计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量,提出了“光学-机械”基准定位法,建立了位姿测量模型,并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后,采用球形安装的回射器(Sphere Mounted Retroreflector,SMR)、猫眼、基准球作为基准,基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型,得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系,并对3种位姿测量模型进行对比。最后,对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证,实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ,相对误差均小于2.43%,验证了模型的准确性。实验结果表明,当检测距离为1000 mm时,猫眼法的轴向定位误差为24μm;基准球法的轴向定位误差为50μm;SMR靶球法的轴向定位误差为16μm,X,Y方向的定位误差为1μm,滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多,更适用于自由曲面的高精度位姿检测。

介质上电润湿现象的研究

介绍了介质上电润湿的基本原理,分析了介质层材料的介电常数对接触角变化的影响,并提出了优化介质薄膜厚度的方法,为介质上电润湿的进一步应用提供了理论基础。

一种新型厌水性碳氟聚合物薄膜的制备

利用ICP-CVD工艺制备出一种新型厌水性碳氟聚合物薄膜,并给出了制备薄膜的工艺参数。通过观测该薄膜的表面形貌和它与去离子水之间的接触角,结果表明,该薄膜均匀致密。

用于微全分析系统的数字化微流控芯片的研究

研制出一种基于介质上电润湿(electrowetting-on-d ielectric,EWOD)机制的可编程数字化微流控芯片。它采用“三明治”结构:受控离散液滴被夹在两极板之间;下极板以硅为衬底,掺杂多晶硅作为芯片微电极阵列,其上涂覆有Teflon(AF1600薄膜的S iO2作为疏水性介质层;上极板是涂覆有Teflon(AF1600疏水薄膜的透明电极。通过分析数字化微流控系统的基本操作(离散液滴的传输、拆分及混合)的物理机理和模拟优化,在35 V低驱动电压下实现了约0.35μL和0.45μL去离子水离散液滴的传输和合并,并在70 V驱动电压下实现了0.8μL液滴的拆分等操作。

应用方位反向技术提取反射镜零重力面形

为了预估碳化硅反射镜在空间零重力环境下的面形精度,本文开展了在地面环境下利用方位反向技术提取碳化硅反射镜零重力面形的研究。首先,介绍了方位反向技术提取零重力面形的理论依据;其次,利用有限元分析软件,分析了方位反向对反射镜面形的影响;然后,按照试验流程,先后检测了反射镜在0°和180°状态的面形精度,计算两次检测数据的平均值,得到了反射镜零重力面形。结果表明:反射镜地面零重力面形误差RMS值为12.3 nm,能够满足设计指标要求。最后,对数据可信度进行了分析,确认了试验数据真实可信。该结果预示了反射镜在空间零重力环境下的面形精度,对反射镜光学加工与装调有重要的指导意义。

介质上电润湿液滴驱动的研究

制备了介质上电润湿液滴驱动器,该驱动器采用“三明治”结构下极板由Ti/Pt微电极阵列、Si3N4介质薄膜、碳氟聚合物疏水薄膜组成,上极板是覆盖有疏水薄膜的透明电极,液滴被夹在上下电极之间。分析了驱动器的驱动原理、驱动阻尼以及介质层捕获电荷的影响,讨论硅油填充“三明治”结构和空气填充“三明治”结构的差异。

用于“芯片实验室”的静电机制微液滴控制芯片的研制

提出了一种结构简单、可编程控制的离散液滴控制芯片。它以硅为衬底,重掺杂多晶硅为微电极阵列,氧化硅为介质层,碳氟聚合物薄膜为疏水层。它克服了传统连续流传输、混合的局限性及层流条件的限制,通过控制施加在微电极阵列上的电压脉冲时序,成功实现了对离散液滴的快速传输和混合。在30 V驱动电压下,约0.9μL去离子水液滴传输速度可达24 mm/s;在40 V驱动电压下,约0.8μL去离子水液滴和约1.4μL的0.0001 mol/L Rhodam ine液滴在7/30 s内完成了快速混合。另外,还提出利用提高液滴速度及来回晃动混合后的液滴等几种加强混合方法。

基于介质上电润湿的数字微流控器件的模拟

根据介质上电润湿的基本理论,利用计算流体动力学软件CFD-ACE+,成功模拟出了典型的“三明治“结构数字微流控器件中水滴输运、产生、分离和合并的全过程。模拟结果显示,上下极板间距和液滴输运速度之间呈线性关系;并且,当极板间距大于200μm时,液滴分离容易失败。模拟结果与已有的实验结果符合的非常好。

基于介质上电润湿的液滴产生器的研究

根据介质上电润湿的基本原理,对用于数字微流控系统的“三明治”结构器件中影响液滴输运和产生的因素进行了理论分析,并研制出了一种新型液滴产生器原型:液体被夹在上下两个电极板之间;下极板采用硅作为衬底、LPCVD掺杂多晶硅微电极阵列上热氧化生长的的SiO2薄膜作为介质层;上极板采用ITO透明导电玻璃板作为地电极;另外,在上下极板的表面都均匀旋转涂覆了一层30nm厚的Teflon薄膜为表面疏水层.实验结果表明,在空气气氛中,该器件在10Hz70V的脉冲电压下成功地实现了从蓄水池中对去离子水滴的分发.

ICP-CVD制备高质量疏水性碳氟聚合物薄膜的研究

在室温下以c-C4F8为反应气体,采用电感耦合等离子体化学气相淀积(ICP-CVD)法制备出碳氟聚合物薄膜,研究了工艺条件与薄膜的光、电性能和结构与疏水性的相关性。结果表明,薄膜结构均匀致密,主要由C-CFX、CF、CF2和CF3组成;当射频功率为400 W,c-C4F8的流量为40 sccm时,制备出的薄膜和去离子水之间的接触角高达112°。

新型低驱动电压电子纸显示单元的研究

研制了一种基于介质上电润湿(electrow etting-on-d ielectric,EWOD)的新型低驱动电压电子纸反射式显示单元器件.本文分析了器件的工作原理以及性能影响因素,并提出用优化的氮化硅与碳氟聚合物复合介质层来改善器件的驱动电压.实验证实,器件在15V低电压驱动下成功实现了“开启”、“关闭”功能,其“开启”、“关闭”响应时间小于1/30 s.

基于介质上电润湿的反射式显示单元的研究

介质上电润湿能够在微米尺度上实现对液滴的快速驱动,利用这个特点,设计了一种新型反射式显示单元,并进行了初步的实验验证。结果表明,与传统反射式显示单元相比,此结构具有高反射率、高对比度和低驱动电压等特性。

新型开放式液滴驱动芯片

研制出一种利用介质上电润湿(Electrowetting-on-dielectric,EWOD)机理的新型开放式离散液滴驱动器,它采用重掺杂多晶硅制备微电极阵列,氧化硅以及碳氟聚合物薄膜作为复合疏水介质层,悬挂的细硅铝丝作为参考零电极。通过控制施加在微电极阵列上的脉冲电压时序,来精确操作和控制疏水介质层表面液滴的运动。该器件采用了悬挂线开放式结构,在空气环境下,在40V低驱动脉冲电压下成功实现了液滴的传输。

用于微流控芯片系统的超疏水表面的制备

为了分析超疏水表面的物理特性及应用前景,介绍了粗糙超疏水表面的两种理论模型,提出了一种基于MEMS加工技术的超疏水表面制备工艺,即利用ICP刻蚀工艺制备规则的硅方柱,并用旋转涂覆TeflonAF1600作为疏水薄膜,制备了疏水特性可控的硅表面。对接触角进行了测量,结果表明,在平整Teflon薄膜表面上,去离子水液滴的本征接触角约为117°,在边长间距比为10μm/35μm的方柱表面上的去离子水液滴显现接触角可达170°。另处,还给出了为避免Wenzel液滴出现的“安全”设计参数(方柱间距边长比小于2.5),以及一种基于润湿性梯度的微流体操控方案。

基于非理想标准镜的子孔径拼接干涉检测技术研究

在大口径光学镜面的检测中,随着参考镜尺寸的增加,加工精度的制约,重力变形,温度,环境等因素的影响使得参考镜在检测中已经不能作为理想平面镜。文中基于最大似然估计(ML)算法,Zernike多项式拟合对利用非理想平面镜作为参考镜的子孔径拼接检测建立了一套合理的拼接算法和数学模型。并结合工程实例,完成了对2.5 m×3.5 m椭圆形平面镜的模拟拼接实验,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0.022λ与0.001 3λ。全口径相位分布的PV值与RMS值的相对误差分别为2.81%与0.81%。实验结果表明:利用ML拼接算法可以高精度地完成对参考镜为非理想平面的大口径平面镜的拼接检测。

非零位拼接检测凸非球面金属反射镜

随着单点金刚石车削技术和抛光技术的发展,实现了金属反射镜的快速高效低成本制造。然而,金属反射镜的检测手段存在明显不足,尤其是没有一种快速、高效的检测手段用于检测凸非球面金属反射镜。为提高凸非球面金属反射镜的检测效率,提出一种非零位拼接检测凸非球面金属反射镜的检测方法。结合工程实例,对口径为120 mm,顶点曲率半径R为1 121.586 mm,二次曲线常数K为-2.38的凸非球面金属反射镜进行了拼接检测实验,拼接所得面形误差均方根值(RMS)为0.016λ(λ=632.8 nm)。与Luphoscan检测结果对比,验证了非零位拼接检测方法的检测精度RMS为0.007λ,结果表明该方法能够实现凸非球面金属反射镜的快速、高效检测。

预置曲率研磨盘提高行星研磨技术去除函数稳定性

行星研磨技术由于提升磨削接触点相对速度,能够有效提高材料去除效率。但由于传统研磨盘不均匀磨损,导致研磨盘形状持续改变,从而影响了研磨过程中去除函数的稳定性和准确性,限制了该技术的应用。本文针对基于小磨头行星运动方式,通过建立构建磨损函数,预置研磨盘曲率半径,使研磨盘满足在加工单周期后各点去除量相等,从而提升去除函数稳定性。通过实验验证,研磨去除函数与模型仿真计算结果一致,验证了模型的准确性,利用优化后的研磨盘可获得高效稳定的去除函数。采用直径40 mm SiC研磨盘研磨SiC工件,实验结果表明:对比加工前后研磨盘磨损情况,面形变化小于1%,符合均匀去除要求;对比多组不同研磨阶段去除函数,体积去除率误差小于2.3%,满足光学研磨去除函数稳定性要求;在公转100 r·min^(-1),自转-100 r·min^(-1)条件下,体积去除率达到6.879 mm3·min^(-1),比同样参数下的平转动研磨提高了40.9%的去除量。证明了行星研磨技术能够通过参数设计获得高稳定性的高效去除函数,为行星运动研磨技术应用于SiC镜片高效加工提了供可靠的理论指导。

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800mm,有效焦距25 000mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。

高次离轴凸非球面反射镜组合加工(特邀)

为提高离轴三反消像散(TMA)光学系统中次镜的制造效率和精度,开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先,介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线;其次,提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺;最后,阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器,并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正,最终面形RMS值为0.025λ(λ=632.8 nm),满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。

女性压力性尿失禁诊断中超声测量肛提肌裂孔面积应用研究

目的:分析并研究女性压力性尿失禁诊断中应用经会阴部三维超声测量肛提肌裂孔面积的诊断价值。方法:本研究中纳入病例来源为本院门诊于2013年8月-2015年12月收治且经临床初步诊断为压力性尿失禁的女性患者,将纳入研究的39例患者作为观察组,并选择同期本院体检检查健康自愿者39例作为对照组。两组受检对象均应用经会阴部实时三维超声进行检查,并对肛提肌裂孔面积进行测量,对比测量结果并进行统计学分析。结果:观察组受检对象肛提肌裂孔面积检出值为(25.8±2.3)cm^2,对照组受检对象肛提肌裂孔面积检出值为(15.2±1.8)cm^2,观察组显著高于对照组,两组比较差异有统计学意义(P<0.05)。结论:女性压力性尿失禁患者在经会阴部实时三维超声检查下肛提肌裂孔面积测量值明显高于正常女性,可为临床有关女性压力性尿失禁疾病的诊断提供参考依据。