建立了一种利用双光子聚合技术快速制备三维微结构的方法,并对加工分辨率进行了研究.通过对高速扫描原理的研究,提出了采用二维振镜与一维压电微移动台相结合,利用跳跃和扫描协同的运动模式,以段段扫描方式进行三维微结构加工的系统来提高其加工速度.实验制备千里马和具有木堆结构的三维光子晶体结构说明,采用上述扫描方式可使其加工速度较点点扫描方式提高10倍至1 000倍.实验结果表明,使用一定的激光功率时,其加工分辨率随曝光时间减小而显著提高,实验得到了50 nm的线宽分辨率,超过文献报道的100 nm的最高值.研究还表明,上述加工方法可实现激光三维微结构的快速制备并具有高分辨率加工的特点.

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响.根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响.为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究.实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100 μm、200 μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm2.用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合.数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值.

为了分析紫外光对液态光敏树脂进行曝光固化成型过程中工艺参数对固化物的形状和精度的影响,根据自行研制的实验系统的大量数据,对线形固化中的主要工艺参数进行了分析和优化.结果表明,在单层液态树脂膜厚30μm,曝光光束功率0.15 μW,扫描速度15μm/s以及工作距650μm时能够得到具有较高精度线宽和线高的固化直线段,利用优化的工艺参数,成功实现了三维微小实体结构的成型制造.

提出了一类以铁电液晶作光调制层的空间光调制器等效电路模型,对调制器的灰度响应特性进行了动态仿真研究,给出了驱动电压频率100 Hz～1 kHz和写入光强0～10 mW/cm2时调制器的强度转移特性曲线.结果表明,光寻址空间光调制器(OASLM)电光响应的上升时间随写入光强的增加而减少,写入光强由0.5 mW/cm2增加到10 mW/cm2,上升时间从1.44 ms减少为74μs.写入光强存在使输出光强随之(准)线性增加的范围,调制器工作在该范围内即可显示不同灰度;强度转移特性对电压频率十分敏感,调节频率可对调制器的工作范围及灰度区内强度转移特性曲线的斜率等进行控制,频率由100 Hz增加到1 kHz,工作范围由(0.08 mW/cm2,1 mW/cm2)改变为(2 mW/cm2,10 mW/cm2),同时线性段内强度转移特性曲线的斜率减小.另外,虽然擦除光对强度转移特性的影响很弱,但必须注入擦除光以抑制无写入光注入时的光响应和保证在新信息写入前擦除先前的信息.由该模型得到的仿真实验结果在趋势与量级上均与有关文献的实测结果相一致.

基于多层膜干涉滤波的理论提出了一种在平面波导通道中进行干涉滤波的新方法,这种方法可以使窄带滤波器完全集成在波导通道中,实际上就是波导通道的一部分.根据这种方法优化设计了两种波导干涉滤波器单元器件,并且以27层开放式波导干涉滤波器双腔结构为例,计算了垂直入射时的输出光谱和单腔结构滤波后的场强分布.最后,分别分析了滤波器的波导膜的材料、厚度和信号入射角度对输出光谱的峰值透过率、通带半宽度、消光比以及有效区域的影响,提出了进一步优化的方向.这种在平面波导通道中直接进行窄带滤波的技术将在光通信、光传感和光信息处理等很多方面有广泛的应用.

介绍了一种光纤光栅空分复用传感系统,并将光纤光栅的传感特性应用于结构健康检测系统中.宽带光源发出的光波进入光栅阵列时,利用光开关选通不同光路实现FBG空分复用传感系统.系统采用等腰三角形悬臂梁调谐装置对FBG进行挠度加载,利用非平衡M-Z干涉技术对传感信息进行解调,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,从而得到被测应变的大小,成功地实现了空分复用传感.该系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点,其传感分辨率为7.3 nε,灵敏度的实验值为0.82°/με.

建立了一种新的生物量浓度测量方法,并对传感器的设计进行了研究,介绍了传感器的组成原理、光路、理论分析和相关实验.基于光的吸收和散射与介质的浓度、通过介质的光程和入射光强有关,生物量浓度的变化会引起吸收和散射的变化,从而导致接收光能量的变化这一物理现象和理论,将接收光能量的大小与具有实用意义的生物量浓度测量联系起来,建立了一种新的生物量浓度测量方法.实验选用了760 nm近红外光源,在20℃恒温情况下,对生物量浓度测量进行了实验研究.结果表明,这种方法用于测量微生物菌液浓度具有很好的对应函数关系,测量的最大相对误差＜0.2%,具有生物量浓度在线测量准确、灵敏高、使用寿命长等优点.传感器的设计原理和方法具有一定的普遍意义,是一种有实用价值的生物量浓度传感器,可实现对含有微生物的菌液进行生物量浓度在线测量.

讨论了一种新的双高斯型与Topogon型复合的光学系统.新型结构是在传统结构的基础上,于光阑附近增加一个光焦度不大的负薄透镜,降低了系统的高级负球差,减小量为-0.079 4,而增加的-0.110 7的高级负像散与初始设计的高级正像散抵消,并产生了-0.068 2的高级负场曲抵消原有的正场曲,使像散和场曲的校正得到明显改善,成像质量显著提高,特别是1视场MTF从0.112提高到0.493.

在分析接触式轮廓测量仪误差的基础上,以最小二乘法为基本数学理论,提出了一种能同时校正由于非球面镜放置时存在的X、Y方向的倾斜、X、Y、Z方向的偏心,曲率半径不准确、以及由于轮廓仪的旋转中心与探测头的零点之间随机的微小偏移所造成的测量误差的数学模型.数学模拟表明,该模型在校正上述误差源上具有极高的精度,对1cm以下的偏心和0.1°以下的倾斜可无误差地恢复,对曲率半径的恢复也极为有效.实际工程应用的结果表明,模型是可靠有效的,为接触式非球面轮廓测量提供了一个宽松的镜子放置条件及自动拟合最佳曲率半径的功能.特别是自动校正由于轮廓仪的旋转中心与探测头的零点之间的随机微小偏移所造成的测量误差的功能提高了测量仪的测量精度和测量结果的重复性.

介绍了一种新颖的非球面轮廓仪的测量原理和测量试验,它通过测量非球面与某一参考球面之间的偏离量来唯一确定非球面的面形误差,通过调整测量臂长以及回转轴线与光轴之间的夹角实现对不同非球面的测量.系统主要由高精度两维转台,高刚度测量臂,四自由度微调系统和高精度扫描测量传感器组成,并分别在VC++6.0与MATLAB平台上开发了测控软件以及数据处理软件.该测量方法的优点是测量所需传感器量程小,测量运动为一个简单的回转运动;缺点是测量调整自由度多,校准困难.建立了测量系统的数学模型,通过测量数据与名义面形之间的非线性优化,在获得面形误差的同时获得了非球面面形参数误差.通过测量多条截线实现了对非球面面形的全口径检测.最后对直径200 mm,顶点曲率半径1 400 mm的凹形抛物面镜进行了测量,结果表明,系统重复精度优于0.8 μm,精度优于1 μm.

在有关文献对全混洗讨论的基础上,补充、完善了左逆混洗、右混洗和右逆混洗的研究.针对目前已经采用的实现左混洗变换方法的不足,提出了利用微光学衍射元件(微闪耀光栅阵列)实现全混洗变换的方法.通过对微闪耀光栅阵列周期参数的确定,可以控制信号光在空间闪耀输出的方向和闪耀角的大小.利用反应性离子刻蚀技术制得了1×8的微闪耀光栅阵列,成功地实现左混洗变换,该方法同样可以实现左逆混洗、右混洗和右逆混洗变换.实验结果表明,与其它实现方式相比,该方法具有器件尺寸小、衍射效率高(理论上衍射效率可达到95%左右)、光路简便易行、易微型化和集成化等特点,能够用于多级互连构建全混洗光互连网络.

为使风云一号C和风云三号气象卫星红外地平仪不受太阳辐射视场的干扰,研制了一种视场保护系统,对该系统的优缺点、视场确定方案、峰值信号的标定算法进行了研究.分析了红外地平仪在轨运行受太阳辐射干扰影响的严重性,对视场保护系统进行了比较.设计了非扫描机械式视场保护系统--太阳探头,研究了有效的测量装置,测量确定了太阳探头的视场范围,推导了太阳探头信号测量的理论公式.根据太阳穿越大气辐射的理论,给出了标定太阳探头峰值信号的方案,并进行了外场试验.风云一号C气象卫星在轨运行验证表明:太阳探头有效地保护了红外地平仪.因此,太阳探头装置成功应用在卫星姿态测量装置中,研究的太阳探头将同样运用于即将发射的风云三号气象卫星红外地平仪视场保护中.

为了获得太阳电池的Ⅰ-Ⅴ特性曲线及特性参数,利用Visual C++语言开发出基于Windows平台的太阳电池测试软件系统,并对基于补偿原理的Ⅰ-Ⅴ测试电路参数匹配进行了详细分析.电路中串联电阻及桥式直流电源对电池的暗特性影响变化不大,但可使光特性Ⅰ-Ⅴ曲线发生显著变化.通过参数匹配的调整与优化,测量数据与电池的标准数据基本吻合,其误差仅为1%～2%,表明该测试软件系统满足实际使用要求,为电池性能分析提供了准确的依据.

由于固-液界面双电层的作用,矩形微流道中的压力驱动流存在电动效应.矩形微流道截面上双电层场和速度场的控制方程分别是二维Poisson-Boltzmann方程和修正Navier-Stokes方程.应用有限控制容积法对控制方程进行了数值求解,并计算了压力梯度与雷诺数之间的关系,模型预测值与试验值之差在5%之内.相同尺寸的微流道中,考虑电动效应的模型预测液体摩擦系数的值大于宏观流体理论中液体摩擦系数的值,且电解质溶液浓度越低,摩擦系数偏离宏观流体理论值越大.

提出了一种过程中采用的新型三支链六自由度并联微动机器人结构.采用两端分别带有柔性球铰和柔性旋转铰的支杆以简化结构,整体加工包含三个二自由度单元的基平台来有效减小装配误差,并用压电陶瓷驱动弹性平板获得高分辨率高精度.根据运动影响系数理论对其运动学进行分析,求出了其平动台、支杆和柔性铰链的速度表达式.考虑柔性铰链的弹性变形,基于虚功原理建立了其刚度模型.分析了此类并联微动机器人的设计目标和柔性铰链设计原则,采用模块化精密定位控制器设计了控制系统.实验结果表明,所设计的微动机器人可达到纳米级精度,简化了六支链六自由度并联微动机器人的复杂结构,减小了装配误差.

给出了系统完整的机电耦合动力学模型.利用拉格朗日方程建立了系统的力学模型,考虑了平台各个电磁力之间的耦合以及传感器组的几何中心与平台质心不重合带来的耦合效应;基于PID控制理论建立了平台控制系统的微分方程,分析了传感器与控制磁极非共点安装产生的耦合影响.最后,基于系统的机电耦合动力学模型,进行了平台运动稳定性分析,得到了平台实现稳定悬浮时控制参数的选择范围,垂直方向:0.3＜Kp＜141.5,0＜Kd＜0.052,水平方向:0.3＜Kp＜77.4,0.001＜Kd＜0.038.实验结果表明,控制参数选择范围准确,稳定悬浮时平台具有良好的动、静态性能.

优化设计出一种微电磁继电器,介绍了其驱动原理,通过对微电磁继电器的电磁驱动力及活动衔铁的位移进行分析计算,设计了微电磁继电器的三维结构,以增大磁路效率,减小漏磁通,从而增加电磁驱动力.采用MEMS加工工艺,试制了该新型微电磁继电器的样件,其尺寸为5 mm×5 mm×1 mm,它由上磁路、下磁路、平面励磁线圈、固定触点和活动衔铁等部分组成.微电磁继电器的平面励磁线圈电阻约20 Ω,外加5 V电压时,微电磁继电器可实现吸合动作.吸合后,微电磁继电器的导通电阻为14.5 Ω,继电器的响应时间为1 ms.

提出了一种以压阻检测技术为基础,压电陶瓷为微驱动元件,具有两级位移放大且集成三维微力传感器的微夹持器.采用有限元软件对微操持器放大机构和传感器弹性体进行分析,并给出了传感器的标定方法.实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点,满足了预计的设计要求,传感器最大量程为10 mN,X向与Y向的分辨率均为2.4 μN,Z向的分辨率为4.2μN;同时也验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性,当压电陶瓷驱动电压取200 V时,微夹持器的张合量达到最大值274 μm.

为提高小尺寸零件测量精度和速度,提出了基于支持向量回归(SVR)的小尺寸零件精密测量方法.系统以齿形链板为研究对象,对其主要参数进行测量.系统采用透射照明方式,使用A102FCCD数字摄像头采集齿形链板的图像,经过IEEE1394数字接口卡传输到计算机.对含有噪声的原始数字图像实施中值滤波降噪、二值化,轮廓提取及图像旋转等处理,使图像转变成易于检测的单像素宽边缘信息.然后根据齿形链板长度与宽度比例确定待检测区域,以待检测区域内的边缘轮廓上的各像素点构成对应线段的训练集,进行支持向量回归,获得具有亚像素表示的各检测线段的回归函数,并据此对齿形链板的主要参数进行测量.最后,对测量误差进行了分析.测量结果满足零件的公差要求,测量精度可达2 μm.理论分析及实验结果表明,该方法测量速度快,测量精度高,同时对图像平面内旋转、尺度变化、噪声等具有较强的鲁棒性.

CCD芯片的驱动系统是数字航测相机的核心部分,它关系到整个相机的性能和技术指标.介绍了高分辨率全帧CCD芯片FTF4052M的内部结构和驱动时序,采用集成芯片设计了该CCD芯片的驱动电路并应用于数字航测相机系统,其中包括驱动电路的时序设计和所需偏置电源的设计.集成芯片SAA8103为驱动CCD芯片提供脉冲信号,与TDA9991协调工作产生CCD垂直行驱动时钟,与74ACT04芯片配合产生驱动CCD芯片的水平像素转移时钟.实验结果表明,此CCD驱动系统采用大规模专用集成芯片进行设计,具有性能好,功耗低,体积小的优点,能够输出两路CCD电压信号,数据输出速率达2帧/s,满足了数字航测相机系统的设计要求.

提出了一种基于改进的图像差分算法与特征不变量匹配的目标识别方法.通过三帧差值法获得了更完整清晰的目标轮廓,并基于该轮廓信息构造了一个具有平移、大小和旋转不变性的特征不变量;然后提出动态极值匹配法,利用特征曲线的极值信息点进行识别匹配,并动态替换原特征模版.实验结果表明,该方法能够准确识别目标,显著地提高识别跟踪效率,并且适用于检测运动姿态发生变化的目标.对于分辨率为288×352像素,每像素8位量化的序列图像,处理每帧图像平均用时0.011 74 s,其中特征提取与匹配过程平均用时0.005 476 s,能够实现对运动目标的实时分析,可同时满足运动目标识别跟踪中实时性和准确率的要求.

分析总结了基于JTC的光学加密系统密钥设计问题,提出了采用模糊控制迭代算法来代替G-S算法生成密钥,并与利用G-S算法和平滑修正法所得密钥进行了对比.理论计算和计算机模拟实验结果显示,模糊控制迭代算法的迭代结果其振幅均方误差为0.69%,振幅不均匀度为1.01%.采用模糊控制迭代算法生成的密钥解密质量优于G-S算法和平滑修正法.

提出了一种将小波变换和自适应正则化方法相结合的盲图像复原算法.该算法先对退化后的图像进行小波分解,得到图像在不同子频段的信息;然后针对各个子频段内图像的频率和方向特性,使用不同的自适应正则化复原方法,在图像的低频子频段进行去模糊;高频子频段则进行抑制噪声和保边缘特征;最后通过小波逆变换得到复原后的图像.实验结果表明,MSE减少了1.60,信噪比增量为1.76,算法性能和复原效果相对空间自适应正则化方法,都有一定的提高.

介绍了一种光笔式单摄像机便携三维坐标视觉测量系统.在分析该系统成像特点的基础上,提出了一种控制点椭圆形光斑图像的数字识别方法.常用的方法是在CCD摄像机镜头上加滤光片来隔离背景干扰亮斑图像,该方法以光笔上被测控制点在摄像机CCD像平面上的光斑图像轮廓所占像素个数为基准,剔除过大和过小的图像轮廓,进而采用基于椭圆线轮廓度误差的评定方法实现控制点椭圆形光斑图像的识别.给出了该方法的具体算法,实验结果表明该方法简单方便,易于实现,检测速度较快,适用于圆形被测控制点的视觉检测系统,具有一定的理论意义和工程实用价值.

从图像恢复的角度,提出以正则化方法完成后处理任务.分析了正则化方法的模型,并给出了边缘保持的正则化函数所应具有的特性.从复杂性、健壮性和对边缘细节粒度控制的能力三个方面选择了相应的势能函数,然后以半二次正则化将能量函数进行转换,使其快速达到最小化.最后给出了整个交替迭代后处理算法的描述.该方法对图像边缘细节具有自适应性,并能较快地取得最小值.实验结果显示,该算法能有效地提高低码率压缩图像的客观质量和视觉效果.

给出了用干涉条纹图像重建反射镜三维面形的方法,用泰曼格林干涉仪采集被测镜面的干涉条纹图像,通过对于涉条纹图像进行处理得到镜面高度采样,采用泽尼克多项式拟合镜面的曲面函数,测量到了镜面的三维高度数据.干涉条纹图像上相邻条纹与参考面之间的距离相差一个标准光源波长,因而该测量方法的关键是得到条纹波峰或波谷的精确位置,从而达到了镜面相对高度的采样的目的.采用巴特沃斯低通滤波对条纹图像进行滤波,去掉噪声的影响,然后对图像二值化分割出亮条纹,用数学形态法对二值条纹图像细化得到条纹的中心线,结果表明,低通滤波方法能有效地减少细化条纹的分支和断裂.最后定义每条条纹中心线的相对高度,利用前39项泽尼克多项式对镜面高度进行最小二乘法拟合,计算了镜面被测区域的曲面高度数据.该方法可以用来测量强激光引起的镜面热变形.

介绍了调制频率偏移抖动的起因,并分析了相干检测过程中由于调制频率偏移抖动所引起的误差,对模拟和数字相干调制和解调过程建立了数学模型.基于文中所建立的数学模型,确定了调制频率偏移抖动对模拟和数字相干调制和解调过程的影响,特别是其对离散采样过程的影响关系.最后,提出了一种基于模糊逻辑的隶属函数加权采样算法,并进行了实验.实验结果表明,使用隶属函数加权采样算法后,当调制频率偏移范围小于±9.2%时,相干检测的精度未受影响;而未使用隶属函数加权采样算法时,当调制频率偏移范围大于±3%时,相干检测的精度便会受到影响.结果还表明,调制频率偏移抖动对模拟和数字相干检测过程影响的数学模型在相干检测应用领域很有价值,提出的隶属函数加权采样算法能够有效地消除调制频率偏移对相干检测的影响,其效果已经在应用中得到了验证.

针对场流分离后,微粒处理时存在尺寸不直观等问题,提出了基于图像处理技术检测微粒尺寸的方法.首先用CCD并配合图像处理软件采集微粒图像并进行预处理,然后用阈值化方法分割图像.在测量尺寸时,以小麦粉作为被测量样本,利用动态聚类处理,得出微粒16个、最大半径1.600 μm、最小半径1.000μm、平均半径1.187 5μm、半径方差0.661 4等.试验表明,本文提出的检测微粒尺寸参数的方法方便可行.

在确定激光器的发散角度、脉冲峰值功率、接收光学系统的参数以及确定激光器和接收光学系统的几何配置后,激光主动成像系统要想得到更远距离更高分辨率的微弱目标的图像,就只受微弱目标的探测成像及处理技术的制约,因为在较长的距离和有限的激光能量下,不可能立刻照明整个目标场景,接收成像端CCD上每个像素接收到的光照度也不可能达到相当的水平.为了在特定的脉冲激光能量下增加成像系统的成像距离,同时减轻大气扰动对成像分辨率的影响,研究了一种独特的图像处理算法,用激光多脉冲来获取整个目标场景的图像,采用辐射量来确定每次曝光时间内最大景物照明区域,这种独特的多帧后处理算法,可以在大气扰动和连续散粒噪声影响下,得到比传统连续照明方式更高分辨率的图像.