随着集成电路制造技术的发展, 封装尺寸变得更加细密, 焊料变形导致的互连短路问题日益突出, 针对芯片凸点进行共面性缺陷检测即测量凸点高度的需求更加迫切。为实现这一目的, 建立了基于白光三角法的芯片凸点高度测量仿真模型, 系统分为光源整形模块, 精密狭缝、显微投影系统和显微成像系统。分析了样品移动过程中凸点顶部反射光斑的变化情况, 同时对比本系统会聚光线和传统平行光线对于凸点顶部成像光斑的影响, 针对上述分析提出适用于凸点高度检测的方法, 并使用仿真结果加以证明模型准确性, 为搭建实物系统完成真实样品检测任务提供参考依据。

基于相位的立体匹配是双目投影光栅相位法中的重要步骤，但传统的相位匹配方法在处理高分辨率图像时因存储空间大大增加，难以达到匹配速度与精度的平衡。文章提出了一种基于多尺度分析的快速相位立体匹配算法，采用分层匹配的策略，对预处理后的左右绝对相位图进行降采样以生成图像金字塔，利用低分辨率的视差匹配结果以预测下一层视差，以此降低下层高分辨率图像的视差搜索范围，达到匹配速度与精度的平衡。实验结果表明，所提算法在保证精度的情况下能有效提升相位立体匹配速度，实现高分辨率相位图快速准确的立体匹配。

提出了一种基于二维振镜与位置灵敏探测器的高精度激光跟踪系统;基于光线追迹方法建立跟踪系统的几何光学模型,并对跟踪系统进行误差分析,通过仿真对激光跟踪系统的指向精度以及跟踪性能进行分析。仿真结果表明:在跟踪距离100 m处,跟踪系统的位置指向精度可达0.35 mm,角度指向精度为0.72″,跟踪范围为-10°~10°,最大跟踪速度可达3.6 rad/s,能够实现对远距离快速运动目标的高精度实时主动跟踪。

现有双目相机标定的方法是通过矩阵变换求得各个相机间的旋转平移关系,再通过优化求得最终参数。非线性优化步骤多,相机内外参数与镜头畸变存在耦合,时间花费较大。提出一种畸变矫正与平面单应性矩阵结合的双目相机标定方法。根据三维空间直线投影到像平面仍然是直线的法则,对于无畸变的图像,直线上任意两点所构成的向量的方向相同时向量夹角应为零。基于此特征求解双目相机的畸变系数,再通过平面单应矩阵构造测量矩阵,然后通过矩阵分解求得相机内、外参的初值,最终通过非线性优化求得双目相机的各个参数。仿真和实验结果证明,该方法稳定性高,精度与传统标定方法的精度相当,且计算时间短,标定效率优于传统标定方法。

构建了基于混合锁模机制的双向运转掺铒光纤激光器。激光器采用σ型腔，腔内无隔离装置，以反射式半导体可饱和吸收镜和非线性偏振旋转效应为混合锁模机制，通过精细调节聚焦到半导体可饱和吸收镜上的激光光斑大小和腔内波片的角度，实现了稳定的自启动双向锁模运转。激光器运转在孤子锁模状态，腔内双向运转的2个脉冲分别由2个偏振分束器耦合输出。输出的2个脉冲序列重复频率相同，为60.72 MHz；逆时针、顺时针方向输出功率分别为23.7 mW和1.3 mW，信噪比分别为67.5 dB和66.5 dB。逆时针、顺时针方向输出功率相差较大，这是由采用的锁模机制造成的。

对激光跟踪仪的跟踪伺服控制系统进行了整体研究并给出了总体设计方案。针对跟踪目标的精密探测问题, 研究了新型探测手段以及微弱光电信号的精细调理技术与数字滤波方法, 使得脱靶量探测稳定性优于±2.0 μｍ。针对跟踪角度精密测量问题, 设计了圆光栅数据采集系统, 实现了角度脉冲的细分、辨向与准确计数; 基于谐波分析方法建立了跟踪过程中的误差补偿模型, 将角度测量精度由3.5″提高到1.5″。建立了跟踪伺服电机的数学模型, 分析了电流环在跟踪控制中的作用机理, 提出了电流、速度、位置三闭环控制结构和复合跟踪控制策略。跟踪实验表明: 系统最远跟踪距离不小于41.7 m, 跟踪速度不低于2.0 m/s。该项技术还能为空间动态目标跟踪、激光通信等提供有益借鉴。

为了提高激光跟踪仪的测量精度, 分析了跟踪仪的几何结构误差, 重点研究了其转镜倾斜误差的标定和修正方法。利用矢量分析和坐标转换相结合的方法建立了跟踪仪转镜倾斜误差模型, 推导出了跟踪仪几何空间坐标修正公式, 并基于自准直仪、多面棱体和可调反射镜建立了高精度误差标定装置。利用标定装置分析了误差标定方法, 通过系统仿真研究了转镜倾斜误差对系统测角误差及最终坐标测量误差的影响。利用误差标定实验检测出的系统转镜倾斜误差约为4″, 将其带入坐标修正公式, 并与修正前的坐标进行了比对分析。对比结果显示, 经误差修正后系统空间坐标测量误差可减小约2×10-6, 验证了转镜倾斜误差标定和误差修正方法的有效性, 表明利用该方法可在不改变系统硬件结构的基础上提高测量系统的测量精度。

针对多镜头目标跟踪系统协同性差及单镜头系统目标跟踪观测过程中视场小、无法实现宽视场跟踪的现状，设计了能同时实现宽视场跟踪窄视场局部目标检测的协同跟踪系统。该系统基于数字微镜阵列高反射率、高性能视场分割的特点。验证实验中，宽窄视场分割系统实现了50 ms的协同成像周期；窄视场像中心调整系统不超过2%的绝对位置误差，为局部目标光束中心难以与窄视场成像系统视轴重合问题的解决提供了实验依据。

对自主研制的激光跟踪仪的精度评定进行研究，以期解决大尺寸空间坐标测量系统的空间坐标精度难于评定的问题。 考虑现场环境条件、仪器状态和操作者技能等因素对测量精度影响都很大，提出了基于光束平差原理对激光跟踪仪系统进行精度评定的方法。通过Matlab软件对激光跟踪仪的精度评定进行了仿真，仿真结果显示光束平差法能客观地反映激光跟踪仪的测量精度。另外，使用Faro生产的激光跟踪仪进行了实物实验，实验结果显示其水平角精度σH为1.97″，垂直角精度σV为2.61″，测距精度σD为3.75×10-6，对比Faro生产的激光跟踪仪精度(σH=2.0″；σV=2.0″；σD=4 μm)可证明采用光束平差法评定自主研发的激光跟踪仪测量精度是正确、可行的。该方法为探索激光跟踪仪新的应用技术、开展面向对象的测量不确定评定奠定了基础。