提出了一个大相对孔径、大视场轻小型CCD星敏感器光学系统设计方案,该星敏感器焦距为22.5 mm,F数为1.2,谱段范围470～750 nm,视场角25°.采用双高斯基本型后加一片近乎等晕的正透镜,获得了较大的相对孔径,同时选择高折射率玻璃材料增大视场并降低轴上及轴外光束入射角,高折射率玻璃材料亦能降低高级像差且使系统总长缩短.像质分析表明,此设计方案能够满足使用要求,光学系统总长仅为46.51 mm,满足实际工程轻量化需求.

针对离轴三反射镜光学系统,分析了改变入射光的平均波长时,大F数望远镜系统在奈奎斯特频率处实验室静态传递函数的变化规律,进而论证了大F数望远镜的可行性.分析结果表明:对于大F数空间望远镜,其入射光平均波长愈短,它的传递函数值愈高,愈能满足对地面分辨率的要求,该结论可作为研制轻型空间望远镜的参考.

提出了离子束加工可达性问题的理论描述和定义,分析了驻留函数解的存在条件,进而分析了采用不同直径的离子束去除不同频率面形误差时额外去除量的大小,最后进行了仿真验证.分析结果表明,对于高斯型的束函数,驻留函数解总是存在的.但是面形误差频率越高,驻留函数解越大,去除面形误差时去除的额外材料越多.额外的材料去除量随着离子束径和空间误差波长之比(d/λ)的增加而指数增加.当d/λ=0.5时,额外材料去除量为15%,还是可以接受的;当d/λ=1时,额外材料去除量迅速上升到73%,该值即很难被接受.理论分析和仿真结果表明,为了优化加工过程,d/λ应该＜0.5.

角膜前表面是人眼屈光系统的主要组成部分,屈光手术通过角膜模型定量计算角膜的修正值,因此角膜模型的精确与否直接决定了手术的效果.一般认为角膜前表面是旋转对称的二次曲面,该曲面的一个重要参数是非球面系数Q.目前大部分的角膜切削模型都没有考虑Q对切削深度和像差的影响,本文基于Littman-Gullstrand模型眼建立模型,分析Q值对屈光手术中透射率、球差以及切削深度的影响.模拟结果显示,Q值对球差和切削深度有显著影响,Q绝对值逐渐增大时,球差S1从正变为负,在Q=-0.528处,可以认为角膜前表面产生的S1为零.Q绝对值增大时,相对切削深度增大,即角膜边缘与角膜中央切削深度差异减小.

利用圆域上正交基-Zernike多项式拟合镜面温度场,将温度场转化为较有意义的模式,采用有限元方法进行了热变形的计算,其中针对空间大口径超薄镜面建立镜面模型,且暂不考虑重力,另外因超薄镜厚度很小,也不考虑轴向温度梯度的影响.通过计算利用Zernike多项式得到温度场产生的热变形,得到了不同温度模式产生的不同像差形式:即对于不同的温度场模式-温度整体变化(平移),一端凉且一端热(倾斜),中心与边缘温度不同(离焦热模式),以及像散热模式,彗差热模式,球差热模式导致的热变形分别主要表现为像差离焦,倾斜,离焦,倾斜,倾斜,球差.不同热模式在相同温差下产生的变形有数量级的差别,能够产生较大变形量的温度模式有离焦,彗差和球差,这意味着超薄镜对这些温度场比较敏感.计算和总结表明,利用Zernike多项式分解温度场,可以对热变形规律进行有效的分析,解决了镜面温度分布随时间变化使得热分析较为不准确的困难.

为研究不同微特征结构对导光板翘曲变形的影响,以导光板翘曲变形为质量目标,利用Moldflow MPl5,首次仿真研究了尺寸规格为11×3×0.8的导光板上5种不同微特征结构阵列(V型凹槽阵列、U型凸槽阵列、金字塔阵列、圆环阵列以及微透镜阵列)在不同工艺参数下对导光板翘曲变形的影响.仿真结果表明,微凸点微结构阵列影响最大,微圆凸点阵列导光板最大翘曲量为0.039 7 mm,圆环微结构阵列影响最小,相同工艺参数下圆环微结构阵列导光板最小翘曲量为0.028 2 mm,两者相差最大达40.78%,而且凹结构微特征阵列对导光板翘曲量的影响幅度总是小于凸结构微特征阵列.结论认为,在导光板设计阶段就应考虑不同微结构特征对导光板注射成型翘曲变形的影响并优先选用圆环等凹结构微特征阵列,以减少导光板注射成型的翘曲量.

分析了激光光针扫描在测量内螺纹曲面时的特性及影响精度的因素.根据光斑在被测面的噪声分布特点,采用中值滤波与小波阈值去噪相结合的综合滤波算法对光斑图像进行了去噪处理,其中中值滤波可以有效地消除光斑图像中的脉冲噪声,而基于小波变换的阈值去噪算法可以消除图像中的高斯噪声.通过综合滤波算法对光斑图像进行处理,可以有效消除激光光斑噪声,消除图像噪声对测量精度的影响,同时保持了光斑图像的细部特征.根据激光光斑图像在倾斜被测物体表面光强分布特点,设计了近似圆拟合算法来确定光斑中心,该算法相对传统算法具有计算量小、计算效率高,适合在线检测的特点,可以克服测量面倾斜对激光光斑中心的影响.利用采用上述方法的坐标机激光光针扫描系统,对标准内螺纹量规进行测量,对比应用前后的测量结果,螺距精度提高了0.48 mm,中径测量精度提高了0.44 mm,牙型角精度提高0.57°.

介绍了子孔径拼接干涉检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,基于齐次坐标变换、最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了一种合理的拼接算法和数学模型.对一抛物面镜进行了五个子孔径的计算机模拟拼接实验,拼接前后全孔径面形误差分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为-0.009 2 λ和0.001 3 λ;全口径相位分布的PV值和RMS值的相对误差分别为-0.39%和0.44%.实验结果表明,利用子孔径拼接技术不需要零位补偿就能实现对较大口径非球面的测量.

给出了一种新型铰链式高冲击微加速度传感器实际封装结构的有限元模拟分析.首先分析了封装前铰链式加速度传感器的振型,然后分析了封装结构在无灌封和五种不同灌封材料下的前十阶模态频率特性.灌封胶弹性模量对封装后加速度传感器整体结构的振动模态有一定的影响,封装结构同一振型的模态频率随着灌封胶弹性模量的增大而增大,但是灌封胶弹性模量很小时(E≤1 GPa)会导致加速度传感器信号失真.模拟结果表明,可以选择弹性模量足够高的材料(E＞9 GPa)作为高冲击加速度传感器的灌封材料.

提出了一种亚角秒精度的转角测量方法.利用ZYGO数字干涉仪测量压电陶瓷转动平台驱动待测标准平面镜偏转前后镜子面形精度的PV(Peak Valley)值,二者的差值除以待测标准平面镜的直径,其结果近似等于压电陶瓷转动平台转动的角度.通过测量与误差分析,验证了压电陶瓷转动平台的转角精度小于1 μrad(0.2″),而测量的总误差和压电陶瓷转动平台移动的角度大小有关,移动距离越大,产生的误差越大,但其相对误差小于1%.本测量方法证明压电陶瓷精密转动平台转角精度达到了极紫外太阳望远镜(EUT)0.8″的角分辨率的要求.

研究了一种基于光电耦合器件(CCD)及图像处理技术的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片微通道几何尺寸的测量系统,论述了该系统的关键技术及其实现方法,包括图像的预处理、二值化、轮廓提取以及微通道尺寸的测量等.利用该系统测量的微通道几何尺寸(1～1 000 μm)与轮廓仪和万能工具显微镜的测量结果吻合很好,最大测量误差为2 μm(半深宽度),分析了测量误差产生的原因.检测实验结果表明:该检测方法提供的微通道几何尺寸评定正确可行、通用性好、应用简便,还可以避免轮廓仪在深结构测量中的误差.

研究了双腔串联两阀压电泵与三阀压电泵的输出性能,分析了这两种泵的结构和工作原理,理论分析得出:三阀泵输出性能优于两阀泵.设计制作了两阀泵与三阀泵实验样机,并通过实验测试证明了理论分析的正确性.分别对两阀泵和三阀泵进口腔和出口腔独立工作时流量输出进行了实验测试,并把进口腔和出口腔独立工作时输出流量相加之和,与两腔一起交叉工作时进行了比较.实验测试表明:两阀泵和三阀泵样机在200 V交流驱动电压下,最大输出流量分别为972 ml/min和1 035 ml/min,最大输出压力分别为28.7 kPa和40 kPa,最大自吸高度分别为0.41 m和0.43 m水柱高.

提出了一种实现固定空间输出位置同步辐射双晶单色器的方法及联动机构.分析了基于Bragg衍射原理的此类X射线双晶单色器发展状况,尤其是在能量扫描过程中,通过运动补偿实现出射光束方向与位置固定的方法,总结了各种机械联动机构.在综合凸轮耦合运动机构及直角联动机构运动特点基础上,详细描述了国家同步辐射实验室成功研制的X射线双晶单色器L型联动机构特征,其融合了二者的优点,简化了结构与运动,重点分析了其结构原理与运动关系,以及机构运动的实现与第二晶体自身微调,并对其性能做了进一步的讨论.测试结果表明,L型联动机构完全适用于实现3.1～12.4 keV整个能量范围的全谱扫描实验研究.

提出了一种简单、高效的PZT压电陶瓷薄膜覆膜驱动的全光纤相位调制器数学模型,该模型计入了PZT压电陶瓷薄膜侧向压电常数d31对相位调制效率的影响,结果表明,对于PZT压电陶瓷薄膜覆膜驱动的全光纤相位调制器,这种影响是不能忽略的,由侧向压电常数d31引起的相位调制相当于由压电常数d33引起的相位调制的15%.应用此模型计算了PZT压电陶瓷薄膜、内电极以及外电极的机械与压电性能等参数对于全光纤相位器的相位调制效率的影响.该模型可应用于全光纤相位调制器的设计与优化.

研究了并联机床的灵巧度评价指标及其在实际加工中的应用.介绍了一种新型的五自由度并联机床,该机床机构具有五个驱动分支和一个约束分支,可以实现三维移动和二维转动.建立了该机床机构的雅可比矩阵,得到了三个影响机床机构灵巧度的指标,即条件数、最小奇异值、可操作性;并通过对这三个并联机床灵巧度评价指标进行分析,定义了两个灵巧度的综合评价指标-综合灵巧度系数和综合灵巧度,分别作为评价不同位形下灵巧度和整个刀位文件灵巧度的指标.最后,介绍了在实际加工中对不同加工轨迹的灵巧度进行综合评价的方法.实验结果表明:机床实际加工∮100平面圆,对各向同性有较高要求时的最优加工轨迹为z=650 mm,保证了机床加工过程中应具有良好运动和动力学性能的要求.

给出了储能/姿控一体化飞轮在高速运转下能量损耗测试原理及方法,建立了飞轮能耗试验系统,进行了能耗试验,分析了飞轮能耗的组成及其影响因素,在试验的基础上,给出了降低飞轮系统能耗的方法.飞轮能耗包括机械损耗、风阻损耗及电损耗,其中比重最大的部分为轴承摩擦导致的机械损耗.提高真空度可以有效降低风阻损耗及电损耗,但机械损耗不受影响,机械损耗随转速升高而增大.在10 000 r/min以下飞轮能耗较低,飞轮具有较好的性能,当转速高于10 000 r/min后机械损耗急剧上升,需要采用磁轴承支撑来降低机械损耗.

研制出了尺寸为30 mm×30 mm×50 mm的压电陶瓷驱动的球基微驱动器样机,并对该微驱动器进行动力学分析以及微型轴孔装配的实验研究.建立了微驱动器金属球空间坐标关系,分析了球基微驱动器的动力学特征,并建立了其动力学模型.采用龙格-库塔法计算出了微驱动器的动力学参数,并利用MATLAB的SIMULINK模块搭建了微驱动器的仿真模型,并对其进行了动力学仿真分析.研制出了球基微驱动器样机,并在此基础上,集成微夹持器形成微操作器,对微驱动器性能进行了实验测试,并开展了Φ180 μm微型轴与Φ200 μm微型孔之间的精密微装配实验研究.最后,分析了微驱动器金属球质量、驱动信号频率、以及金属球与微驱动单元摩擦块接触表面摩擦系数对其性能的影响.实验结果表明:该球基微驱动器的转动分辨率为0.000 1°,转动定位精度为0.000 5°,微驱动器最大工作频率为1 200 Hz.实验结果验证了逆转振动模型的正确性,由该微驱动器所集成的微操作器,完全可以满足对微小元器件的微米级操作与装配等精密作业的要求.

噪声是光电跟踪系统的一个关键问题.分析了影响光电跟踪系统跟踪性能的两种主要噪声-脱靶量噪声和力矩波动引起的噪声,及其与闭环带宽的关系.从抑制噪声的角度综合给出了速度回路和位置回路带宽的设计策略.分析表明,高的速度回路和位置回路带宽有利于抑制力矩波动引起的随机噪声,而对脱靶量噪声而言,低位置回路有利于对该噪声的抑制.进一步分析表明,力矩波动主要对速度回路的影响较大,也主要靠速度回路来抑制.力矩波动引起的随机跟踪误差比脱靶量噪声引起的随机跟踪误差小一个数量级,约为后者的1/6～1/10.因此在设计位置回路带宽时,可以不考虑力矩波动的影响.

根据误差信号的频谱特性将MIMU(Micro Inertial Measurement Unit)误差信号分为长期误差和短期误差两类,分析了两类误差的来源和传统组合导航系统的降噪性能.利用Allan方差法对MIMU长期误差进行分析建模;针对短期误差的频谱特性,使用最优低通滤波器滤除高于运动特性频带上限的部分;通过小波阈值降噪方法减小混叠在运动特性频带中的短期误差.GPS/MIMU组合导航仿真结果表明,经过MIMU信号预处理的组合系统,在GPS信号有效时定位误差减小了20%,而当GPS信号丢失时,累积误差降低了近80%.

提出了一种基于彩色特征的抗遮挡目标跟踪算法.利用mean shift递推寻找当前帧目标的位置,并通过Kalman滤波估计目标状态.选用对目标部分遮挡具有鲁棒性的加权量化彩色直方图作为目标特征的概率分布,用Bhattacharyya系数作为特征相似性度量.提出一种目标遮挡因子,作为目标被遮挡程度的判断根据.当目标严重遮挡后,观测位置不再满足Kalman滤波的条件,采用目标状态量外推取代Kalman状态更新来预测目标当前的位置.实验结果表明,此方法对于部分遮挡以及全遮挡有较好的鲁棒性.

介绍了一种PCB待测图像预处理算法,它包括对待测图像的去噪和二值化分割两个部分.该方法使用Harr小波对待测图像的灰度直方图进行平滑处理来消除其中的"伪谷值点",再充分利用标准图像的先验信息来确定一个二值化分割阈值的大致范围,最后在这个范围内找到直方图的谷值,这即是所需的阈值.实验表明,该预处理算法能够得到一个满意的图像二值化阈值,处理后的待测图像目标边界清晰,很好地保留了所有走线缺陷,同时消除了大部分可能影响后续匹配的噪声,处理时间也较短,可以达到实时检测的要求.

根据视场角为70°的大视场光电测量系统中光学系统产生畸变的机理及径向变化的特点,设计了由11个等距激光目标点组成的畸变检测装置.对于不同的光学测量系统,按照畸变检测的三个步骤对光学系统的畸变进行检测,根据测量得到的系统畸变变化情况,拟合出实时测量时目标点在线阵CCD上成像位置的补偿方程,编写出成像位置数据采集及实时处理的补偿程序,提高了测量系统实时测量的精度.在对焦距为29.98 cm的光学系统进行实际校正测试中,结果表明,当目标物距为1 651.59 mm、物高为400.007 mm时,按照拟合的二次补偿方程进行计算补偿,可将畸变误差从校正前的-0.026 4 mm提高到校正后的-0.002 9 mm,并使系统整体检测精度从0.36%提高到0.04%.

针对在粗光栅软件细分中的信号误差影响细分数的问题,提出了按细分的主要误差来源分类进行数字滤波和补偿的全数字化处理法,以达到粗光栅高精度测量的要求.首先对光栅测量信号进行有针对性的数字滤波,使其波形接近于理想状态.然后根据误差来源进行数字补偿,通过对软件数字细分原理的分析,推导出了原始信号不正交、幅值不等、谐波失真等误差影响细分结果的表达式,并提出了与此相对应的数字补偿方法.最后用软件细分法对测量信号进行高倍数数字细分.滤波前后波形信号的仿真比较结果验证了基于严格线性相位的FIR数字带通滤波器可以有效地屏蔽光栅信号频谱中的高低频干扰和噪声.研究结果表明,在粗光栅满足一定质量的前提下,利用全数字化处理法能够满足500细分的精度要求.

提出了一种基于自适应非线性扩散方程滤波的边缘检测方法,以提高图像测量的精度.首先对原始图像实施一种非线性扩散处理,即沿着等照度线(边缘)的梯度方向实施反向扩散以锐化边缘,而相反地沿切线方向实施正向扩散以去除噪声和锯齿伪像;然后应用经典的微分算子来检测边缘.实验结果表明,相对于经典的边缘检测算子,本算法得到了尖锐而平滑的单像素宽的图像边缘,较好地定位了边缘,相对误差为0.03.当图像边缘模糊和存在附加噪声时,测量结果将会受到很大影响.本方法较好地定位了边缘像素,对于微小尺寸测量显示出它的优越性.

为了实现对工件的自动影像测量,建立了自动影像测量系统.对该系统所采用的图元识别、图元测量、基于自动聚焦原理的高度测量等算法进行研究.根据圆形和矩形图元的面积和真圆度等特征参数介绍了图元识别算法.以直线和圆形图元为例分析了典型图元的测量算法,即在提取图元边缘点的基础上进行图元拟合.在分析比较能量谱等聚焦评价方法的性能的基础上,说明了采用自动聚焦原理进行高度测量的算法.最后,介绍了系统比例尺的设定方法以及光栅尺读数的误差补偿方法.实验结果表明:比例尺的标定精度为0.5 μm图元的测量精度在微米级;高度测量精度为0.035 mm,基本满足自动影像测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求.