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最新刊期
2022 年 第 6 期
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Hadamard编码红外光谱成像系统设计
摘要：在空间调制型哈达玛变换光谱成像仪（Space Hadamard Transforms Spectral Imager， SHTSI）中采用数字微镜阵列（Digital Mirror Devices， DMD）作为编码器件，能够使系统实现小型化、轻量化、高分辨率、高帧频成像。但由于DMD的翻转特性，经过DMD编码后的光学成像面发生12°倾斜，导致SHTSI成像光路和制冷型探测器冷光阑不匹配，造成视场缺失和图像降质。针对这一问题，本文提出一种像面预补偿的新型哈达玛编码光谱成像系统设计方法，在前置成像镜组中采用倾斜和偏心的设计，使得一次像面实现24°倾斜，对DMD在调制过程中产生的像面倾斜进行预补偿，从而消除倾斜成像面造成的图像降质问题。基于该方法设计了SHTSI光学系统，系统全视场点列图RMS小于5 μm，保证系统在全视场范围内能够均匀成像。根据该设计方案研制SHTSI原理样机，试验结果表明，SHTSI系统满足设计指标，对成像数据进行复原，得到复原光谱角距离评价因子优于0.052。关键词：光学系统设计;哈达玛变换成像光谱仪;中波光谱成像;数字微镜阵列- 244
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发布时间：2022-04-26 -
三维微纳米台阶高精度光学显微测量量化表征
摘要：三维微纳米台阶光学显微测量信息为多维形貌数据，其数据量庞大复杂、多维相关性低、表征难度大，且通常存在测量坏点影响关键尺寸表征精度。本文提出了一种三维微纳米台阶高精度光学显微测量量化表征方法。首先，针对三维微纳米台阶的结构特征选取测量系统并设计测量方法，获取其三维形貌点云数据信息；其次，建立三维形貌实测数据维度重构方法，将复杂的多维面形数据降维至有序二维空间；基于K-means聚类算法和数据映射，创建台阶高度参数量化表征模型，实现识别离群值的同时将二维数据点集中的质心距离映射为台阶高度值；最后，通过迭代收敛设计，进一步提高算法表征的准确度和鲁棒性。对两种微纳台阶标准物质进行实验，结果表明，在测量存在离群值等坏点情况下，本方法能够高精度表征出台阶高度参数，与校准值比对，误差小于1.5%。关键词：三维纳米结构;台阶高度;光学显微测量;参数表征;三维形貌- 225
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发布时间：2022-04-26 -
大型地基光学望远镜三维隔震系统
摘要：地震灾害是天文台规划和望远镜结构建设时迫切需要重视的一个重要安全问题。为了满足大型地基光学望远镜的抗震要求，本文设计了具有独特特点的基于液压阻尼技术的三维隔震系统，该系统主要由望远镜液压支撑系统中的附加被动元件组成，能够感知临界震动，并在达到临界加速度值时启动整个减震系统，将载荷限制在可接受的范围内。大量有限元分析结果表明：一方面，没有隔震系统的望远镜系统会发生明显的输入震动放大响应，其对输入地震波的放大率在NS方向约为142%，EW方向约为145%，UD方向约为369%；另一方面，与输入地震波相比，隔震系统可以抑制响应加速度，其响应函数在NS方向约为22%，EW方向约为38%，UD方向约为4%。上述结果验证了该三维隔震系统具有良好的隔震性能，能够满足大型地面光学望远镜的抗震设计要求。关键词：地震灾害;大型地基望远镜;隔震系统;液压阻尼;有限元分析- 182
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发布时间：2022-04-26
现代应用光学
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基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器研究及测量误差特性分析
摘要：针对传统绝对式位移传感器复杂编码和严苛光刻加工的难题，提出了一种“精机定位+精机测量”的差极结构绝对式时栅位移测量新方法。传感器定尺分为两列对极数相差1的激励绕组，每列激励绕组由空间正交排布的正/余弦绕组构成。通过施加正交激励电流，采用动尺正弦形感应绕组拾取时变磁场，得到两路行波信号。通过信号解耦以精机定位和精机测量的组合测量方式实现绝对位移测量。重点开展了安装高度和安装误差对测量精度的影响分析。实验结果表明安装偏角会导致对极内直流电平和二次谐波误差明显增大，修正后传感器在量程90 mm的范围内，测量精度为±1.2 µm，分辨力为0.1 µm。关键词：绝对式位移测量;时栅传感器;差极结构;测量误差分析- 189
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发布时间：2022-04-26 -
基于气浮轴承的无摩擦气缸设计及参数优化
摘要：针对超精密垂直轴对无摩擦、高稳定性重力平衡系统的需求，本文设计了一种新式无摩擦气缸，并对气浮轴承的参数进行优化。首先，确定气浮轴承初始参数，据此建立基于ANSYS的有限元分析模型，将分析结果与工程计算、实验结果对比，验证仿真计算的可靠性。然后，利用该模型，采用响应面优化方法，得到不同节流孔布置下（对应最佳气膜厚度时）的承载力、耗气量、抗弯力矩，选定最优气膜参数。分析结果表明承载力与节流孔个数呈现非线性变化关系，承载力随节流孔数量增加快速上升后基本保持恒定。采用双排节流孔布置，可以较少的节流孔个数保证抗弯力矩。最后针对优化前后的气缸进行了实验测试，分析发现参数优化后承载力提升约7.7%，抗弯力矩提升约15.7%。本文提出的基于响应面优化的气浮轴承参数优化设计高效可行，优化设计的新式气浮无摩擦气缸能够满足重力平衡系统的使用需求。关键词：无摩擦气缸;气浮轴承;有限元分析;超精密垂直轴;参数优化- 188
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发布时间：2022-04-26 -
双滚轮-导轨式渐开线测量仪的空间几何误差补偿方法
摘要：为解决1级齿轮渐开线样板的精密测量难题，提出了一种基于双滚轮-导轨式渐开线测量仪的空间几何误差补偿新方法。首先，建立了空间几何误差与渐开线齿廓偏差之间映射关系的数学模型；然后，基于该模型对齿轮渐开线样板、基圆盘与芯轴的综合安装误差和基圆盘的圆度误差进行了具体分析；最后，通过改变渐开线展开长度对应的基圆盘使用圆弧段、综合安装偏心量及相位等参数，实测了齿轮渐开线样板的齿廓偏差，并得出以下结论：基圆盘的圆度误差引起的齿廓偏差实测值与理论值之差不大于0.04 μm；以偏心量e为3.46 μm为例，纯滚动组件按照最大齿廓倾斜偏差相位（λ1=λ2=λ3=70°）装配时，齿廓倾斜偏差fHα的实测值与理论值相差-0.16 μm，相对误差约为4%；按照最大齿廓形状偏差相位（λ1=λ2=λ3=160°）装配时，齿廓形状偏差ffα的实测值与理论值相差0.01 μm，相对误差约为2%。实验结果证明了空间几何误差补偿方法的有效性，该补偿方法为实现1级齿轮渐开线样板的制造提供了测量手段。关键词：空间几何误差;齿廓偏差;齿轮渐开线样板;误差补偿;渐开线测量- 130
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发布时间：2022-04-26 -
金刚石刀轮滚压脆断单晶硅和蓝宝石的实验研究
摘要：集成电路芯片快速分割是半导体器件制造的关键工艺。通常采用固定的单点金刚石刀刃划线切断，但其过程会产生不规则裂纹，损害芯片电路。因此，针对单晶硅与蓝宝石两种芯片材料，采用直径为2.5 mm的金刚石刀轮进行滚压脆断加工实验，分析不同加工工艺下的应力分布，探究刀轮几何形状和工艺参数对不同材料的裂纹扩展和滚压脆断质量的影响。结果表明：刀轮刃端处集中的张应力引起微裂纹的产生与扩展，在滚压方向上逐渐形成微切痕，导致最后的脆断，但也会产生横向裂纹，使脆断边缘破碎。在合适的张应力下，边沿破碎低至约1 μm，脆断面质量较高。此外，若芯片材料硬度和断裂韧度大，可选择较小的刀轮角度和较大的滚压压力。当单晶硅滚压压力为0.015 MPa，刃端接触处的张应力在100 MPa左右，蓝宝石的滚压压力为0.095 MPa，张应力在350 MPa左右时，滚压脆断后的断面裂纹扩展相对均匀，断面质量最优。最后实验显示，具有微锯齿结构的金刚石刀轮切割集成电路芯片的边沿质量较好。关键词：单晶硅;蓝宝石;金刚石刀轮;裂纹扩展;精密滚压脆断- 146
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发布时间：2022-04-26 -
数字微流控封闭-开放区间的液滴两区运动
摘要：为了便于在数字微流控芯片上实施完整且高自动化的生化分析，在一个柔性基底上将芯片的两种常规结构加以集成，建立混合式结构，并对液滴在封闭区和开放区之间的跨区往返运动进行研究。首先，根据力平衡分析法分析液滴在两区边界处的运动特性，推导出跨越边界的条件，得到实现两区运动的优化措施。接着，在三种柔性基底上实现液滴的两区往返运动。然后，分析了封闭区上极板空间横向位置和纵向位置对液滴两区运动的影响。最后，研究了上极板厚度对液滴两区运动的影响。实验结果表明：封闭区上极板横向位置模式Ⅱ以及薄的上极板有利于实现液滴的自由跨区往返运动，而且能够降低液滴的驱动电压；对于0.8~1.2 μL的液滴来说，以聚对苯二甲酸乙二醇脂（Polyethylene terephthalate， PET）塑料片材为基底的柔性芯片上封闭区极板间距控制在150~350 μm内可实现液滴的双向跨区运动。实验结果证明了液滴能够在封闭-开放区间自由往返运动，混合式结构便于实现在单一芯片上的液滴操作及高自动化程度的分析检验。关键词：数字微流控;介电湿润;两区运动;混合式结构- 168
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发布时间：2022-04-26
微纳技术与精密机械
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图像去雾方法质量评价
摘要：针对近年来去雾算法质量的评价方法普遍依赖主观评价结果，但缺乏定量描述；现有的客观质量评价方法与主观评价方法之间的一致性不稳定，使两者有时会出现分歧的问题。为提升针对去雾方法的客观质量评价性能，本文提出了一种基于人工合成图像的全参考去雾方法质量评价。首先，建立合成图像数据集，数据集包括参考无雾图像，合成有雾图像，对这些合成有雾图像使用8种主流去雾算法得到的去雾图像。然后，将去雾后图像可能引入的一些质量问题进行分类。最后，通过结合清晰度相关特征和现有的客观质量评价，针对性地提出了一种由图像可视性、结构相似性和颜色恢复度相互融合的去雾方法质量评价。在合成图像数据集中，将本文方法与现有典型的图像质量评价方法进行对比实验，实验结果表明：对于合成图像数据集，本文提出的方法在SRCC、PLCC和RMSE指标上表现最优。本文方法与主观评价的一致性更高，更有利于支持去雾算法的研究。关键词：图像去雾;客观质量评价;合成有雾图像;图像数据集- 258
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发布时间：2022-04-26 -
基于NMI特征的遥感影像线性迭代聚类超像素分割算法
摘要：针对现有基于简单线性迭代聚类（SLIC）的超像素分割算法用于细节丰富的遥感图像处理时，存在的易受噪声干扰、过分割问题，本文提出一种结合超像素块之间基于归一化转动惯量（NMI）特征的相似性度量的遥感影像分割方法，对分割效果进行改善。本文首先利用引导滤波算法对影像进行平滑处理，去除椒盐噪点；再通过现有的线性迭代聚类算法对影像进行像素级分割，生成初始的超像素；进而确定出微小超像素块，然后计算其与相邻超像素块的相似性度量值，将其合并入差异性最小的相邻超像素块，达到分割影像的目的。本文方法在传统分割算法基础上降低了超像素对噪声的敏感性，提高了影像分割的精度。实验表明，论文提出算法可将测试遥感图像的分割超像素块数量由4 171减小为282，微小超像素块数量减少60%以上，有效降低噪声点的影响，改善以往算法存在的过分割缺陷。关键词：简单线性迭代聚类;超像素;区域合并;归一化转动惯量- 155
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发布时间：2022-04-26 -
基于CNN-SPGD算法的相干光通信像差校正方法研究
摘要：为了降低大气湍流对自由空间光通信系统传输性能的影响，建立了一套自适应光学校正系统来校正高阶像差。对该系统的混频效率，误码率和迭代次数等参数进行研究。首先，将图像的Zernike系数划分为8个大类，256个小类，通过CNN模型预测输入光斑的大类。对于每一小类的像差，取每一阶系数范围的中点作为标准点形成一个标准Zernike系数向量，按照其对应的标准电压作为初始校正电压进行校正。实验结果表明：随机并行梯度下降算法使混频效率达到0.80、0.85和0.9需要的迭代次数分别为110次、161次和280次；在使混频效率达到相同值的前提下，CNN-SPGD（Convolutional Neural Networks-Stochastic Parallelism Gradient Descent）算法所需的迭代次数分别为4次、37次和141次。而在相同的迭代次数下，CNN-SPGD算法在系统中的混频效率更高，误码率更低。CNN-SPGD算法与SPGD算法相比，像差校正速度更快。该CNN-SPGD算法可以大幅度减少传统自适应光学系统的迭代次数，满足激光通信的各种需求。关键词：自由空间光通信;无波前传感;混频效率;误码率- 240
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发布时间：2022-04-26
信息科学
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