以进一步实现对更多片线阵探测器亚像元成像的超分辨率重构，获取更高的系统分辨率。关键词：三线阵探测器;亚像元成像;采样频率;空间分辨率;超分辨率重构- 44
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发布时间：2020-08-13 -
基于Harris角点的矩形检测
摘要：为了快速精确地对矩形进行识别和检测，开发了一套图像采集系统，并提出了基于改进的Harris角点检测法的快速矩形识别算法。首先，只针对多种角点中的L型角点进行快速检测，并通过亚像素级后处理提高角点的位置精度。然后，根据得到的高精度角点位置信息，任意组合角点并遴选相互平行且长度相等的直线段组，从而匹配出相互垂直且四个角点重合的平行直线段；将其作为矩形的四条边，进而循环识别出图像中所有的矩形元素。提出了伪矩形图形元素的甄别判据，以提高算法的精确度和可靠性。实验结果表明：分别用基于Harris角点和基于Hough变换的矩形检测算法处理同一图片时，前者的运算速度为后者的9.5倍；其图像识别精度能达到亚像素级，最大误差为0.4 pixel。该算法满足工业应用中高实时性、高精度的要求，并且稳定性好，抗干扰能力强。关键词：计算机视觉;矩形检测;角点检测;图像处理- 58
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发布时间：2020-08-13 -
利用圆心不对称投影精确标定工业相机
摘要：工业相机常采用基于圆形控制点的方法进行标定，但该方法存在不对称投影问题，极易产生标定误差。为了避免引入不对称投影误差并能以迭代方式修正这一误差，本文提出了一种利用圆心不对称投影所蕴含信息的相机标定方法。首先，推导了平面模板上的圆形控制点投影成为椭圆之后的理论坐标；然后，提取每一幅标定板图像中实际椭圆的中心坐标，通过最小二乘算法求得该幅图像对应的精确投影变换矩阵；最后，利用所有的投影变换矩阵求出相机内参数。实验结果表明：采用本文提出的标定方法，标定结果的重投影误差降到了1/50 pixel。该方法可一次完成标定，计算简单，标定精度高，适用于工业相机的标定。关键词：工业相机;相机标定;不对称投影;投影变换矩阵;重投影误差- 53
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发布时间：2020-08-13 -
椭圆轨道TDICCD相机像移匹配计算与成像验证
摘要：针对椭圆轨道卫星地心距和前进速度时刻变化对航天时间延迟积分（TDI） CCD相机成像的影响，提出了一种矢量映射分析方法来计算椭圆轨道时变的像移速度矢量。通过建立不同的坐标系，将椭圆轨道卫星在轨运行速度和地物随地球自转的线速度映射至TDI CCD相机像面坐标系。以某临界回归椭圆轨道为例，计算了影响航天TDI CCD相机成像的像移速度矢量和数据读出频率。最后，利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机对提出的像移速度矢量映射分析方法进行了实验验证。结果表明：临界回归椭圆轨道一个周期内，参数按照等比缩放原则配置时，对应的偏流角、像移速度矢量和靶标移动速度分别为-3.76~3.22（°）、0.1673~0.72 mm/s和19.12~82.24 pixel/s，获取的图像能够满足1~2 peixl的目标分辨率。实验结果说明，用提出的方法计算像移速度矢量结果准确，可为椭圆轨道航天TDI CCD相机成像匹配提供可靠依据。关键词：椭圆轨道;时间延迟积分CCD相机;像移速度矢量;矢量映射;数据读出频率- 59
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发布时间：2020-08-13
信息科学
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