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最新刊期
2022 年 第 1 期
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四波段共光轴成像实验平台及其图像融合
摘要：为获取以及充分利用场景的多波段信息，同时为多波段图像算法研究奠定基础，基于非制冷红外焦平面阵列，研制了共光轴分束的可见光+近红外、短波红外、中波红外和长波红外四波段光电成像实验平台。给出了基于四波段光电成像实验平台的图像处理案例，使用现场可编程门阵列完成各路图像的预处理与多波段图像融合。预处理过程主要包括可见光机芯盲元校正以及基于梯度域滤波的中、长波红外机芯的低频非均匀性校正，从而优化各波段的图像质量。双波段和四波段图像融合采用色彩传递的方式对YUV颜色空间中线性组合融合的图像进行色彩增强，得到更佳的自然感彩色融合图像的同时保证了算法的运行效率。使用中、长波红外进行双波段红外测温，室内黑体实验表明，在20~80 ℃内双波段测温的准确度明显高于单波段测温，双波段测温误差小于3.5%，单点温度波动幅度小于0.7%。外场实验结果表明，信息融合图像能有效增强人眼对场景信息的理解。四波段光电成像实验平台能够获得场景的四波段信息，经过图像融合与双波段测温加强了对场景信息的理解。关键词：光电成像;多波段成像;非制冷红外焦平面阵列;图像融合;双波段红外测温- 341
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发布时间：2022-02-15 -
基于数字微镜器件的无掩膜光刻技术进展
摘要：基于空间光调制器的无掩膜光刻是光刻技术重要发展方向之一。近年来，随着数字微镜器件芯片集成度与性能的提高，数字微镜器件无掩膜光刻成为一种主要的数字光刻技术。由于可灰度调制的光反射式“数字掩膜”替代了传统光刻中使用的预制物理光掩膜版，该技术极大地简化了光刻制版流程，提高了光刻的灵活性，广泛应用于平面微纳器件、超材料、微流控器件、组织生物研究等领域。从数字无掩膜光刻原理出发，简要介绍了典型匀光照明系统结构与微缩投影系统结构，进而介绍了面向平面光刻的空间分辨率增强技术、灰度光刻技术以及三维微立体光刻技术的进展。最后，列举了几类典型的数字无掩膜光刻应用，并对其发展方向进行了展望。关键词：无掩膜光刻;空间光调制器;数字微镜器件;分辨率增强;灰度光刻;微立体光刻- 288
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发布时间：2022-02-15 -
分焦平面偏振图像传感器偏振主轴方向的标定
摘要：分焦平面偏振图像传感器的偏振主轴方向对后续使用斯托克斯矢量进行偏振参数解算的结果准确性有重要影响。为了标定该类型传感器，提出一种基于测量分焦平面偏振图像传感器中各偏振主轴方向像素输出平均值所拟合曲线相位差的方法，并对该方法进行了仿真与实际测试。控制照射到传感器表面的线偏振光，按照设定步长旋转若干周期，传感器同时拍摄图片。选定图片的感兴趣区域，并对该区域内同偏振主轴方向的像素值求平均，获得各偏振主轴方向像素平均值随旋转角度变化的序列。使用傅里叶级数拟合法对各序列进行拟合，获得像素输出值随旋转角度变化的表达式。选定一个偏振主轴方向为基准方向，其他偏振主轴方向为该方向表达式与基准方向表达式的相位差。实际测试结果表明：标定值与名义值相差不超过0.1°。该方法的标定精度高、可操作性好，能够较好地完成分焦平面偏振图像传感器偏振主轴方向的标定任务。关键词：测试计量技术及仪器;分焦平面;偏振图像传感器;超像素;偏振主轴- 171
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发布时间：2022-02-15 -
激光分束及高精度指向调节系统
摘要：设计了一种三方向激光分束及高精度指向调节系统，适用于钠荧光多普勒激光雷达高精度的激光光束方向指向控制，以便激光雷达在长距离观测的情况下实现信号的迅速、精确获取。根据光学系统的设计要求，阐述了用于高脉冲能量分束镜、反射镜的光学物理特性以及控制反射镜负载、方向应有的机械特性；采用6个高精度的步进电机结合6个高精度光学二维调节镜架能实现1.18°的角度行程，调节精度可达1.1'，且重复定位成功率达99.3%，实验结果满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求；测试分束后的激光能量损失为11.6%，满足钠荧光多普勒激光雷达的激光能量发射要求。并编写了一套用于激光雷达分束及高精度指向调节系统的控制软件，实现了系统的远程自动化控制。关键词：激光雷达;三分束;能量损失;高精度;自动化控制- 141
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发布时间：2022-02-15 -
基于regionprops函数的并行彩色共聚焦测量系统的三维重构
摘要：针对并行彩色共聚焦测量系统在进行三维重构时质心识别效果差，处理效率低等问题，提出一种高效率、高精度的三维重构方法。该方法首先对三维重构实验得到的所有图像进行目标提取和图像拼接，得到待处理的拼接图像，通过MATLAB的regionprops函数和形态学处理提取拼接后各个被测点的质心及质心连通区域，并利用颜色转换算法进行相应的“H值-高度”转换，最后，比较并结合插值拟合算法实现了物体表面三维形貌的重构。为了验证该算法的可行性，针对一元硬币的“N”字和“E”字进行处理。实验结果表明，该系统的轴向测量范围为80 μm，测量精度可达到微米级别。该算法可以快速有效地实现物体表面三维形貌的还原，相较于传统方法，处理效率提高5~6倍。关键词：三维形貌测量;彩色共聚焦;并行测量;图像处理- 146
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发布时间：2022-02-15 -
超低温条件下光纤光栅温敏系数标定
摘要：为了解决超低温环境下光栅温敏系数标定的可靠性问题，将参考温度计探头和光纤布拉格光栅传感器封装在自主设计的非接触液氮冷却方式的测温模具中，在93～293 K的超低温环境下进行标定实验探究，并利用裸栅的温敏系数和涂层的热膨胀系数来验证本实验设计的可信性。实验结果表明，参考温度计的初始最大温变速率为1.8 K/min，有效降低了测温模具的温变速率，改善了参考温度计与被标光栅之间的温度一致性。裸栅的低温非线性效应导致其温敏系数从9.18 pm/K@293 K降到2.19 pm/K@93 K，室温下有机改性陶瓷材料的热膨胀系数为3.7×10-6 K-1，单边厚度为50 μm的有机改性陶瓷涂层的温敏系数为4.43 pm/K，该涂层光栅在93 K时的温敏系数为7.17 pm/K，显著提高了测温光栅的温敏系数和线性度。关键词：光纤传感;光纤布拉格光栅;有机改性陶瓷涂层;超低温;温度标定;温敏系数- 106
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发布时间：2022-02-15
现代应用光学
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倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片
摘要：为了降低零模波导照明系统的成本、缩小尺寸，设计并完成衍射光栅、光波导以及零模波导的片上集成，并对集成化芯片的微纳结构及性能进行验证。采用时域有限差分法对集成化芯片进行了仿真设计，基于微纳加工手段制备出片上衍射光栅、光波导以及零模波导阵列结构，对微观结构进行表征，并借助荧光微球对芯片的性能进行验证。通过荧光微球测试，制备的集成化芯片可以实现荧光微球的有效激发；通过微观结构表征，衍射光栅周期为（352.8±2.6） nm，齿宽为（155.3±2.4） nm，刻蚀深度为（67.8±3.5） nm；光波导芯层的宽度为（504.05±10.35） nm，高度为（184.9±8.9） nm；零模波导直径为（200.2±6.4） nm，深度为（301.3±7.6） nm，满足设计要求。芯片尺寸为22 mm×22 mm，最小线宽为155 nm，通过8个衍射光栅、约1 000条光波导以及数十万个零模波导阵列结构的片上集成，为零模波导的照明提供了一种紧凑且有效的解决方案。关键词：集成光学;光波导;衍射光栅;零模波导阵列- 138
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发布时间：2022-02-15 -
离心法曲面涂胶的胶层厚度研究
摘要：曝光工艺中经离心涂敷后抗蚀剂胶层的均匀性对曝光线宽有很大的影响。为了得到高速旋转下抗蚀剂胶体在凹面衬底上所形成膜层厚度的均匀性，在凹面衬底上建立了非牛顿流体微元经离心旋转的流体动力学模型。根据对应的边界条件、非牛顿流体的本构方程和连续性方程，推导并得到了流体性质、曲面面形、旋转速度和时间等因素与最终厚度的关系式。使用流变仪对950 K PMMA C 2%抗蚀剂的流体性质进行标定，在凹面衬底上以旋转速度为单一变量进行离心涂胶实验，使用光谱椭圆偏振仪测量离心后随矢量半径变化的胶体厚度，并与理论推导进行对比。实验结果表明：旋转速度在2 000 r/min时，理论厚度为267 nm，实验所测厚度为230 nm，偏差比率为13.86%；旋转速度在3 000 r/min时，理论厚度为178 nm，实验所测厚度为172 nm，偏差比率为3.37%。考虑到涂胶后，前烘工艺会进一步减小胶层厚度，偏差在正常范围内。本文建立的数学模型具有较好的预见性，可以对胶体经旋转离心后的均匀性提供理论指导。关键词：电子束曝光;离心涂胶;非牛顿流体;胶层厚度;曲面- 134
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发布时间：2022-02-15 -
高频高精快刀伺服系统优化
摘要：研制了一款高频响、高精度及大驱动力的压电驱动型快速刀具伺服（Fast Tool Servo，FTS）装置，采用广义圆锥线拟合的柔性铰链构造新颖的柔性机构，通过对称布置的结构消除柔性刀架工作过程中在非期望运动方向的耦合误差，并对机构的运动学特性进行了综合建模。综合考虑装置行程和固有频率的设计目标，基于改进的BP神经网络优化算法，对柔性机构的结构尺寸进行了多目标优化设计。使用优化后的结构参数建立FTS装置的三维模型并通过ANSYS软件进行有限元分析，分析结果表明，优化后的柔性机构可以达到预期性能要求，验证了该优化算法的可行性。最后，进行了实验样机的制造和性能测试，进一步验证了FTS装置的优化设计结果。测试结果表明：FTS装置的固有频率超过7.6 kHz，标称行程约为6.4 μm，分辨率约为12 nm，跟随精度约为0.3 μm，静态和动态性能均符合设计目标。关键词：超精密加工;快速刀具伺服装置;柔性刀架;优化设计;有限元分析- 155
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发布时间：2022-02-15 -
高频激光对化学气相沉积金刚石的大切深实验
摘要：为了提高化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）金刚石的切深，采用新型的声光调制高重复频率激光器，研究了激光功率、焦点位置、激光重复频率、切割线速度以及激光横膜模式对CVD金刚石切缝宽度、切深以及表面粗糙度的影响。研究结果表明：切深和切缝上表面宽随着激光功率的增大而增大；焦点位置随切深的变化下移，可获得最大切深；重复频率的增大伴随着切深的减小和切缝上表面宽的增大；表面粗糙度随着切割线速度的增大先缓慢减小后显著增大；切缝上表面宽随着模式数的增多而增大。综合切深、缝宽和效率，最后在输出基横模下激光功率为12 W，重复频率为6 kHz，切割线速度为1 500 mm/min，焦点位置始终位于切割凹面，获得了效率最快、质量最好的结果，即单向切深最大可达7.2 mm，切面表面的粗糙度为0.804 µm，切缝上表面宽度为350 µm，满足在低切面表面粗糙度下获得CVD金刚石大切深的要求。关键词：激光切割;化学气相沉积金刚石;高频激光;缝宽;切深;表面粗糙度- 138
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发布时间：2022-02-15
微纳技术与精密机械
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机载复杂场景下的低虚警红外目标检测
摘要：机载红外光电探测系统进行下视复杂场景目标探测时，地面虚警干扰源同弱小目标在空间分布上一致，传统算法会导致大量虚警。因此，提出一种基于运动目标特征的多维度特征关联检测算法。该算法首先对复杂场景进行特征点检测，引入基于相对速高比的跳帧机制，对经过图像配准的帧间图像进行差分处理检出候选目标。同时，结合基于核相关滤波的目标相似度方法进行多维多帧关联，进一步抑制虚警并确认目标。实验结果表明，在载机速高比大于30 mrad/s、系统帧时小于10 ms的机载环境下，该算法的平均检测率达到99.13%，虚警率降至10-5。该方法在多种机载复杂场景下得到验证，适合流水并行运算操作，满足工程实践需求。关键词：目标检测;机载环境;运动目标特征;核相关滤波;虚警抑制;并行流水操作- 156
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发布时间：2022-02-15 -
焊接缺陷磁光成像三维轮廓重构识别
摘要：对焊件表面及亚表面缺陷进行无损检测是保证焊接产品质量的关键。提出了一种基于法拉第磁致旋光效应的磁光成像焊接缺陷三维重构方法，实现焊接缺陷形状和大小的识别。基于磁光成像原理分析漏磁场磁感应强度与磁光成像的对应关系，以脉冲激光焊接凹坑（3 mm×0.3 mm×0.25 mm）为研究对象，建立焊接凹坑缺陷三维有限元磁场仿真模型，探索漏磁场磁感应强度分布规律。通过图像数字化技术及磁光成像像素值的分布规律，提取缺陷的二维轮廓信息，并设计梯度-偏差算法构建深度信息，最终获得焊接缺陷的三维轮廓。实验结果表明：缺陷处距离中心点越远磁场应强度越大，场强变化梯度越大处越接近Y轴方向中心点。与共聚焦显微镜获取的缺陷轮廓信息对比，凹坑最大深度均在150~200 μm之间，平均深度及深度中位数相差较小，分别为0.1，2 μm。磁光成像检测技术具有较高的识别精度，可实现对焊接缺陷的三维轮廓重构。关键词：磁光成像;焊接缺陷;法拉第磁致旋光效应;轮廓重构- 134
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发布时间：2022-02-15 -
基于标签预留Softmax算法的机器视觉检测鉴别语义分割迁移学习技术
摘要：面向机器视觉检测鉴别的语义分割卷积神经网络（Convolutional Neural Network， CNN）模型能识别、测量被测对象的零部件、尺寸等特征，针对机器视觉检测鉴别增加识别零部件或关键部位的需求，以及进一步迁移学习会损失CNN模型部分权值的问题，提出一种基于标签预留Softmax算法的语义分割迁移学习技术。研究了机器视觉检测鉴别语义分割迁移学习建模方法，分析指出可尝试选定模型所有权值的微调迁移学习，有助于减小模型初始损失；提出了基于标签预留Softmax算法的微调迁移学习方法，可实现检测对象略有不同的模型所有权值微调迁移学习。在自建数据集上的实验表明，标签预留微调迁移学习技术训练模型达到机器视觉检测鉴别要求的时间由42.8 min减少到30.1 min，算法有效、效果明显；应用实验表明，迁移学习技术可实现标准件安装、漏装、误装情况检测与装配质量鉴别的半监督学习，新机箱迁移学习的训练时间不超过20.2 min，检测准确率达到100%，能满足机箱标准件装配质量检测鉴别的需求。关键词：机器视觉;语义分割;迁移学习;卷积神经网络;微调- 158
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发布时间：2022-02-15
信息科学
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