期刊基本信息
创刊：
1959年 • 月刊
名称：
光学 精密工程
英文：
Optics and Precision Engineering
主管单位：
中国科学院主管
主办单位：
中国科学院长春光学精密机
出版单位：
科学出版社
主编：
曹健林
副主编：
白雨虹
ISSN：
1004-924X
刊号：
CN 22-1198/TH
电话：
0431-86176855
邮箱：
地址：
长春市东南湖大路3888号
邮编：
130033
定价：
100元/期
光学 精密工程 第16卷 第4期
应用低压反应离子镀(RLVIP)技术在Ge基底上沉积了Get1-xCx薄膜.制备过程中,低压等离子源作为辅助等离子源,Ge作为蒸发材料,CH4作为反应气体,在相同的沉积条件下以不同的沉积速率制备了C含量(x)从0.23到0.78的Ge1-xCx薄膜.X射线衍射测试表明制备的Ge1-xCx薄膜为无定形结构.用X射线光电子能谱研究了不同C含量下Ce1-xCx薄膜中C的化学键合变化.研究结果表明;当x>0.78时,成键为C-H键;当x为0.53～0.62时,成键为C-C键;当x<0.47时,成键为Ge-C键.
Ge1-xCx薄膜 低压反应离子镀 X射线光电子能谱 离子辅助沉积 
提出了一种S曲线光强控制模型的参数优化方法.在分析S曲线光强控制模型的参数变化对线条闭合质量影响的基础上,以对接区域曝光量分布曲线恰好存在一个极值点时为最优,确定出光强控制模型中的圆弧弧度θ和曲率半径R的函数关系.基于该优化方法的对接区域长度由θ唯一确定,且当θ较小时,其仅为斜线段光强控制方法确定的对接长度的2倍.实验结果与理论分析吻合,表明该优化方法进一步增加了对接区域曝光量分布的有效过渡长度,减缓了曝光量在路径方向上的变化速率,从而在保证直写效率的同时提高了线条对接质量.
S曲线光强控制 激光直写 参数优化 对接质量 曝光量分布 S-curve intensity control laser direct writing parameter optimization joint quality exposure dose distribution 建立了共聚焦内窥镜成像系统,对该系统的横向和轴向分辨能力进行测量和分析,并研究了其对猪皮肤组织的层析成像能力.根据系统工作要求,说明了系统的工作原理和组成结构,然后给出系统空间分辨能力的理论计算式,最后测试系统性能,说明了测量值与理论值存在偏差的主要原因.实验结果表明:系统的轴向分辨能力约为10 μm,横向分辨能力约为1.9μm,可以对猪皮肤组织进行层析成像.
层析成像 生物组织 共聚焦内窥镜 在研究激光跟踪测量系统结构和工作原理的基础上,建立了系统运动学模型和跟踪转镜中心偏移数学模型.分析了系统测量中基点位置变动误差、转镜跟踪目标反射器跟踪误差和转镜反射面与激光束不垂直误差等.分析结果表明:基点位置变动误差为0.017 mm,转镜反射面与激光束不垂直误差为0.004 5 mm,转镜跟踪目标反射器跟踪误差约为0.因此,在跟踪转镜结构设计中,为保证激光束反射点与基点位置重合及转镜旋转跟踪目标反射器时基点空间位置保持不变,应尽量减少跟踪转镜旋转点与镜面之间的距离.
激光跟踪测量系统 误差分析 跟踪转镜 建模 针对微小物体的无损检测,研制了一套采用X射线敏感CCD的微型X射线数字成像系统,测试了系统的性能.根据选定的E2V公司X射线敏感CCD,采用两片CPLD产生系统所需的各种时序,对CCD进行驱动,设计并制作了CCD驱动电路、模数转化电路、数据采集与通讯电路、图像获取及处理软件等.该系统采用USB2.0接口与计算机进行通信,并采用USB接口电源供电.最后,对系统的性能指标进行了对比测试.测试结果表明:微型X射线数字成像系统的辐射剂量低于传统胶片辐射剂量的20%,系统的分辨率>10 lp/mm.该数字X射线成像系统具有体积小、结构简单、分辨率高的特点,能够满足牙齿实时诊断以及微细结构无损探伤的要求.
X射线成像 X射线敏感CCD 分辨率 辐射荆量 提出了一种新的编码器误差修正技术.建立了径向基函数网络模型,以高精度检测仪器的检测值为学习目标,以生成最小映射误差为原则调节网络权因子、径向基函数中心和宽度,使建立的网络具有良好的学习能力和泛化能力.利用DSP的在线烧写技术保存网络建模参数,从而无需拆改编码器系统即可实现误差的补偿与修正,并且可根据使用需要进行程序更新.仿真和实验表明,采用此种方法可将编码器的精度提高至原来的1～3倍,有效地改善了编码器的系统精度,并且很好地解决了非线性误差对系统的影响.
光电编码器 神经网络 径向基函数 误差补偿 数字信号处理器 介绍了一种利用脉冲激光塑性化弯曲单晶硅片的新方法.在分析和描述光脉冲时空特性的基础上,运用有限元分析软件ANSYS对硅片弯曲过程进行了建模仿真,得到了脉冲激光弯曲过程中温度场与应力应变的仿真结果.描述了脉冲激光作用过程中温度场与应力应变的周期性瞬间变化特征,指出了脆性材料硅片的脉冲激光弯曲机理不属于简单意义上的温度梯度机理或屈曲机理,而是两种机理共同作用的结果.通过6次扫描实验,实现了对硅片的有效弯曲,弯曲角度达6.5°,仿真结果与验证性实验相符.
硅片 脉冲激光 弯曲成形 数值模拟 介绍了一种用于高速测量的CCD激光位移传感器测量系统,可用于高速、实时地测量运动物体的位移或高速振动.传感器测量系统由光学系统、7 500像元的高速线阵CCD、转换速率达40 MHz的高速ADC、高速缓存FIFO、比较器筛选电路、CPLD时钟驱动电路、像元脉冲计数器和数字信号处理器(DSP)构成.系统采用自适应控制方法,通过调节激光的发射频率和输出电流强度来调节发射激光光强,从而适应各种被测对象和外界环境条件.采用特殊设计的比较器筛选电路来控制FIFO对高速A/D采样数据的存储和DSP对高速FIFO中数据的读取,使FIFO只存储CCD输出的有效像元信号,从而减轻DSP数据处理的负担,实现对CCD传感器信号的采集与处理同时进行,满足高速测量的需要.实验结果表明,数据转换速率可达40 M,最小采样间隔时间为0.1 ms,位移分辨率为0.01 mm,重复性为0.01 mm.
激光传感器 CCD传感器 线阵CCD 数字信号处理器 高速数据采集 建立了基于市售数码相机和投影仪的结构光三维测量系统,研究了系统的数学模型、标定方法及镜头畸变校正方法.在射影几何矩阵模型和三角法解析模型的基础上,结合市售设备内部结构参数精度高、工作稳定的特点,建立了实用数学模型.提出一种借助数码相机赋予投影仪"视觉"功能,向标定模板投射正交格雷码图案,从而确定数字微镜(DMD)像面点和空间标准点对应关系的投影仪标定方法.最后,作为上述数学模型的基础,设计了基于共线特征的校正模板,采用图像法将数码相机镜头畸变参数分离于系统参数之外单独标定.实验结果表明:仿真系统测量相对误差约为0.2%;实际系统测量相对误差<0.7%.结果验证了方法的可行性,重构的复杂表面具有良好视觉效果.
结构光 数学模型 标定 投影仪 数码相机 镜头畸变 针对空间圆(类圆)孔的几何量测量,传统视觉测量方法一般采用双目立体模型,基于立体像对来实现对圆孔空间位置的测量.受传感器成本、体积、重量的限制,该测量方法在特殊视觉系统,尤其在发展迅速的基于工业机器人平台的柔性视觉检测系统中均显不足.本文基于单摄像机架构的线结构光视觉传感器,提出了圆(类圆)孔定位两步法,讨论和分析了被测圆心x,y,z向坐标测量误差.通过对被测圆心定位误差的分析计算,在实际测量应用中,z向测量精度可以优于±0.25 mm,z,y向测量精度优于±0.006 mm.研究结果表明,该方法切实可行,可以满足实际测量需求,扩展了线结构光视觉传感器的应用范围.
线结构光视觉传感器 圆(类圆)孔 定位 误差分析 分析了Roberts柔性机构的伪刚体模型,说明对应某一行程,轨迹点P的位置存在最优解使其运动直线度最高,给出了一种直线度等值线图方法来确定最优解的大概位置,最后借助有限元方法做进一步的优化.由于单个Roberts机构只能提供点的直线运动,所以将两个Roberts机构并联得到一个柔性导向机构.对这种柔性导向机构进行了设计加工、仿真以及实验,结果表明,这类柔性导向机构经过优化后,在毫米级行程时垂直运动方向上的偏移<1 μm,基本满足大行程、高精度柔性直线导向机构的要求.
Roberts机构 柔性机构 直线导向机构 直线度 针对纳米定位平台的构型和定位精度问题,采用体硅加工技术成功地研制了一种基于单晶硅并带有位移检测功能的新型二自由度纳米级定位平台.介绍了定位平台的相关制作工艺,并对关键工艺进行了分析,总结了导致器件失效的主要原因,探讨了减少失效的方法.同时,提出了一种可行的面内侧面压阻加工方法.通过对深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺参数的调整,成功地刻蚀出大尺寸、大深宽比的结构释放窗口,释放了最小线宽为2.5 μm,厚度为50μm的梳齿结构.
体硅工艺 深度反应离子刻蚀 背片技术 面内侧面压阻 纳米级定位平台 为了克服超磁致伸缩致动器用于精密驱动定位时磁滞现象所带来的影响,在进行磁滞补偿的前提下,研究了自校正PID控制原理,建立了基于广义最小方差原理(GMV)及模糊(Fuzzy)规则的广义最小方差-模糊PID(GMV-Fuzzy PID)控制方法.介绍了广义最小方差原理的主要思想,并由此推导出PID参数与被控对象参数的关系.在上述关系的基础上,建立了以误差与误差变化量为输入,待定参数k为输出的模糊规则.最后,根据在线估计的被控对象参数及GMV-Fuzzy PID的输出,在线调整PID参数,实现磁滞补偿后对致动器的控制.实验结果表明:采用GMV-Fuzzy PID控制器,每次运算时间比采用Fuzzy PID控制器缩短了0.015 4 s,跟踪误差均方差相差0.036μm.该方法能有效消除被控对象由于扰动带来的影响并缩短运算时间,在一些实时性及控制精度要求较高的精密加工场合,有良好的应用价值.
超磁致伸缩致动器 广义最小方差 模糊控制 PID控制 提出了一种声控无阀压电喷流泵,利用声控电路控制压电泵开启、关闭并控制其喷流状态,实现了无需信号发生器而直接驱动压电泵工作.阐述了声控电路没计结构和工作机理,设计并加工了声控振荡电路和声控开关电路板,并与无阀压电喷流泵匹配进行了系统调试.实验结果表明:压电泵喷流状态随外界声音频率、振幅变化而变化,声音频率越高、振幅越大,压电泵喷流高度增高,出水量增大;当声音频率与压电泵基频产生共振时,压电泵达到最佳喷流效果.
声控电路 无阀泵 压电喷流泵 实验测试 提出了适合工程实际的微扑翼飞行器的设计方法.利用几何相似原理,拟合了以翼展为基本参数的仿生公式,并确定了飞行参数、结构参数和动力参数.根据初步的仿生设计结果,进行传动结构、翅翼尾翼等总体结构设计,并按照运动学分析、气动力分析、动力学分析相结合的动态分析方法研究了扑翼样机理论上产生的升力.与风洞实验结果比较表明,平均升力误差为0.61 g,基本满足设计要求,为微扑翼飞行器的研制提供了理论和实验依据.
微扑翼飞行器 总体设计 动态分析 风洞实验 提出了一种新的外骨骼式多指机器人,用于测量舱外航天服手套力学特性.设计了基于平行四边形连杆的外骨骼式机械手指,这种手指机械刚度大,指节长度根据需要可调节,能够围绕航天服手套实现包络运动且可实现双向驱动.根据机械手的结构特点,建立了其运动学模型.然后,在手指动力学基础上设计了鲁棒μ控制器,分析了系统的模型不确定性.将负载动力学作为系统的反馈不确定性,建立了合理的被控对象标称模型.最后,介绍了舱外航天服手套力学特性测量原理和实验研究.机器人轨迹跟踪实验表明,μ控制器能够抑制干扰对系统的影响,使系统具有鲁棒性和稳定性,轨迹跟踪误差<±0.03°.测量实验的重复性误差<5%,表明外骨骼式多指机器人系统可靠,测量原理正确.同时表明,采用外骨骼式多指机器人测量舱外航天服手套力学特性,测量原理和方法正确可行,能够满足测量要求.
外骨骼多指机器人 航天服手套 鲁棒控制 μ综合 对"Y"形流管无阀压电泵内部流场及泵流量特性进行了模拟及试验研究.采用CFX软件对"Y"形流管无阀压电泵泵腔内的流场特性进行了模拟分析.结果表明:"Y"形流管无阀压电泵工作时泵腔内的压强变化很小,涡旋对流体传输活体细胞及长链大分子基本无影响.实际制作了"Y"形流管无阀压电泵,并通过改变"Y"形流管的几何尺寸,研究了压电泵进出口端压差的变化规律.试验结果表明,压差随支管夹角增大而减小,并且当两支管宽的和接近主管宽时,压差值达到最小,当支管夹角为5°,宽为1.2 mm时,压差达到最大725 Pa.
"Y"形流管 压电泵 无阀泵 有限无法 提出了利用正弦波信号驱动压电双晶片振子,应用惯性冲击力实现机构微小位移的技术方案,建立了机构运动的数学模型.设计了斜面结构,使正弦波作用产生的周期性惯性冲击力形成竖直作用于微位移驱动机构的分量,通过改变正压力调整摩擦阻力的大小,并推导了Qu微位移机构 振动 惯性冲击 摩擦 压电双晶片 正弦波
研究了一种压阻复合层微机械悬臂梁红外探测器,建立了其热挠曲理论模型.为提高探测器的红外吸收特性,应用了一种新型红外吸收层材料一碳纳米管,利用IC工艺和微机械加工技术设计制作了一种硅/铝/碳纳米管三层微机械悬臂梁红外探测器.该探测器基于硅和铝两种材料热膨胀系数的差异,存在双物质效应,不同温度下梁的挠度不同,其形变可通过梁根部的压敏电桥检测.实验探索出了在微机械悬臂梁上涂覆碳纳米管吸热层的工艺方法.实验研究了具有碳纳米管薄膜吸热层的三层微机械悬臂梁红外热探测器对红外辐射的响应规律,结果表明,涂覆碳纳米管吸热层使响应灵敏度提高近1倍.此种探测器样管的制作研究为开发新型的红外热探测器提供了新的可能.
红外探测器 微悬臂梁 微机械技术 碳纳米管 为了获得单晶硅片化学机械抛光过程中护环对接触压强分布的影响规律,从有护环化学机械抛光实际出发,建立了抛光过程的接触力学模型和边界条件,利用有限元法对有护环抛光接触状态时的接触压强分布进行了计算和分析,并利用抛光实验对计算获得结果进行了验证.获得了硅片与抛光垫问的接触表面压强分布形态,以及护环几何参数对压强分布的影响规律.确定了护环抛光接触压强的分布也存在不均匀性,而且在硅片外径邻域内接触压强最大,并导致被加工硅片产生平面度误差和塌边.结果表明,当选择护环与硅片的间隙为0,负载比为2.5～3.5,以及适当的护环宽度时,可以改善接触压强分布的均匀性.
化学机械抛光 单晶硅片 接触压强分布 平面度误差 提出了一种基于多尺度LBP特征的人脸描述与识别算法,对原始人脸图像进行二级小波分解,并采用LBP算子分别计算两幅低频逼近图像的LBP特征谱;将LBP特征谱划分为若干个互不重叠的特征区域,然后分别进行直方图统计.最后,将所有区域的LBP直方图序列连接起来得到多尺度LBP特征,将其作为人脸的鉴别特征用于分类识别.所提出算法在ORL人脸数据库中取得了高达99%的人脸识别率.实验分析表明,多尺度LBP特征具有较强的人脸图像描述能力和可鉴别性,且对人脸表情及位置的变化具有较高的鲁棒性.
人脸识别 多尺度分析 LBP算子 直方图 将人眼视觉特性和图像本征特性相结合,设计了一套基于视觉掩盖和奇异值分解的图像质量评测方法.根据人眼的视觉敏感性函数(CSF)将参考图像和待测图像做噪声掩盖处理,剔除视觉敏感区外的图像信息;然后,根据人眼视觉特性提取参考图像的纹理区和平坦区,并作为待测图像检测区的划分依据,分别计算参考图像和待测图像在各自纹理区和平坦区的奇异值;最后,通过奇异值测度得到待测图像在纹理区和平坦区的质量劣化程度.实验表明:通过纹理区和平坦区的区分检测,可提高检测敏感度并据此判断劣化及影响程度.同时,检测结果的主观相似性(CC)可达到0.896,均方根误差(RMSE)为5.58,较PSNR和SSIM具有更好的性能.该方法实现简单,便于系统集成,可在涉及视频及图像质量检测的领域得到较好应用.
图像质量 奇异值分解 视觉掩盖 客观评价 针对红外焦平面阵列(IRFPA)使用过程中,非均匀性随时间和环境改变而发生缓慢变化的现象及探测单元非线性响应带来的校正误差,提出了一种基于非线性响应的IRFPA非均匀性自适应校正算法.该算法以探测单元非线性响应模型为基础,以校正误差的均方值最小为准则,自适应地消除响应参数的温度漂移,通过对初始响应参数进行优化选取来实现算法的快速收敛和高精度校正.在介绍算法实现原理的基础上,推导出其数学模型,并给出了实验结果.实验结果表明:在相同条件下,该算法的校正精度比传统神经网络算法提高了3倍,且收敛速度较快,具有工程应用价值.
红外焦平面阵列 非线性响应 自适应校正 响应参数 温度漂移 构建了一种新的POCT(Point-of-Care Test)仪器的小型嵌入式硬件平台.设计并实现了一种基于数字处理现场可编程门阵列(FPGA)的实时图像采集处理系统,介绍了该系统的软硬件设计和构建流程.实验结果表明:该系统能在TFT显示屏上实时显示1.3×106 pixel、15 frame/s的视频图像,配合显微镜系统,对DNA点阵图的检测精度可达10μm,检测结果与实验室内大型成熟设备检测结果的误差在±1.5%之内,基本满足了POCT仪器测量的快速检测、高精度、便于携带、实时性好等要求.
实时图像采集 现场可编程门阵列 POCT 设计了一个CCD激光自准直测角系统.为提高系统的测量精度,对系统中的硬件参数进行了研究,包括小孔光阑的直径、CCD的积分时间、会聚镜头的焦距值、采集卡的亮度和对比度参数等.分别对各硬件参数进行分析,得出优化值并对系统进行了改进.对改进前后的系统进行对比实验,实验结果表明:改进后系统的测角误差由原来的5.0"提高到了1.0",处理一帧图像的平均时间为0.417 s,满足实际要求.对CCD激光自准直测角系统中的硬件参数进行优化,可有效改善图像质量,提高系统的测量精度.
电荷耦合器件 激光自准直仪 角度测量 硬件参数 图像质量 精度 提出了基于小波域各向异性马尔可夫随机场模型的三维显微图像复原算法.根据小波变换后各个子带内小波系数的方向性,以各向异性马尔可夫随机场模型作为小波系数的先验概率模型进行正则化处理,正则化比例系数采用自适应调整方法;考虑到噪声的影响,算法在每一步迭代求解过程中对估计出的图像进行去噪处理.实验结果表明,该算法能够有效地保留图像边缘等细节信息,去除层间干扰并抑制噪声.当算法收敛到全局最优时,正则化比例系数也达到了最优选择.与最小二乘共轭梯度法相比,信噪比和峰值信噪比均提高了1 dB以上.
图像复原 边缘保持 各向异性马尔可夫随机场 小渡变换 设计了基于维纳滤波和对比度增强的OCT图像处理方法.对OCT图像的噪声进行了分析,通过多尺度维纳滤波器对图像进行滤波处理来去除噪声干扰,然后根据区域特性采用对比度增强方法提高图像对比度.实验结果表明:经该方法处理后图像的背景方差(BV)较原始图像降低了2～6倍,细节方差和背景方差之比(DV/BV)提高了2～5倍.该方法不仅有效地去除了OCT图像的噪声,而且视觉效果良好,是一种有效的图像后处理方法.
光学相干层析成像 多级维纳滤波 图像除噪 对比度增强 针对一般粒子滤波中的退化问题,提出了一种改进的Unscented卡尔曼粒子滤波(UPF)算法.提出了最小偏度采样策略,将该策略应用于UKF算法中,以UKF方法生成建议分布并从中采样,解决了一般粒子滤波算法中以转换先验密度函数作为替代分布所引发的粒子退化等问题.将多项式重采样和分层重采样两种方法结合起来进行重采样,有效地减弱了粒子退化问题.最后,给出了非线性序列的仿真算例.理论分析和仿真结果表明,改进的UPF算法提高了滤波的稳定性和精度,算法的运行效率提高了30%.
Unscented卡尔曼粒子滤波 粒子滤波 Unscented变换 采样策略 在高光谱图像压缩中,由于波段预测后各波段残差图像分配的码流长度关系到该波段的清晰度,同时该波段作为预测波段对后面波段的预测编码会产生影响,因此设计一种合理的分配各波段码流长度的算法很有必要.本文提出了一种波段预测去除谱间冗余和码流预分配的高光谱图像压缩算法.用DPCM预测求出各波段的预测残差图像的标准差,然后根据标准差的大小对该波段进行SPIHT编码所需要分配的码流长度进行预测,最后基于均方差最小的线性预测器对图像各波段进行预测,根据事先分配的码流长度对各波段预测残差图像进行SPIHT编码.该算法在波段间采用最佳线性预测,有效地去除了高光谱图像的谱间相关性,同时,设计的分配码流长度的算法能够根据各波段信息量大小,以及与相邻波段的相关性来分配码流长度.实验表明,重建图像的平均PSNR比3D-SPIHT算法的高0.9～2.5 dB,因此该算法对高光谱图像有损压缩非常适用.
高光谱图像压缩 SPIHT算法 谱间预测 码流长度分配