光学非球面离子束加工模型及误差控制

为了实现光学非球面元件的高精度加工,对先进的离子束加工系统进行了研究。通过对离子束加工系统的分析,给出了加工非球面光学元件的离子源子系统运动模型公式,并将求解驻留时间的反卷积过程转化为求解线性矩阵方程过程以便优化求解。分析了加工过程中出现的离子源定位误差,指出其对最终面形精度的影响可归结为一个系数因子的控制上,并提出了综合考虑离子束材料去除函数和定位误差的方法来控制系数因子以降低对定位系统精度的苛刻要求。仿真验证表明,该模型计算出的驻留时间函数可以有效地保证光学元件的面形精度达0.0381λ;离子束定位误差引起的面形精度的变化量满足最大变化量公式的限制。该模型可用于各种非球面光学元件离子束加工过程驻留时间的求解和设备的定位误差设计,在保证过程稳定的同时降低了设备成本。

利用功率谱密度评价离子束抛光光学元件表面粗糙度

利用功率谱密度(PSD)评价光学表面粗糙度具有传统评价手段(Ra)所不具备的优势。给出了功率谱密度的计算方法,以及抽样方向与一维PSD曲线的关系。在离子束抛光K9玻璃实验中引入PSD曲线,以评价抛光光学零件的光学表面粗糙度,结合PSD曲线与Ra值能够更全面的指导光学加工。

外压筒体压力试验校核应力的讨论

对GB150 -98规定的外压容器设计及压力试验进行了研究 ,得到了其厚径比的初值估算式及真空筒体可承受的最大试验应力。发现 ,钢制真空设备的径厚比Do/δe=100～114,压力试验应力条件自然满足 ,可免于进行筒体压力试验的应力校核。

外压容器设计壁厚初值的估算

通过对真空及外压设备设计方法及GB1 5 0 98给出的常用工程材料机械性能的分析 ,对真空设备筒体壁厚的初值估算进行了研究 ,得到其初值估算式为 :δe/Do=K(1 /E) 1/3 。还对钢制真空设备在相同材料及温度下所能承受外、内压力的能力进行了比较 ,得出一般情况下设备的径厚比为 1 0 0～ 1 1 4时 ,其内压承载能力是外压承载能力的 1 0～ 2 5倍 ,并给出了工程常用材料的壁厚估算图 ,本结论可直接应用于工程设计。

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2μm和5nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。

塔设备的应用与今后的发展

论述了板式塔和填料塔的特点及今后的发展方向，并对该两类塔型进行了性能比较；提出了选择塔型的方法，指出了大型填料塔的发展潜力；用高效规整填料塔改造现有的板式塔可实现节能３０％～５０％，增产５０％～１００％。

YSP—15型液化石油气钢瓶应力与安全分析

本文对YSP—15型液化石油气钢瓶进行了有限元、电测应力分析和爆破试验。并据此探讨了在制造和使用方面提高钢瓶安全可靠性的参考意见。

故障树分析法预测造气炉夹套锅炉的爆炸事故

应用故障树分析法预测造气炉夹套锅炉发生爆炸的可能性,并找出造成夹套锅炉爆炸事故的初始原因(基本事件)有12个,消除这些隐患,对安全生产有极为重要的作用。

液化石油气钢瓶的应力与安全分析

对YSP-15型液化石油气钢瓶进行了有限元和电测应力分析,并据此对制造和使用方面提出了具体要求,以确保安全可靠性。

用事故树分析(FTA)预防事故、分析事故

事故树分析(Fault Free Analysis,简称 FTA)是一种预防事故、分析事故的系统安全分析方法。应用这一方法,可以进行事故的预测,制定好预防措施,防止事故发生。

用于空间望远镜的膜光子筛

针对空间衍射成像系统对大口径、结构轻量化、空间可展开等特性的要求,设计并制作了用于空间望远镜的新型衍射元件——PI薄膜光子筛。首先,分析了光子筛的设计理论;针对空间应用的特点和原则,采用振幅型光子筛的设计思路给出设计参数;用UG软件设计并加工制作了光子筛的机械固定结构。然后,通过镀膜、光刻、刻蚀等微细加工工艺制作了PI薄膜光子筛。最后,测试了光子筛的衍射效率及成像性能。实验结果表明:光子筛在波长632.8nm处的实际衍射效率为4.916%,是理论值的73.9%。使用He-Ne激光器,选取10μm的星点孔进行星点检测,得到了理想的艾里斑图像,其直径为176.70μm,与理论极限值169.84μm的误差仅为4.04%。搭建了分辨率板成像实验,测得薄膜光子筛的实际最高分辨频率为12.2lp/mm,接近理论极限空间频率14.4lp/mm,表明实验结果与理论分析基本相符。与其它刚性材料基底制成的光子筛相比,采用PI薄膜制作的光子筛不仅重量轻,同时具有较好的成像性能,可以满足空间望远镜主镜的应用要求。

对乙酸乙酯生产设备与工艺的改造

针对影响乙酸乙酯产量及质量的因素，对原生产设备及部分工艺进行了技术改造和合理调整，实现节能４０％，生产能力增加了４０％．设备能力增加了１００％，产品的优级品率提高到８０％强，产品的一级品率提高了４００％强。

量子遗传-神经网络算法的润滑油动力粘度值可见近红外光谱分析

润滑油动力粘度是划分润滑油品质的重要依据之一,高铁变速箱润滑油需要进行实时、快速、无损的检测,因此提出一种基于可见近红外光谱微型模块结合量子遗传-神经网络算法对润滑油粘度值进行定量分析的新方法。不仅实现了高铁变速箱润滑油动力粘度的无损快速实时检测,还进一步提高了对润滑油动力粘度预测的精度。微型光谱仪具有性能优良、体积小巧等优势,在便携式光谱无损检测方面用途越来越多。在这里,选用可见短波近红外和近红外波导光栅两种微型光谱模块进行光纤耦合,实现了330~1700 nm可见-近红外波段光谱拼接。首先我们采用该组合微型光谱仪对13种不同粘度的润滑油共78个样本进行光谱扫描得到原始光谱数据。原始光谱经过Savitzky-Golay卷积平滑后,再一阶求导,可以有效地消除基线漂移和背景噪声。然后采用主成分分析和马氏距离相结合的方法来识别浓度界外样本,剔除界外样本3个。最后采用BP(back propagation)神经网络和量子遗传神经网络两种回归算法分别建立定量分析模型,并对比分析了两种算法的性能。量子遗传算法是量子计算和遗传算法相结合地一种概率进化算法,采用量子染色体的形式,利用量子逻辑门进行全局搜索,从而可以利用量子遗传算法优化神经网络地权重和阈值,提高建模效率和精度。分别用BP神经网络算法和量子遗传-神经网络算法进行建模仿真,从75个样本随机抽取10个样本作为预测集,其余65个为建模集。在量子遗传寻优算法中,其种群数目设置为40,终止代数为200,寻优结果表明该算法在训练81代后可快速得到最优解。比较两种建模算法的预测结果,采用量子遗传-神经网络算法相比BP神经网络算法得到的粘度预测结果均方根误差从0.3455降低至0.0294,决定系数从0.8504升至0.9799,可知量子遗传-神经网络算法的预测能力明显强于BP神经网络。为进一步提高润滑油粘度的定量分析准确度和微型光谱模块应用于高铁齿轮箱润滑油在线、实时、快速检测提供了参考方法。

静电场辅助的微压印光刻技术

介绍了一种静电场辅助的新型微压印光刻技术,并对其工艺过程进行了深入的理论研究。首先,采用数值仿真软件COMSOL^(TM) Multiphysics,建立了静电场辅助的压印光刻瞬态仿真分析模型,讨论了不同时域微结构的演化过程。然后,详细分析了微结构的成型与仿真实验参数的定性关系,发现:适当地减小极板间距、模板凸起结构周期,同时增加模板的凸起高度、初始聚合物薄膜厚度和电压有助于微纳结构的成型。最后,通过仿真实验参数优化,得到了带有31μm中空结构的球冠微结构。与传统压印方法相比,静电场辅助的微压印技术工艺过程简单且成本较低,能够广泛应用于微电子机械系统、光子学、遗传学和组织系统等。

基于遗传算法-支持向量机的兔肝VX2肿瘤光谱鉴别

兔肝VX2肿瘤是一种快速生长的肿瘤模型,可以在多种器官如肝、肺、直肠等快速生长,常用于肿瘤研究。采用可见-近红外高光谱技术对四只兔子的兔肝VX2肿瘤和正常组织进行活体和离体的反射光谱检测,然后采用支持向量机分别实现了二分类(正常肝组织和肝VX2肿瘤组织)和四分类(未出血活体正常肝组织、未出血活体VX2肿瘤组织、出血离体正常肝组织和出血离体肝VX2肿瘤组织)。根据其光谱反射曲线的特征,选择了400~1800 nm区间的数据为特征变量。为进一步提高分类准确率,分别采用5折交叉验证和遗传算法对支持向量机的核函数参数g和惩罚因子c进行了优化。其中5折交叉验证优化参数和分类结果为:二分类优化的惩罚参数c为4,核函数参数g为0.1250,其校正集和预测集的准确率都达到了100%;四分类中优化出的参数c为8,g为0.1211,其校正集和预测集的准确率分别达到了99.2424%和93.333%。遗传算法优化参数和结果为:二分类中优化的参数c为0.8456,g为0.0625,其校正集和预测集的准确率同样都达到了100%;四分类中优化的参数c为5.5307,g为0.0685,其校正集和预测集的准确率分别达到了99.2424%和100%。结果显示两种优化方法都取得了很好的效果,遗传算法优化参数对四分类的分类更为精确。为进一步提升算法速度,采用间隔选取变量的方法来不断减少特征变量,最终每隔100 nm谱段选择一个变量,共选择14个谱段作为特征变量。采用遗传算法优化支持向量机参数并对其分类进行了研究,结果表明:二分类和四分类的校正集和预测集结果准确率均为99.2424%,而且运行时间分别为11.4和20.0 s,与选择全波段的运行时间:340.3和491.0 s相比,说明多光谱技术可以进行肝VX2肿瘤组织和正常肝组织的鉴别,且分类准确率可达99%以上,而且运行时间缩短了很多。为未来多光谱技术在未来临床肿瘤诊断中实现肿瘤组织的快速实时在线检测和分类奠定了基础,显示出巨大的应用潜力。

超表面上表面等离激元波的光栅衍射行为研究

本文利用严格数值仿真研究了550~700 nm波段的可见光通过金属光栅耦合方式激发的表面等离激元(SPP)波在金属表面的光栅衍射行为与现象。研究结果表明:SPP波在金属表面的衍射行为与自由空间光相比有极大不同,由于SPP波的近场属性,经金属光栅衍射后在近场可表现出明显的光栅分光现象,但经过一段传输距离后则分光现象消失而表现为不同级次的光合为同一束光;在近场衍射情况下,其情况与自由空间光衍射行为类似,对SPP亚波长金属光栅来说同样只有零级透射光;而当金属光栅周期大于SPP波长时,高级衍射级次则开始出现。研究结果对下一步在金属表面上实现微米级片光谱仪器具有重要借鉴意义。

Lyot星冕仪光学系统及杂散光抑制

木卫一等离子体环是木星磁层中密度最大、研究最广泛的区域。为满足木卫一等离子体环的观测需求,设计了一种用于行星大气光谱望远镜(Planetary Atmospheric Spectral telescope,PAST)的Lyot星冕仪。根据木星的辐射特性与PAST参数确定仪器参数,给出Lyot星冕仪的初始结构并进行优化;分析了Lyot星冕仪的成像性能,系统在37 lp/mm的MTF>0.6,满足成像质量要求;确定系统杂散光成因,利用物像共轭关系设计相应的杂散光抑制结构,在千级超净间对Lyot星冕仪进行杂散光抑制水平检测。实验结果表明:系统主要杂散光得到了有效抑制,系统的杂散光抑制水平在2.5Rj处为10-5量级,满足地基观测木卫一等离子体环要求。

微扫描型非制冷红外探测器像元曝光顺序计算

微扫描技术能提高红外系统的分辨率,这使得对微扫描器的研究意义非凡。针对非制冷红外焦平面探测器,在已知微扫描器的叶片形状参数以及微扫描器与焦平面阵列的相对位置的前提下,结合具体个例,计算了焦平面阵列上各个像元的曝光顺序,为后续读出电路的读出顺序的选择和进一步的数字图像处理提供了依据。

新型自准直外掩式日冕仪

为了更好地实现对日冕及日冕物质抛射的观测,并使观测角度更加精准,设计了太阳对准系统,利用对准系统对太阳成像,根据探测器上太阳像的圆心坐标判断是否对准并调整日冕仪观测角度。将太阳对准系统应用在三圆盘外掩式日冕仪上进行实验,该日冕仪视场为±20°,工作波段为630~730 nm,F数为4,焦距为38 mm,分辨率为1.2’/pixel。对比了单圆盘外掩体与三圆盘外掩体对外掩体边缘衍射光的抑制能力,并提出一种黑洞检测法对日冕仪总杂散光进行检测。实验结果表明,日冕仪指向精度达到0.11’,三圆盘外掩体边缘衍射杂散光低于单圆盘外掩体边缘衍射光,且日冕仪总杂散光抑制水平达到10-13量级。杂散光检测方法结果良好,准确性高,对准系统实现了预期功能。

日冕仪系统中三种杂散光的判定与实验研究

针对日冕仪中对杂散光的抑制要求,分析了日冕仪系统中的三种杂散光,包括日冕仪物镜二次反射产生的鬼像点、日冕仪物镜散射点、以及日冕仪孔径光阑衍射光。利用光学建模软件对日冕仪系统进行仿真和分析,发现这三种杂散光的成像位置十分接近且不易区分,并会对系统的检测过程和检测结果产生干扰。根据仿真结果,给出了这三种杂散光的判定与抑制方法,并利用一台视场为±1.08 R⊙~±2.5 R⊙(R⊙表示太阳半径),工作波段为530.3~637.4 nm,通光口径为220 mm,系统总长为4321 mm的内掩式日冕仪进行了理论验证和实验对比,验证了判定方法的可行性。同时设计了掩体和鬼像遮拦结构对杂散光进行抑制,增加了日冕仪系统杂散光抑制的选择方案,提升了日冕仪杂散光检测的准确率。