在研究阶段离子束辅助制备方式对薄膜性质影响的基础上,采用电子枪蒸发及离子束辅助沉积制备了氧化铪及氧化硅单层膜,采用阶段离子束辅助沉积及全程非离子束辅助沉积制备了基频减反膜.测量了所有样品的弱吸收、残余应力和激光损伤阈值.结果发现,相对电子枪热蒸发制备的样品,离子束辅助沉积的单层膜具有大的弱吸收、低的激光损伤阈值,且张应力减小,压应力增加1;阶段离子束辅助沉积制备的减反膜剩余应力变小,弱吸收稍微增加,激光损伤阈值从10.91 J/cm2增加到18 J/cm2.分析表明,离子束辅助沉积在引入提高样品激光损伤阈值有利因素的同时,也引入了不利因素,阶段离子束辅助沉积在引入有利因素的同时,有效减少了不利因素的引入,从而提高了样品的激光损伤阈值.

利用法布里-珀罗(F-P)标准具选频实现了单纵模593.5 nm激光和频输出.采用单块Nd:YVO4晶体,通过对谐振腔输出镜膜系的设计与优化,在两镜线性腔中实现了稳定的1 064 nm与1 342 nm双波长振荡.放入Ⅰ类位相匹配和频晶体LBO进行腔内和频时,抽运功率为2 W可获得52 mW的593.5 nm橙黄色激光输出,但输出光束噪声较大,其RMS噪声为6.8%.在腔内加入400μm厚熔融石英标准具进行选频,实现了单纵模593.5 nm激光输出,单纵模线宽为600 MHz,输出功率为34 mW,RMS噪声降为0.3%,实现了低噪声输出.实验结果表明,在和频过程中,利用一块标准具对两个波长同时进行选频是获得单纵模和频光的有效方法.

采用独特设计的多孔体坩埚和自行设计的晶体生长炉,在真空条件下,用Bridgman-Stockbarger法生长出了CaF2光学晶体.在真空度低于3×10-3Pa,生长区中心轴温度梯度为1.8～2.5℃/mm,径向梯度＜0.5℃/mm,生长速率为3～4 mm/h,初退火降温速率控制在20℃/h以下的生长条件下,进行熔料、氟化去氧、均一化熔体、控速生长及初退火,一炉次生长了七根57 mm×190 mm的CaF2光学晶体,并进行了性能分析.结果表明,生长出的晶体透带宽,从紫外190 nm到红外9 000 nm均有良好的透过率,190 nm处透过率可达81%,9 000 nm处透过率可达83%,单晶率可达80%,位错密度达30/mm2.使用本文提出的设备和工艺,提高了CaF2晶体的单晶率,降低了使用损耗,可实现中小尺寸CaF2晶体的规模化生产.

利用自我复制的方法制作了可见光谱区的三维光子晶体,用反射光谱研究了光子晶体的光学特性.采用平面波理论计算了光子晶体的光子禁带(PBG),实验结果与理论符合得较好.采用两步生长法将荧光染料(rhodamine 590)置于光子晶体内部,实验结果表明,染料的荧光光谱受到了光子晶体的强烈调制.

依据1.3 m主镜支承的技术要求,完成了支承结构的设计分析.确定了有中心定位的底面18点支承和侧面水银带支承的技术方案.对于结构复杂的轻质镜,依据均衡原理,利用结构分析并结合插值算法确定了底支承18点的支承位置;在给出了具体底支承结构设计后,对底支承的结构变形和结构设计允差进行了分析.根据主镜立放状态下的受力分析,给出了3个水银带侧支承的设计变量,最终依据镜面Z向变形最小的原则和12种工况下有限元的分析结果,确定了水银带侧支承的设计.在中心定位设计中,考虑到温度变化的影响,选用了特殊的殷钢材料.在具体结构设计中,为减小支承球头与主镜直接接触的不利影响,在支承球头和主镜之间增加了过渡轴套.用Zygo干涉仪检测了装配完成后的主镜,主镜镜面变形PV值为0.7λ,RMS值为0.15λ.该支承结构基本满足了设计要求,且结构稳定可靠.分析可知,主镜的厚度可以再适当减薄,进一步减轻重量.

利用有限元分析计算了轴向温差对主、次镜面形的影响,对光学系统成像质量进行了评价.用PATRAN软件建立有限元模型,用NASTRAN/NT有限元分析软件完成温度场的分析计算.用Zernike多项式曲面拟合系数表示轴向温差对主、次镜面形的影响,通过ZEMAX软件分析对光学系统成像质量的影响,实现了热分析与光学分析的接口.结果表明:轴向温差不仅使光学系统产生像面位移-离焦,而且将产生各种像差,降低光学系统的成像质量,所以在调焦的同时,必须采取温控措施.最后给出了轴向温差具体的温控指标,主镜的轴向温差为0.8℃,次镜为1.0℃,主、次镜之间为3.0℃.

基于台阶型微闪耀光栅衍射效率高、特征尺度小、集成度高和加工容易等特点,提出了利用台阶型微闪耀光栅面阵实现二维全混洗变换的方法.讨论了一维和二维全混洗的变换规则和数学定义;通过对刻蚀过程中各单元光栅的刻槽取向和周期的控制,使信号光满足所需要方向的闪耀输出,制作出一维和二维的微闪耀光栅面阵,在自由空间分别实现信号光的一维和二维全混洗变换.最后,比较与讨论了微闪耀光栅实现全混洗变换的方法.理论分析和实验结果均表明:该方法与传统的通过信号光矩阵的分割成像、放大、重组、叠加操作不同,它利用单一器件的衍射特性来控制信号光的取向和光强的分布,从而实现二维全混洗变换.因此,该方法具有光能量利用率高、控制简便、易操作和易集成的特点,充分体现了二维全混洗变换在光通信和光信息处理中具有的高空间带宽积和多自由度的特点.

提出了一种利用数据采集卡和计算机仿真技术检测和监控光学遥感器调焦控制电路的方法.通过对调焦控制电路的理论分析和实际测量,以数理逻辑、信息技术和系统技术为基础,构造了频率检测、电压检测、编码器反馈的仿真测试数学模型.应用计算机高速信息采集和智能控制技术,设计了调焦控制电路的仿真及测试系统,并进行了实验研究.实验结果表明,该系统能够准确测量工作频率在1.2 kHz以内,控制电压＜40 V的调焦控制电路,完全满足对光学成像遥感器调焦控制电路的仿真及检测要求,并可长时间、方便、高效地监控调焦控制电路的工作运行情况.

提出了一种新的三轴激光陀螺温度误差动态建模及测试方案,并进行了实验.实验结果表明,新的动态模型能够对大变温率、大范围温变条件下陀螺的漂移进行有效补偿,且补偿后陀螺精度在全温度范围内优于0.05°/h.与静态模型相比,动态建模方法具有测试时间短、模型精度高及易于工程实现等优点.

介绍了用于傅里叶变换光谱仪的红外水平衰减全反射(ATR)测试仪的基本原理和设计思想,分析了影响光谱强度的穿透深度和反射次数.将光斑缩小三倍聚焦到样品上,把光路还原聚焦到接收器上,对能量利用率进行了分析计算.给出了在FTS-7傅里叶变换光谱仪上用该测试仪测量的几种样品的光谱图.结果表明,该测试仪能量利用率为5%,全反射15次,所测谱图质量接近于同类装置水平.

分析了离子束加工光学镜面的材料去除效率、加工损伤厚度以及表面热效应等材料去除评价指标.基于Sigmund溅射理论,分析了此三个评价指标与离子入射角度和离子能量等加工参数的关系,建立了相关模型.以石英玻璃为例,利用TRIM软件仿真离子溅射过程,分析理论模型各参数,具体研究了三个评价指标与离子能量和入射角度的关系.结果表明:材料去除效率随离子能量的增大而缓慢增大,随入射角度增大而显著增大,60°时的去除效率约为0°时的4.5倍;加工损伤厚度随离子能量增大而近似呈线性增大,随入射角度增大而减小;热效应随离子能量近似呈线性增大,而随入射角度增大而减小.因此,离子束加工工艺过程中,应尽量增大离子束入射倾角来同时提高这三方面的指标.

用计算机控制抛光的方法对小型非球面数控抛光技术进行了研究.对计算机控制小磨头抛光的材料去除作用进行了计算机模拟;依据计算机模拟结果,调整驻留时间函数,进行抛光补偿;最后,在自行研制的三轴联动非球面数控抛光原理样机上高效地完成了70 mm左右非球面的抛光,各项指标达到了中等精度要求,表面粗糙度为2.687 nm,面形精度为0.45μm,且重复精度良好.结果表明,该技术有效提高了小型非球面光学零件的批量生产效率.

设计并研制了一种基于光栅双单色仪的高精度全自动单光束光谱辐射计.该仪器主要由高稳定氙灯、带有快门的单光阑屏、石英透镜、中性减光片、紫外光栅双单色仪、光电探测器及电控系统组成,测量光谱范围为200～400 nm,可以实现10-6～10-8量级光谱透过率高精度测量,测量过程由自行编制的计算机软件进行自动控制,能实现全自动单光束测量.给出了该仪器的测量原理、测量方法及数据处理方法.利用该仪器测量了紫外滤光片样品的光谱透过率,分析了测量不确定度.实验结果表明,该仪器测量精度高、速度快、测量合成标准不确定度＜3.16×10-3,完全满足测最精度要求,可应用于对精度要求高的紫外滤光片光谱透过率的测量.

建立了双边直线电机驱动的H型气浮精密定位平台,对该精密定位系统的气浮导轨设计方法和双边直线电机同步运动控制等关键技术进行了研究.利用有限元法设计了气浮导轨,分析了气膜压力场的分布情况,采用预加载技术提高气浮导轨的承载能力和刚度等性能.静态特性实验表明,开发的定位平台气浮导轨具有较高的承载能力和刚度,X、Y导轨的竖直方向静刚度为276.9 N/μm和333.3 N/μm.设计了基于同步速度偏差的改进型并联结构同步控制器,采用模糊控制实现PID参数的自适应在线整定.运动实验表明,改进的控制器具有较高的同步控制精度,速度同步精度比一般同步控制提高了3倍多,适合于具有强机械耦合的多电机同步运动控制.H型直线电机气浮定位平台具有承载能力强、精度高的优点,可以用于光刻机和光学检测等精密工程领域.

研究了压电元件的非线性及其复合控制问题.依据压电元件全程及局部伸长和缩短的实验数据,提出了一种根据外环曲线参数及当前坐标值确定比例系数,进而确定内环伸长曲线的数学模型.实验表明,这种全面反映内、外环曲线的非线性数学模型对上升和下降过程的最大拟合误差在全程范围内分别为1.2%和2.0%.利用此模型,可在压电元件非线性外环曲线及目前电压-伸长量已知的情况下,求出其下一时刻上升或下降的路径.以此模型为基础,构造了一种压电元件前馈复合控制算法,在输入峰-峰值为4μm位移的情况下,得到了280 Hz的闭环带宽.同普通PID控制算法相比,带宽提高了30%以上.

分析了双盘式渐开线测量仪中测点位置偏差对渐开线齿形测量的影响,探讨了高精度调整测点位置的两种方法:试验调整法与误差补偿调整法.试验调整法是根据测点偏离导轨平面测量渐开线齿形时,测量结果中齿形角小于实际值的原理,调整测头处于不同位置并测量渐开线齿形,齿形角最大的测量曲线对应的测点位置即为最佳位置.误差补偿调整法是在测点处于高于导轨平面的两个位置时,分别测量同一渐开线齿形,通过对测点偏移量逐次试值,补偿两次测量结果,使得测量结果中齿形偏差相同,获得测头偏移量.分析得出,上述两种方法调整测头位置的极限偏差分别为±0.010 mm和±0.015 mm,均可满足1级(GB/T10 095.1-2 001)渐开线齿形的测量要求.

研究了磁滞补偿控制的方法,建立了基于Jiles-Atherton模型的磁滞补偿控制系统.介绍了Jiles-Atherton磁滞模型的主要思想及其主要参数,对该模型反向运动时磁化强度变化与磁场强度变化的对应关系进行了分析,并在此基础上,提出了利用磁滞环的宽度,通过重新给定反向起始点的迭代初值,实现磁滞补偿的方法.实验结果表明:对于阶跃响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且达到稳态时间比不进行磁滞补偿时缩短12 ms;对于正弦响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且均方误差比不进行磁滞补偿时提高了0.19 μm,能有效消除磁滞的影响,提高定位精度.

根据大型光电经纬仪提出的温度控制要求,研制了多路流体关节机构.介绍了机构研究背景,说明了该机构的组成及工作原理,并通过计算摩擦阻力矩验证了机构的可行性,最后通过实验验证设计的合理性.实验结果表明,当用添加青铜的聚四氟乙烯制作的密封隔环进行密封时,能做到不泄漏,造成的摩擦阻力矩仅为1.666 N·m.该机构工作可靠,实现了流体由静到连续转动的传输,结构紧凑,设计巧妙,完全可以满足大型高精度光电设备的使用要求.

研究了磁悬浮反作用飞轮密封罩结构的优化设计方法.基于有限元分析理论分别建立了两种外形设计方案的密封罩有限元模型,对密封罩壳体进行了静强度分析并利用特征值屈曲法分析其抗压稳定性,比较了两种设计方案的优缺点;对其中一种壳体的设计方案进行了变外形参数的结构优化设计,通过分析两个关键外形参数和壳体厚度对密封罩整体性能的影响,得出了最优的密封罩设计方案,最终得到壳体的设计质量为0.197 kg,稳定性系数达5.374.该优化设计方法提高了密封罩设计的可靠性和效率,对飞轮系统整体优化设计有重要意义.

以光电经纬仪伺服跟踪系统为研究对象,基于动量矩定理和欧拉动力学方程,推导出了系统中跟踪架非线性的双轴耦合动力学模型,对跟踪架各轴间的转动惯量耦合、速度耦合及动力学耦合作用规律进行了研究,从理论上给出了它们之间的解析关系式.根据系统中执行元件力矩电机的方程,最终建立了描述跟踪伺服系统中被控对象动态特性的机电动力学模型,分别采用比较测试方法与计算机仿真方法验证了理论模型的正确性,为后续研究、设计高精度的跟踪控制器和控制参数的选取及优化提供了理论参考和模型基础.

提出了一种光学抛光的新方法--超声波磁流变复合抛光.介绍了该抛光方法的基本原理和实验装置,进行了超声波磁流变复合抛光实验,采用轮廓仪实测了光学玻璃超声波磁流变抛光材料去除轮廓曲线.通过该项工艺实验,研究了五种工艺参数(磁场强度、超声振幅、抛光工具头与工件的间隙、抛光工具头转速、工件转速)对光学玻璃材料去除率的影响.在一定实验条件下,获得的材料去除率为0.139μm/min,并获得了超声波磁流变复合抛光工艺参数与材料去除率的关系曲线,得出了光学玻璃超声波磁流变复合抛光的材料去除规律.

研究了一种内嵌超磁致伸缩执行器(GMA)的智能镗削装置,针对GMA迟滞非线性,给出了一种基于复合前馈补偿的精密伺服控制方法.简要介绍了经典Preisach迟滞数值模型的实现方法,给出了一种基于迭代的迟滞非线性补偿方法以避免直接求取Preisach逆模型.讨论了迭代算法的实现步骤,验证了算法的可行性.分析了异圆销孔的镗削加工特点,在迭代补偿的基础上设计了重复控制补偿器,并结合两种补偿方法,给出了一种基于复合前馈补偿的PID控制方法,最后通过实验检验了方法的有效性.实验结果表明:在开环情况下,所给的迭代算法可以将GMA的迟滞非线性由补偿前的-15.7%～+11.8%减小到-4.6%～+5.2%,而基于复合前馈补偿的PID控制则可将误差进一步减小到±1 μm以内.实验表明,迭代补偿算法是有效的,该算法在补偿迟滞非线性的同时可避免直接求取Preisach逆模型,而基于复合前馈补偿的PID控制方法还可进一步提高GMA的控制精度.

压电陶瓷存在着迟滞非线性特性,而且在运行过程中,特性的变化规律也是未知的、不确定的,难以用传统方法获取既有足够精确性又不至于过分复杂的压电陶瓷微位移工作台的数学模型.基于神经网络,本文提出了一种新的建模方法.分析了微位移工作台的结构和建模方法,利用神经网络的自学习和自适应能力,在线调整模型结构和参数,减小工作台的建模误差,为控制系统提供了更为准确的模型信息.采用工作台的位移数据对网络模型进行了训练,实验结果表明,在80 μm行程范围内,工作台的平均定位误差为80 nm,最大误差为100 nm,基本满足纳米定位的精度要求.

提出了一种基于差动电磁作动器的超大型光学仪器隔振基础的主动控制机理.该控制机理采用差动布置方案,使电磁作动器变为输出力和控制电流呈线性关系的线性作动器,再利用小阻尼条件下,绝对速度反馈与Skyhook控制方法性能接近且易于工程实现的特点,采用了绝对速度反馈的控制方法,可在不改变中/高频隔振性能的前提下大幅提高谐振区隔振性能.实验结果表明:利用所提出的控制机理,在时域上,z、θx和θy三个自由度的速度(角速度)均方根值分别由10.06μm/s、4.16×10-6rad/s和4.65×10-6rad/s降至3.38μm/s、1.76×10-6rad/s和1.49×10-6rad/s;在频域上,三个自由度谐振区隔振性能均有约10 dB的提高.

提出了一种稳健的高光谱图像压缩技术.估计原始数据的虚拟维数,继而采用一种非监督的正交子空间投影技术提取端元矢量,构成矩阵作为快速独立分量分析的初始化混合矩阵,进行ICA变换.对变换后的独立分量图,采用二维分层树集合分裂进一步压缩编码.计算机仿真结果表明,该压缩算法在取得40:1压缩比的同时,能有效地保持数据,尤其是小目标和异常的谱向特征,是一种高效的三维数据压缩方法,可有效地应用在小目标检测及异常检测中.

通过分析翅脉图像的特点,提出了一种用于提取昆虫图像翅脉和翅脉交点的亚像素级图像处理方法.该方法应用小波理论对图像消噪,并采用中值滤波预处理图像,然后利用小波同态滤波和双线性广义模糊相结合的算法增强图像的翅脉信号.应用基于Hession矩阵的亚像素提取算法提取翅脉中心点的位置,并根据翅脉方向变化的连续性,利用邻域角度约束方法确定翅脉交叉点.最后,给出几种算法实验结果的比较和分析,结果表明,该方法成功实现了翅脉和翅脉交点特征的提取,并有效抑制了噪声和干扰.

提出了一种优化预测运动矢量的快速运动估计算法.在对预测运动矢量研究的基础上,根据序列图像中运动矢量的中心-中值偏置分布特性和矢量间的时空相关性,结合运动矢量的相似度分析,选用中心、中值和时间相关的三个矢量作为基本预测矢量.设置相似门限来减少由三个空间相邻块预测矢量带来的大量冗余信息,对算法中关键的门限技术进行了改进.实验结果证明,本文算法对各种类型的运动序列都有很强的自适应性,在保持搜索准确度的同时,可大幅度提高运动估计的速度,其平均搜索速度是FS的208倍,明显优于PMVFAST的146倍、MVFAST的77倍、DS的55倍,提高了视频压缩中现有的运动估计算法的性能.

建立了线阵CCD相机几何参数标定系统,对该标定方案所用的设备、实验条件、基于精密测角法的算法和精度进行研究.根据标定精度要求,确定了实验室主要测试设备和环境条件.利用高精度二维转台和CCD细分技术测得被标定系统的一系列视场角和对应像高.最后,利用建立的数学模型,应用最小二乘回归的方法,求得相机几何参数.误差分析结果表明:该方法对主距主点的标定精度可以达到μm级,相对畸变的标定精度可以优于1×10-4.该方法可以满足线阵相机的高精度几何标定要求,具有较高的实际应用价值.

研究了基于遗传算法(GA)的图像相关搜索方法并进行了实验.实验结果表明:基于GA的搜索方法,u的标准差为0.022 pixel,v的标准差为0.032 pixel.这种方法优于以往的全局搜索法,可以避免初值选取的问题,并且收敛速度快、精度高,适于数字图像相关中非线性、多峰值的全局优化.