1 中国科学院上海光学精密机械研究所光芯片集成研发中心，上海 201800
2 上海科技大学，上海 201210
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201899
提出了一种用高阶抑制二维达曼光栅作为分光元件替代普通衍射光栅实现微透镜阵列焦距快速测量的方法。高阶抑制二维达曼光栅具有优良的分光效果，且高阶衍射级次能够得到有效抑制，通过信噪比的提高降低焦距测量误差。设计并制备了一分五的高阶抑制二维达曼光栅，分束后的光束经过微透镜，在其焦面附近形成高对比聚焦光斑阵列。相比常规一维光栅，所提方法通过测量每个微透镜焦面内光斑两两之间的距离，得到多个焦距值，从而有效减少测量的随机误差。实验结果表明，该方案对微透镜阵列焦距的单次测量误差小于3.5%，重复测量误差在4.5%之内。该方案对微透镜阵列的焦距分布快速评估具有实用价值。
测量 高阶抑制达曼光栅 微透镜阵列 焦距测量
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电学院，北京 100049
3 暨南大学光子技术研究院，广东 广州 510632
受益于光子独特的优势，光计算技术在构建高速、高算力和高能效比的专用计算加速器方面被寄予厚望，目前已经涌现出了许多极具吸引力的方案。特别是对于涉及运算量巨大的二维矩阵-矩阵乘加操作的专用场景，光计算有望在算力和能效比等方面实现超越当前最先进电子计算机几个数量级的性能提升。不同于电子计算通过构建逻辑门实现通用数字计算，主要受深度学习驱动而复兴的光计算更倾向于模拟计算。本文从模拟和数字光计算的角度出发对主流的光计算架构进行分析和讨论，指出了目前光计算技术发展面临的瓶颈，并对光计算未来的发展趋势进行了展望。
光计算 模拟光计算 数字光计算 光计算架构 光学矩阵计算 光学神经网络 光电智能计算 光学信号处理
Author Affiliations
Abstract
1 Laboratory of Information Optics and Optoelectronic Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Institute of Photonics Technology, Jinan University, Guangzhou 510000, China
A planar-integrated optical system (PIOS) represents powerful optical imaging and information processing techniques and is a potential candidate for the realization of a three-dimensional (3D) integrated optoelectronic intelligent system. Coupling the optical wave carrying information into a planar transparent substrate (typically fused silica) is an essential prerequisite for the realization of such a PIOS. Unlike conventional grating couplers for nano-waveguides on the silicon-on-insulator platform, the grating couplers for PIOS enable to obtain a higher design freedom and to achieve much higher coupling efficiency. By combining the rigorous coupled wave algorithm and simulated annealing optimization algorithm, a high-efficiency asymmetric double-groove grating coupler is designed for PIOS. It is indicated that, under the condition of the normal incidence of TE polarization, the diffraction efficiency of the st order is over 95%, and its average value is 97.3% and 92.8% in the C and C+L bands. The simulation results indicate that this type of grating coupler has good tolerance and is expected to be applied in optical interconnections, waveguide-based augmented reality glasses, and planar-integrated 3D interconnection optical computing systems.
double-groove grating vertical coupling planar integration optical computing Chinese Optics Letters
2022, 20(9): 090501
长春理工大学 机电工程学院, 吉林 长春 130022
大型复杂曲面因为空间尺度大、结构复杂, 因此对其进行测量和检测相对较困难, 三维形貌测量技术分辨率高、数据获取速度快, 为大型复杂曲面的偏差控制和逆向工程提供了技术保障。分析和综述了大型复杂曲面三维形貌测量及应用研究的进展, 论述了目前实现大型复杂曲面三维形貌测量的手段, 归纳和总结了目前以及未来几年可用大型复杂曲面三维形貌测量的设备和仪器的特点与应用场合, 并对比分析了每种测量设备的优缺点, 为正确和广泛应用三维形貌测量设备提供参考, 重点介绍了三维点云获取方法及点云处理方法, 对点云预处理方法、点云拼接方法所涉及的技术进行归纳总结。最后, 对三维形貌测量技术的应用场合进行剖析, 认为大型复杂曲面三维形貌测量将向着非接触、自动化方向发展, 在发展过程中基于全局坐标的点云拼接、非贴点测量将成为研究的主要方向。
大型复杂曲面 三维形貌 点云拼接 点云匹配 large complex surfaces three-dimensional profile clouds registration clouds match
1 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
在利用机器人进行大尺寸曲面形貌测量的过程中,提出一种基于室内全球定位系统(iGPS)的点云拼接方法,以iGPS世界坐标系为点云拼接的坐标系,建立了点云拼接数学模型。利用粒子群优化(PSO)算法对迭代最近点(ICP)算法进行改进。基于球心距测量的点云拼接实验验证了所搭建测量系统的精度小于0.1 mm。在汽车前保险杠点云拼接实验中,最大负偏差为-0.05189 mm,最大正偏差为0.0727 mm,均小于0.1 mm,偏差分布较为均匀,验证了所提算法在大尺寸点云拼接方面具有较好的效果。
测量 大尺寸曲面 形貌测量 点云拼接 粒子群优化(PSO) 迭代最近点(ICP)
1 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
针对工业机器人和形貌传感器组成的三维形貌机器人测量系统精度低的问题,提出一种基于室内全局定位系统(iGPS)的三维形貌复杂曲面测量系统,并介绍了该测量系统的总体设计方案,建立了相应的数学模型。对长度测量精度和重复测量精度进行实验验证,结果表明,此测量系统在大型复杂曲面形貌测量中具有较高的精度及可靠性。对包含双拱形曲面的大尺寸工件进行形貌测量,测量结果验证了此测量系统的可行性。
测量 复杂曲面 三维形貌测量 工业机器人 精度
长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
针对带有深孔特征的异型曲面三维形貌的测量需求,提出基于CAD(Computer Aided Design)数模提取信息进行自适应布点的方法和基于法向精度控制的轨迹规划测量方法。通过对机器人的位移-时间、速度-时间与加速度-时间曲线的仿真分析,验证了运用高阶多项式插值法可得到平滑的轨迹曲线。通过基于法向精度控制的形貌测量实验分析形貌测量过程中TCP(Tool Centror Point)的位置偏差与角度偏差,发现位置偏差小于0.092 mm,角度偏差在0.19°内,证明了所提方法的可行性。
测量 形貌测量 机器人 轨迹规划
1 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
提出了基于iGPS(indoor Global Positioning System)世界坐标系进行点云拼接的方法,建立了点云拼接数学模型,并求解拼接模型中的坐标转换关系。基于标准球测量实验,分别实现了基于机器人基坐标系的点云拼接和基于iGPS世界坐标系的点云拼接。研究结果表明,基于iGPS世界坐标系的点云拼接方法不受机器人定位精度的影响,拼接精度更高。
测量 机器人 点云拼接 拼接精度
1 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
基于iGPS定位跟踪的三维形貌测量系统, 建立了测量系统的数学模型, 介绍了传统手眼标定技术的主要原理, 使用激光跟踪仪建立了系统转换关系。提出了一种融合特征点拟合的标定方法, 利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法得到了转换关系。对标定后的系统进行了基于机器人基坐标系和iGPS世界坐标系的点云拼接对比实验, 实验结果表明, 融合特征点拟合的标定方法提高了点云拼接的精度。
测量 iGPS定位 标定 特征点 拟合
1 长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130022
2 长春理工大学 机电工程学院,吉林 长春 130022
为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系；然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明：标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。
工业机器人 三维形貌柔性测量系统 手眼标定 罗德里格矩阵 industrial robot 3D shape measurement robotic system hand-eye calibration Rodrigues matrix
