超薄超短物像距高分辨率检测成像系统设计与试验

为缩短12寸晶圆检测成像系统的轴向和径向尺寸,提出一种小角度棱镜折转光路与超短物像距镜头相结合的解决方法。设计优于1/12λ(λ=632.8 nm)面形精度的小角度棱镜折转光路,实现照明系统与成像镜头的水平布置,径向尺寸仅为80 mm,在保证不影响系统成像质量的前提下,极大地降低了整个系统的径向尺寸,同时也实现了12°的小角度明场照明。设计放大倍率为0.264的对称混合型光学系统,采用纯球面系统获得较大成像视场,像高为81.92 mm,物像距仅为392.5 mm,极大地降低了整个系统轴向尺寸。设计结果表明,整个成像系统全视场平均光学传递函数优于0.4@100l p/mm,相对畸变优于0.03%,像面照度均匀性全视场优于50%。实际测试结果表明:全视场实际成像分辨率优于18.88μm,达到了系统极限分辨率;全视场像面照度均匀性为43.3%,满足均匀性优于40%的研制要求。研究结果表明本文提出的超薄超短物像距高分辨率检测成像系统合理、有效,解决了12寸晶圆检测成像系统空间尺寸压缩的难题,并降低了研制成本,为后续近距离大尺寸物体检测成像系统的研制提供参考依据。

基础实验中光速和介质折射率测量方法的研究

采用一种新型光速测定仪测量光速和介质折射率,对测量方法进行了研究和改进,分析了测量误差的来源.在此基础上,采用精密数字相位计代替示波器测量相位,设计了新的测量方案,并采用最小二乘法进行线性拟合,从而提高了测量精度,其精度达到±0.1%.

基于面形斜率的光学自由曲面表征

对光学自由曲面设计的关键问题——光学自由曲面的表征模型进行了研究。在传统高斯径向基模型的基础上,通过改善基函数的分布特性以及基于面形斜率调整基函数的形状因子,建立了基于面形斜率的高斯径向基表征模型。利用建立的模型、传统径向基模型和Zernike多项式模型拟合了不同类型的自由曲面,并进行了分析比较。结果证实了文中提出的模型较传统径向基模型的面形拟合精度提高了1~2个数量级,具有较强的面形表征能力。应用该模型进行了离轴三反系统的设计,结果显示设计的三反系统的全视场平均调制传递函数（MTF）达到80%以上。与传统面形表征模型相比,该模型的应用提高了系统的像差平衡能力,改善了系统的成像质量。综合分析表明,该模型适用于表征具有显著非对称性的、面形矢高带有显著局域性变化的自由曲面,有望应用于具有大离轴量和大视场的光学系统设计中。

采样点分布对基于面形斜率径向基模型的自由曲面拟合精度的影响

鉴于自由曲面模型的面形拟合精度在自由曲面表征以及面形初始结构选取等研究中的重要性,本文针对基于面形斜率的高斯径向基表征模型,研究了不同的采样点分布类型对该模型面形拟合精度的影响。采用不同采样点分布拟合离轴二次曲面和带凸起的抛物面,结果表明采用均匀随机分布的采样点有利于实现高精度的面形拟合,且达到一定的拟合精度后,采样点的数目对拟合精度的影响有限。以离轴三反系统为设计实例,对比了由不同采样方式生成初始面形后系统的像质优化结果。结果显示,采用均匀随机型采样方式得到的初始面形进行系统优化,最终全视场平均调制传递函数(MTF)可以达到0.72以上,远高于由边缘集中采样方式生成初始面形后系统像质的优化结果,从而印证了理论研究结果。

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHRTIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。

激光清洗的发展历程

20世纪60年代激光在很多领域已得到了应用,80年代起逐渐用于清洗。介绍了这一发展的过程及发展现状。

低灵敏度空间引力波望远镜光学系统设计

太极计划是中国探测空间引力波的一项重点任务。望远镜作为空间引力波探测中的重要组成部分,它的性能会直接影响引力波探测的精度。现有的典型空间引力波望远镜结构中次镜灵敏度高,难以满足更大口径的空间引力波望远镜对制造装调公差的要求,特别是在轨稳定性公差要求。为解决以上问题,首先,提出了一种中间像面设置于三四镜之间的新型空间引力波望远镜光学系统结构,以降低次镜灵敏度;结合高斯光学理论方法,从理论上分析并计算新型望远镜结构的初始参数。其次,通过优化设计,获得入瞳直径为400 mm,放大倍率为80倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.0063λ的望远镜光学系统。最后,建立了望远镜系统的灵敏度评价公差分配表,对比分析了现有望远镜结构与新型望远镜结构的公差情况。结果显示:相较于现有望远镜结构,新型望远镜结构的灵敏度降低了30.4%,具有低灵敏度优势,为空间引力波望远镜的设计提供了一种优选方案。

融合注意力机制的金属锅圆柱表面缺陷检测

为实现高亮反射金属圆柱形锅的自动快速检测及分拣,破解目前金属锅表面缺陷检测速度慢、效率低的技术难题,在YOLOX网络基础上引入双向特征融合网络,提出基于注意力机制的轻量化特征融合网络模型,实现计算模型的轻量化设计;同时,通过注意力机制模块对特征信息进行通道与空间的学习,有效缓解多尺度特征的语义鸿沟问题,提高了模型的检测精度;考虑网络对难易分类样本学习权重分配不平衡,设计基于衰减因子的分类损失函数;利用金属锅圆柱表面缺陷数据集完成了特征融合网络对比实验、分类损失函数对比实验和注意力机制模块位置消融实验。实验结果表明,融合注意力机制模型可有效识别6种不同形态的缺陷,测试集的平均检测精度mAP0.5达到90.92%,检测帧率达到30.84 frame/s,实现了金属锅圆柱表面缺陷的高精度快速识别与定位。

红外系统MTF狭缝测量法的改进

介绍了应用狭缝结合二维傅里叶变换测量光学系统尤其是红外光学系统的基本原理。由于光电探测器的对图像采集的离散性造成傅里叶变换频谱的混频,以及高频旁瓣过多现象,为了提高MTF测量的精确性,采用MATLAB模拟仿真的方法对狭缝测量法进行两部分改进,分别为倾斜狭缝和平滑照明。倾斜狭缝部分给出了倾斜角度与频谱值的关系曲线,平滑照明部分给出线性和高斯两种平滑方案。两部分改进方案均给出模拟结果,改进的效果显著。

结合注意力互斥正则的细粒度图像分类

细粒度图像分类(FGVC)具有类间差异小、类内差异大等特点,提升该任务效果的关键在于识别目标的判别性部位。目前基于注意力机制的方法一般会识别一个或者两个判别性部位,效果不佳。为此,提出一种注意力互斥正则机制的细粒度模型(AMEM),通过限制注意力图的不同通道关注不同目标部位,引导模型关注目标的多个判别性部位。在CUB-200-2011、FGVC-Aircraft、Stanford Cars和Stanford Dogs等4个公开数据集上进行评测,实验表明AMEM取得了90.5%、94.3%、95.5%和93.2%的准确率,效果优于对比实验中的其他细粒度模型;此外热力图显示可以识别出指定数目的判别性部位。AMEM在提升预测性能的同时,也能提供一定程度的预测可解释性。

紫外星敏感器光学系统设计及其鬼像分析

针对空间紫外波段航天器自主导航姿态敏感器的特殊需求,提出基于正组为FK5和熔石英、负组为QF1的新型紫外玻璃组合方法,设计了波段330~365 nm、焦距80 mm、F数1.6、视场角8°×8°的紫外星敏感器。基于近轴鬼像能量计算的方法对鬼像抑制指标进行计算。利用Code V对系统轴上一阶鬼像进行初步的分析与判断,再利用非序列光线追迹对系统轴外多阶鬼像进行仿真计算,得到完备的轴外鬼像能量分布。结果表明,该光学系统结构紧凑,像质良好,各视场成像弥散斑均方根半径10μm内能量集中度大于80%,相对畸变优于0.05%,在相差7等星的动态范围下,像面处亮星最大鬼像光斑照度仅为暗星照度的1/21,满足紫外星敏感器的探测需求。

长焦距无热化星敏感器光学系统设计

光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象,分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理,恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大,需要在光学设计阶段进行控制;建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法;在性能评价方面,除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外,提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距为95 mm,相对孔径为F/2.4,视场角为8°×8°,探测光谱范围为450~1 000 nm,3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9μm。精度分析结果表明:2 600~9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36μm;在工作温度0~40℃范围内,焦距变化量小于2.7μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45μm。

小型化宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是航天飞行器实现姿态自主导航的关键测量设备,传统星敏感器由于体积与质量较大,难以满足微纳卫星的应用需求,光学系统是星敏感器小型化的核心及瓶颈技术。分析了实现全天恒星识别的星敏感器光学系统参数需求,完成一种基于全球面透镜的微小型宽谱段透射式光学系统设计,实现了光学系统焦距40 mm,视场角26.4°,相对孔径F/2.8,光谱范围为450 nm~1000 nm,光学系统体积与质量大幅降低,可应用于微纳卫星星敏感器。

基于非共轴阵列照明的小型化眼底相机光学系统设计

建立了非共轴阵列照明下的眼底成像数学模型,采用照明光路与成像光路独立设计方法,提出了一种微小型眼底相机光学系统,以避免传统眼底相机中人眼角膜与网膜物镜反射杂光对视网膜图像的干扰.设计了6阵列环形光源照明光路系统,长度仅17.9 mm,实现眼底视网膜有效照明线视场不小于12 mm;成像光路系统采用二次成像设计,光学调制传递函数优于0.2@91 lp/mm,畸变小于5%,长度仅为75 mm.仿真与设计结果表明,该眼底相机光学系统有效抑制了光路中的杂散光,有利于获得高对比度视网膜图像.研究结果可为高像质、小型化以及低杂光眼底相机发展提供设计参考.

光学像差对星点质心定位误差的影响分析

星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限,其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除,必然影响弥散斑分布,研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较,研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律,结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式,并实现数值仿真,结果表明:光学像差形成不同的弥散斑模型,导致不同的星点质心定位误差分布;星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大,若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱,则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义,提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。

空间引力波探测望远镜光学系统设计

在空间引力波探测中,望远镜是空间激光干涉测量系统的重要组成部分,其出瞳处波前误差与抖动光程(Tilt-ToLength,TTL)噪声间的耦合,是影响空间引力波探测的主要噪声源。首先,基于平顶光束与高斯光束的干涉模型,采用Fringe Zernike多项式表征望远镜出瞳处的波前误差,运用LISA Pathfinder(LPF)信号分析出瞳处波前误差与TTL噪声的耦合机理。其次,采用蒙特卡洛分析方法,研究不同数值波前误差下低阶像差占比对TTL耦合噪声的影响,确定了不同数值波前误差下,望远镜光学系统出瞳处满足TTL耦合噪声控制要求的低阶像差设计比例。最后,基于上述理论分析结果与像差控制要求,完成了空间引力波探测望远镜光学系统设计,望远镜入瞳直径为200 mm,出瞳处波前误差RMS值为0.01908λ,低阶像差占比不高于50%。分析结果表明,当光束抖动在±300μrad以内,TTL耦合噪声不超过8.25 pm/μrad;通过公差分析得知,TTL耦合噪声最大值为15.50 pm/μrad,满足空间引力波的探测要求。

航空机载紧凑型长焦距光学系统设计与装调

针对航空机载平台对长焦距、紧凑型光学系统的需求,研究采用改进型的R-C主次反射镜接球面校正透镜组的结构形式,校正了全视场下的球差、彗差及色差等像差,设计了长焦距、高分辨率的紧凑型折反射式光学系统。系统焦距为1500 mm,全视场角为2°,光学系统结构包络直径不大于φ400 mm,全视场传递函数优于0.56@62.5 lp/mm,成像质量接近衍射极限。为提高装调效率,降低装调难度,设计实现了R-C主次反射镜中心及附近视场的成像质量达到衍射极限。基于光学干涉检测技术与计算机辅助装调理论,建立系统失调量与像差之间映射关系的灵敏度矩阵,分析失调光学系统的像差特性,并在此基础上设计了精确测量波前、反演失调量的精密光学装调方案。整机装调后光学系统全视场波像差RMS优于1/13λ,达到成像质量要求。

小鼠膀胱内金属纳米粒子的光热光学相干层析成像

本文提出了一种利用光热相差对金属纳米粒子(NP)试剂进行光学相干层析成像(OCT)的方法.通过记录光热相位,可以跟踪深度可分辨、实时和高度局部化的光热转换.对于绝热吸收,光热相差代表了NP的局部光吸收特性.为了验证该方法的有效性,我们首先利用FD-OCT成像系统对不同浓度的NP试剂进行了琼脂体模实验.结果表明,光热相位差可以用来区分琼脂体模中不同浓度的NP试剂.随后,一只体重约为25 g的3月龄雄性C57BL/6J小鼠被用来验证在组织中重建NP试剂分布方法的可行性.实验前先使用0.12 ml浓度为0.15 g/ml的水合氯醛麻醉,然后通过插入尿道的套管针将100 ml浓度为60μg/L的NP试剂注入小鼠膀胱内.大约4 h后,用小鼠膀胱重建光热图像.通过分析小鼠膀胱的OCT结构图像,可以清晰地观察到两个可分辨的层.第一层为逼尿肌,第二层为黏膜肌层.总之,我们从理论和实验证明了利用光热相差可以重建NP试剂在组织中的分布.由于热膨胀和热折射率效应,光热相差会引起组织局部温度的变化.对于绝热吸收,光热相差与NP试剂的浓度有关.因此,该方法可用于区分模型中不同浓度的NP试剂,并重建NP试剂在小鼠膀胱中的分布.

用于全眼段成像和视轴参数测量的四焦点开关光学相干断层扫描

本文演示了四焦点开关傅里叶域光学相干断层扫描系统用于全眼段成像和体内视轴参数(VAP)测量的可行性.使用包括不同厚度平行玻璃板的两个同步转盘来将探测光束的焦点位置从角膜以及晶状体的前部和后部切换到视网膜.该过程同时增加了参考光束的深度范围.这种多级聚焦的方法可以使探测光束完全聚焦在人眼的每个部分.初步实验表明,该方法可以实现全眼段成像和包括中央角膜厚度、前房深度、晶状体厚度和轴长在内的VAP测量.

焊接方法对焊点质量的影响研究

介绍了设备焊接与手工焊接各自的特点;阐述了焊点剪切力试验的整个过程;针对所得实验数据进行了对比和分析,发现在本试验条件下手工焊接的焊点剪切力明显大于采用设备焊接的焊点剪切力,设备焊接条件下焊点的一致性优于手工焊接;在设备焊接条件下,对于焊锡量不足的焊点可考虑采用手工补锡的办法或采用手工单独进行焊接。