最新刊期
      2024 年 第 32 卷 第 1 期

        现代应用光学

      • 付秀华,魏雨君,林兆文,潘永刚,李刚,付广元
        2024, 32(1): 1-11. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0001
        摘要：为提升光学镜头的成像质量，消除杂散光的影响，以K9玻璃为基底设计可见光波段平均反射率小于0.1%的减反射膜。采用电子束离子辅助沉积的制备方式，针对薄层敏感度高、光谱变化大等问题，通过建立稳定控制膜层厚度的数学模型来减小膜厚误差，提高制备精度和成膜稳定性。对减反射膜进行环测实验，优化调整工艺参数，侧重提高减反射膜的硬度和耐水煮能力。实验结果表明，最终制备出的减反射膜在420~680 nm波段内的平均反射率约为0.044%，最高反射率为0.071 2%，克服了以MgF2为外层的减反射膜机械性能和化学稳定性较差的问题，满足工程应用低损耗、稳定可靠、高强度、可重复性制备的要求。  
        关键词：光学薄膜;电子束蒸发镀膜;误差控制;机械性能;可见光;反射率   
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        发布时间：2024-01-13
      • 雷腾,张义民,马一哲,丁学专,吴滢跃,王世勇
        2024, 32(1): 12-23. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0012
        摘要：低采样率下的高质量鬼成像（GI）对于科学研究和实际应用具有重要意义，为了在低采样率条件下重建高质量图像，提出了一种高质量的被动式压缩鬼成像重构算法（PCGI-LRC）。基于图像的非局域相似块堆叠而成的矩阵具有低秩和稀疏奇异值的假设，从理论和实验上证明了一种对最小二乘问题与非局域相似块低秩近似问题进行联合迭代求解的方法，能够在低采样率（6.25%~50%）条件下实现高质量鬼成像。实验结果表明：与基于稀疏基约束的GI（GI-SBC）和基于全变分约束的GI（GI-TVC）相比，PCGI-LRC在峰值信噪比、结构相似性系数和视觉观测等方面均更优，在抑制重构噪声的同时保持了目标的细节信息，其中PSNR提升效果优于1.1 dB，SSIM提升效果优于0.04。  
        关键词：鬼成像;图像重构;图像压缩;单像素成像   
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        发布时间：2024-01-13
      • 叶瑞芳,施哲钰,孙正涛,王翔,崔长彩
        2024, 32(1): 24-32. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0024
        摘要：针对静电纺丝射流直径小、速度快，不易检测的难题，提出一种带同轴激光辅助的静电纺丝射流检测方法。基于光波导传输原理，激光经由光纤传导到同轴针内针出口处与纺丝射流耦合，有效增强了射流与背景的对比度。结合图像处理技术，对比分析有激光辅助和无激光辅助的静电纺丝射流图像的演变规律，并在此基础上探索辅助激光的最佳功率。实验结果表明，同轴激光辅助有助于增强射流的可检测性，最适于射流检测的激光功率为4 mW；在射流稳定阶段，有光辅助下射流平均可视化长度为10.79 mm，无光辅助射流平均可视化长度为5.68 mm，有光辅助下射流可视化长度平均提升了89.81%；对于细小射流，有光辅助下射流平均可视化长度为5.36 mm，无光辅助射流平均可视化长度为3.33 mm，有光辅助下射流可视化长度平均提升了60.74%。因此，引入同轴激光能有效提高静电纺丝射流的可检测性，为微纳喷印的实时检测提供了一种新思路。  
        关键词：静电纺丝;同轴激光;激光辅助;射流检测   
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        发布时间：2024-01-13
      • 鲍捷,刘兴潭,陈建武,李林,赵春晖
        2024, 32(1): 33-42. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0033
        摘要：为避免双天线InSAR系统基线测量动态监测过程中引入误差，影响基线测量精度，对基线长度与角度测量过程中的可能误差进行定性与定量分析。采用坐标变换法建立系统误差数学模型，明确测量系统的误差来源。提出误差灵敏度概念，对误差项进行定量计算，并对每一自由度的误差源进行灵敏度分析，进一步形成综合误差定量合成结果。根据误差灵敏度系数给出一组精度反演误差分配案例。最后，依据蒙特卡洛法在MATLAB平台闭环验证精度量化分配方法的可行性与稳定性。仿真分析结果表明，激光视觉三轴位置的测量精度要求为300 μm（3σ），三轴角度的测量精度要求为50''（3σ），即可满足基线长度精度1 mm（1.6σ），基线角度精度2''（1.6σ）。通过本方法可由测量环境条件输入直接获得基线测量的精度，根据灵敏度系数对误差分配进行反演可以得到系统最优布局，其结果可为测量系统的方案设计与精度分解提供有效指导。  
        关键词：干涉合成孔径雷达;基线测量;误差模型;灵敏度分析   
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        发布时间：2024-01-13

        微纳技术与精密机械

      • 姚宇超,周锐,严星,王振忠,高娜
        2024, 32(1): 43-52. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0043
        摘要：在MLA曝光工艺中，曝光点的数量庞大，通过高倍率显微镜配合人工目检来判定曝光质量耗时耗力，造成工艺成本偏高。为了解决这个问题，设计了一种便于检测的圆环形图案并引入深度学习中的目标检测Yolov5模型，一定程度上能够取代人工目检，完成对曝光质量的快速判定。基于上述方法，分析了不同光刻胶厚度之下，线能量密度的最优区间与光刻胶的剖面倾角。并在同等线能量密度下通过圆度判定曝光图案失真情况。在本研究的MLA曝光工艺中，选取光刻胶厚度、激光曝光功率以及加工平台移动速度作为自变量，评价曝光合格率、光刻胶剖面倾角以及曝光圆度等加工质量参数具有重要的工程意义。  
        关键词：无掩膜光刻;微透镜阵列;曝光合格率;目标检测   
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        发布时间：2024-01-13
      • 万辉,汤洁,石照耀
        2024, 32(1): 53-61. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0053
        摘要：测头对准误差对齿轮测量中心ZC蜗杆齿廓偏差测量结果的影响较大，需要建立测头对准误差修正方法。基于ZC1蜗杆齿面方程，建立了蜗杆轴向齿廓测量误差模型，修正得到轴截面上齿廓测量点的轴向坐标，再依据精度标准评定得到蜗杆齿廓偏差，并分析了蜗杆的不同头数、模数和分度圆直径对蜗杆轴向齿廓测量误差的影响规律。在齿轮测量中心上开展了蜗杆轴截面齿廓测量实验，测头对准误差对齿廓形状偏差的影响较小；测头对准误差修正前后齿廓测量总偏差的最大差异由1.2 μm降为0.2 μm；齿廓形状测量偏差的最大差异由0.5 μm降为0.3 μm；齿廓倾斜测量偏差的最大差异由2.5 μm降为0.4 μm。该方法可有效减小齿轮测量中心测头对准误差对蜗杆轴截面齿廓偏差测量的影响。  
        关键词：精密测量;ZC蜗杆;测头对准;误差修正;齿轮测量中心   
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        发布时间：2024-01-13
      • 吴彤,杨依领,吴高华,崔玉国,魏燕定
        2024, 32(1): 62-72. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0062
        摘要：针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求，采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大，并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构，并通过预紧螺钉调整接触摩擦力，进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型，并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后，搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明：在扫描驱动模式下，驱动电压为150 V时，平台x和y向的输出位移分别为63.84 μm和62.61 μm，耦合比为0.52%和0.59%，分辨率为6.5 nm和7.2 nm；在步进驱动模式下，驱动电压为120 V时，平台在x和y向的单步位移分别为47.31 μm和47.20 μm，耦合比为0.69%和0.73%，x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49，0.47，0.47和0.42 μm，最大垂直负载为50 N，设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。  
        关键词：压电驱动;桥式机构;粘滑运动;定位平台   
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      • 王淑云,杜洁雅,黄喆人,阚君武,柴超辉,张忠华
        2024, 32(1): 73-83. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0073
        摘要：为提高压电振动俘能器的环境适应性，提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器，利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析，获得了俘能器结构参数对俘能器输出性能的影响，在此基础上制作俘能器样机并进行实验研究，获得了俘能器纵摆质量m1、横摆质量m2、横向距离Lx、纵向距离Ly、竖向距离Lz及负载电阻对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：存在两阶谐振频率f1和f2使输出电压出现峰值Un1和Un2，调节m1，m2，Lx，Ly及Lz会影响f1，f2，Un1及Un2；其他条件一定时，存在最佳负载电阻2 200 kΩ使输出功率达到0.122 mW。通过选择合适的结构参数能够提升俘能器的有效频带和输出电压，对增强压电振动俘能器的可靠性和频率适应性具有一定的参考价值。  
        关键词：压电;可调频;磁耦合;组合换能器;能量回收   
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        发布时间：2024-01-13
      • 敖萌灿,黄金星,曾毓贤,吴跃勤,康仁科,高尚
        2024, 32(1): 84-94. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0084
        摘要：钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料，超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法，研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工，获得高质量表面，基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学，通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程，考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应，建立了脆塑转变临界深度的预测模型，并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上，通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证，并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明，磨粒切深高于脆塑转变临界深度时，YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除，磨削表面损伤严重；磨粒切深低于脆塑转变临界深度时，磨削表面材料以塑性方式被去除，能够获得高质量磨削表面，加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。  
        关键词：超精密磨削;YAG晶体;纳米压痕;纳米划痕;脆塑转变   
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        发布时间：2024-01-13
      • 尚国威,梁晋,李磊刚,牌文延,赵贵中
        2024, 32(1): 95-110. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0095
        摘要：船舶、飞机等发动机为减小体积，采用斜口管路焊接代替弯头连接，管路系统中端头位姿是焊接对齐的前提。针对斜口管路端头位姿的高效高精度测量难题，提出了一种通过重建管路轴线以及管路端面进行端头位姿精确测量的方法。通过获取种子圆柱并设计非线性寻优算法提高圆柱拟合精度，通过高精度种子圆柱扩散重建得到管路轴线。通过双曲率阈值搜索方法对管路边缘进行搜索，得到管路端面边缘点整像素坐标。通过对端面提取得到的整像素坐标进行椭圆拟合结合射线求交方法求解端面边缘亚像素坐标，从而避免插值方法计算亚像素坐标受环境光源影响大的问题。最后，使用逐点最小二乘法重建空间投影平面并在平面上得到残差最小空间椭圆，空间椭圆中心即为管路端点，该投影平面即为端面所在平面，实现了对端头位姿的精确测量。实验结果表明，该方法的测量精度达到0.05 mm，角度测量误差小于0.1°，基本满足斜口管路端头的位姿测量精度要求，对管路的装配具有良好的指导意义。  
        关键词：空间投影平面;管路;端头位姿测量;端面重建   
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        发布时间：2024-01-13

        信息科学

      • 杨禹凯,谷健,王建立,刘俊池
        2024, 32(1): 111-124. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0111
        摘要：大视场光学望远镜是中高轨目标搜索的重要设备，在搜索图像中除中高轨目标外还存在恒星目标，对恒星目标进行辨识与抑制是中高轨目标检测的必要环节之一。考虑银道面附近天区、曝光时间差异以及多云遮挡等因素的影响，图像中的星场密度变化区间非常大，传统的恒星辨识方法在计算准确性与实时性方面均存在局限性，导致恒星虚警、计算超时等情况的发生。为解决该问题，提出了一种基于惯性坐标时域相对不变性的恒星辨识与抑制方法。推导了地平坐标系与惯性坐标系的数学转换关系，并由此构建了恒星辨识模型；在不同的静态系统误差条件下，量化分析了恒星目标的惯性坐标时域相对不变性；最后，开展了恒星辨识与抑制算法的仿真与实验验证。仿真与实验结果表明：在时间间隔为10 s、静态系统误差为10″的条件下，恒星的惯性坐标最大相对差异为0.51″（赤经），0.16″（赤纬），其时域相对不变性满足恒星辨识需求，辨识过程完全不依赖星场密度。经100圈次中高轨目标实测图像验证，本文方法未出现恒星虚警及中高轨目标检测缺失的现象。  
        关键词：目标检测;恒星辨识与抑制;中高轨目标搜索;惯性坐标系   
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      • 田佳淳,王亮,梅标,朱伟东
        2024, 32(1): 125-136. DOI: 10.37188/OPE.20243201.0125
        摘要：为了实现复杂环境下航空零件孔特征的高效高精度检测，提出了一种集成视觉显著性和群决策的检测方法。在经典FT显著性检测算法中引入图像增强步骤，并为每个像素赋予以最大显著区域中心为参考的权重，使用改进后的方法对图像进行孔区域分割。设计具有多尺度多结构元素的新型数学形态学边缘检测算法，结合轮廓细化算法对孔区域进行轮廓提取。最后，利用Meanshift算法寻找轮廓点的圆心位置，建立新的基于群决策的圆半径计算模型，获得孔特征的关键几何参数。结果表明：改进的视觉显著性特征检测算法能够生成更加突显孔特征的全分辨率显著图；新型数学形态学边缘检测算法能获得简化且可靠的轮廓点；该方法在不均匀光照、各类孔缺陷和孔内壁干扰等条件下均显示出较好的稳定性；即使在噪声密度高达30%时仍能成功完成孔检测，且圆心坐标和半径的误差均小于0.012 mm；平均检测时间仅为0.236 s。该方法能够在复杂环境下对航空零件孔特征进行准确、稳定的检测。  
        关键词：航空零件;孔特征检测;显著性检测;数学形态学;群决策   
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