一维光学位置传感器融合的非接触多自由度位姿测量系统

为实现机器人末端位姿多自由度实时测量反馈,融合一维光学位置传感器(Position Sensitive Detector,PSD)建立了平面3自由度非接触测量系统,对其测量原理,信号处理电路,环境光干扰去除和非线性标定算法等进行研究。根据PSD传感器测量特性和平面3自由度测量要求设计了4-PSD测量系统,并建立测量系统数学模型。研究了PSD传感器的信号处理电路,通过运放和除法器实现了单个PSD的信号处理,结合单片机与A/DC采样电路,实现了上位机的高频率信号采集。对4-PSD测量系统进行预实验,为消除环境光干扰,通过激光调制和数字滤波等方法进行验证。最后,通过激光位移传感器标定4-PSD测量系统,介绍了4-PSD的标定步骤(原点、转角、长度和二阶非线性标定),测定了系统标定后的误差分布。该测量系统具有较高的测量频率(50 Hz)。标定实验结果表明:标定后的4-PSD测量系统在70 mm×70 mm内,测量精度平均为0.49 mm,比标定前降低了90%的误差,能满足大部分高速、高精度机器人末端的非接触式实时测量反馈需求。

基于机器视觉技术的高精度光学仪器表面动态变形测量研究

伴随着光学仪器精度的逐渐提高,其表面动态变形事件发生频率也呈现急剧增加的趋势,是影响与制约光学仪器发展与应用的主要因素之一。为了满足光学仪器的应用需求,提出基于机器视觉技术的高精度光学仪器表面动态变形测量方法。采用机器视觉设备获取高精度光学仪器表面图像,对表面图像进行灰度化处理、去噪处理与增强处理,以此为基础,应用SURF特征检测算法提取表面图像的特征点,通过FLANN算法匹配相邻图像的特征点,利用Delaunay三角化在表面图像区域形成三角网格,进一步计算表面图像特征点的位移与应变,从而实现高精度光学仪器表面动态变形的测量。实验数据显示:在横坐标为1μm时,应用提出方法获得的表面动态变形位移纵坐标为1.8μm,与实际位移基本保持一致,在实验组别为6时,应用提出方法获得的光学仪器表面动态变形应变数值为3μm,与实际应变数值保持一致,充分证实了提出方法具备较好的应用性能。

用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳

近年来随着光纤制造技术和飞秒激光技术的成熟,以掺铒(Er)光纤光学频率梳为代表的频率梳技术,逐步突破了光学频率测量领域,在长度测量、精密光谱分析、超低相位噪声微波频率产生、精密时间频率传递、温度测量等领域发挥出越来越重要的作用,已成为许多高端科研领域的基础性工具。但飞秒光学频率梳所解决的重要问题是对激光频率进行测量。本文主要面向激光频率参数测量的需求,研制基于掺Er光纤飞秒激光器的光学频率梳,在实现光学频率梳稳定运转的前提下,通过非线性光学频率变换技术,实现光谱范围从掺Er光纤光学频率梳的中心波长向各个待测激光波长的转换,并完成与多个不同波长激光的拍频信号探测。目前已验证的飞秒光梳可测频率范围为500~2000 nm;频率稳定度和准确度为10^(-16)量级;线宽为Hz量级。该指标满足了激光频率特性参数测量的需求,为激光绝对频率、频率漂移、线宽等参数的测量提供了基础性的测量工具。

基于光学法的水下爆炸冲击波流场压强测量与分析

针对水下爆炸流场多参数测量,发展了基于OpenCV图像处理技术的光学法,对水下爆炸实验中冲击波超压进行测量并与理论和数值结果作对比。发现基于OpenCV图像处理技术的光学法能够较好地实现冲击波阵面的捕获与超压测量并实现冲击波传播过程、爆轰产物发展等流场信息的获取,可为光学法在水下爆炸实验中的应用提供借鉴参考。

用于三角测量大数值孔径双远心光学系统设计

测量不确定度是与测量结果紧密相关的重要指标,反映了仪器测量的稳定性。激光三角测量仪器的测量不确定度与成像光学系统数值孔径直接相关,增大数值孔径能够有效降低测量不确定度。为了满足高精度测量需求,应用二维Q-type多项式自由曲面,设计用于线激光三角测量仪的大数值孔径双远心Scheimpflug成像光学系统。首先基于三角测量原理和线激光三角测量仪指标分析成像光学系统参数,然后结合像差灵敏度分析以及自由曲面像差特性,确定成像光学系统中自由曲面的位置和数量并进行优化设计。设计得到系统的数值孔径为0.2,成像范围为10 mm×14 mm,调制传递函数(MTF)优于0.6,最大畸变为0.21%,远心度优于0.3°。该系统具有大孔径、成像质量好、畸变小、双远心的特点,能够满足高精度线激光三角测量仪的应用需求。

相衬光学相干弹性成像的超分辨应变测量

相衬光学相干弹性成像的相位分辨率受限于系统的光源带宽,导致层析应变成像质量低。这严重制约了相衬光学相干弹性成像的实际应用与发展。为此,本文提出一种基于数据驱动的超分辨应变测量方法,以解决相位分辨率受限下的应变重构困难问题。首先,根据相衬光学相干弹性成像原理,搭建了层析应变测量模型,用于获取网络训练所需的数据集,解决实际测量过程中超分辨应变标签难以获取的问题。其次,构建深度卷积神经网络,通过带有层析分辨率受限特点的数据驱动方式,让网络学习低分辨相位与高分辨应变之间的映射关系,从而实现相衬光学相干弹性成像的超分辨应变测量。最后,采用数值验证和压缩变形加载实验对本文方法的性能进行验证。实验结果表明本文方法在窄带宽输出下能重构出宽带宽的应变测量效果,并且其信噪比相比于矢量方法和传统应变计算深度神经网络,分别提高了18.4 dB和1.45 dB。本文方法可以突破系统光源的带宽限制,在低分辨相位输入条件下实现超分辨应变测量,从而加快相衬光学相干弹性成像在力学性能表征、内部早期损伤探测等方面的应用前景。

基于损伤程度量化评估的光学薄膜元件激光损伤阈值测量方法

光学薄膜元件是高功率激光器中的关键器件,其抗激光损伤的能力对整个激光系统的运行至关重要。精确测量薄膜元件激光诱导损伤阈值对提升激光器使用寿命与出光效率有着重要意义。提出一种新型激光损伤程度量化评估法,该方法对薄膜元件在不同能量密度下的激光损伤程度量化分析,通过损伤趋势拟合,评估激光损伤阈值。对激光损伤区域的量化采用图像超分辨白光显微干涉测量法,可实现纳米量级测量精度。通过仿真验证该测量方法可实现纳米量级损伤结构的三维重构,重构损伤区域误差小于0.01%。在实验部分,以激光谐振腔镜及窗口片为测试样品,无需大量重复性激光损伤实验,基于单片样品在一组不同能量密度激光束照射下产生的单次损伤结果实现测量,结果数据与S-on-1方法吻合,偏差小于0.5 J/cm^(2),两个样品多次测量结果的标准差分别为0.361 J/cm^(2)和0.064 J/cm^(2)。

基于光学测量的触觉硬度估计研究综述

对基于光学测量的触觉传感器在柔性目标的硬度估计中的应用和发展方向进行梳理。首先以Shore硬度为例对柔性目标硬度测量的基本原理进行介绍。进一步地,对基于光学测量的触觉传感的基本原理进行分析,并对其在硬度估计中的可行性进行探讨。然后,对基于该类型传感器的硬度估计在不同领域中的应用进行了总结。最后,讨论了基于光学测量的触觉传感器在硬度估计中的发展方向。目前的研究表明,基于光学测量的触觉传感器因其分辨率高、延迟低、感知信息丰富等方面的优势,在柔性目标的硬度估计方面展现出巨大的潜力,然而,在灵巧手操作、医疗诊断等应用层面的研究仍存在较大的发展空间。

基于图像预处理的光学元件表面粗糙度测量系统

在测量光学元件表面粗糙度时,测量结果往往比较片面,为此设计基于图像预处理技术的光学元件表面粗糙度测量系统。获取原始元件表面粗糙度干涉图像,通过对表面形貌图像实施图像去噪处理与倾斜校正处理获取滤波结果,通过自适应中值滤波算法实施图像的去噪处理。在粗糙度参数评定模块中,根据取样长度对评定长度下定义,实施光学元件表面粗糙度的全面评定。利用设计系统测量三种光学元件的表面粗糙度。实验结果表明:通过设计系统能够获取高成像质量的表面粗糙度干涉图像,实现多种元件表面粗糙度的全面测量,具有一定应用价值。

超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术发展现状

综述了超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术的最新发展现状,归纳了三类测量方法:一维方法、二维方法和三维方法。一维方法可以测量燃烧室某个点或某条线平均的燃烧组分浓度以及温度信息,是研究燃烧化学反应特性的重要手段;二维方法可以实现燃烧室火焰结构或流场信息的面测量,是研究燃料与空气的掺混特性、火焰传播特性,以及火焰与湍流、旋涡、激波相互作用的重要手段;三维方法是对二维方法测量能力的重要拓展,他可以克服二维方法只能对流场一个平面进行测量或只能获得整个流场积分信息的缺陷,实现燃烧场的空间三维测量。指出了未来内窥技术是满足真实的燃烧室结构光学测试的重要途径,总结了当前超燃冲压发动机燃烧室光学测量工程应用的主要难题,展望了提升超燃冲压发动机燃烧室光学测量成熟度的方法。

国产化背景下高精密光学双基站空间定位测量系统设计

开展了基于近景摄影测量技术的国产化高精密光学双基站空间定位测量系统研发。文中主要提出了针对该系统的设计方案,从整体结构、相机、光源、二维转台、移动标靶、处理软件等方面进行系统设计,同时在设计研发基础上开展了实验测试,通过与目前高精密测量仪器激光跟踪仪进行精度对分析,实验数据表明了其最大偏差为02mm,满足主回路设备≤03mm的安装公差要求,验证了该系统能够较好地满足我国高精密测量仪器装备使用需求,在国产化替代方面具有一定的可行性。

基于NSGA-Ⅱ的车载光学测量设备任务调度方案优化

针对车载光学测量设备任务调度方案优化问题,提出了一种基于非支配排序的遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithmⅡ,NSGA-Ⅱ)的多目标遗传算法。首先,建立了包含约束、优化指标在内的观测任务调度问题的数学模型。其中,针对多优化指标进行巧妙处理,将某些不作为最优指标的优化指标作为指标约束进行处理。其次,基于NSGA-Ⅱ中的快速非优超排序方法计算多目标适应度函数与选择算子,多目标优化求解得到的Pareto最优解集即为任务调度方案集。最后,通过仿真算例对所提算法进行了求解验证。仿真结果表明,该算法能够有效解决任务调度方案优化问题,为车载光学测量设备的工程实践提供了一定的参考。

数字电影检测实验室光学测量仪器校准活动实践分析研究

本文介绍了数字电影检测实验室光学测量仪器校准活动情况,并以分光辐射亮度计为例,结合其应用场景,通过比较分析仪器设备规格和测量方法要求,研究确定相关光学测量仪器校准的参数与要求。本文以计量中的校准活动为出发点,分析数字电影光学测量仪器校准活动实践中存在的问题,提出针对现状的思考与改进策略,最后进一步探讨和展望校准活动的发展趋势。

大视场三维姿态角光学测量系统设计

三维姿态角光学测量通过对物体表面的光学图像处理,实现对物体的角度姿态测量;为提高目标三维姿态角光学检测的准确性,提出基于立体视觉的大视场三维姿态角光学测量系统设计方法;利用双基准平行准直光源与姿态敏感器,通过图像传感器、USB接口芯片等部件实现分割光斑、质心定位等功能;在Linux内核基础上设计信号收集、数据移植、串口通信、姿态角分析4个软件模块,同时引入立体视觉算法探究靶标点和图像像点对应关联,运用视差定理确立空间角度的三维坐标,实现大视场三维姿态角测量;实验结果证明:所建系统姿态角标定误差小、时间同步性强,测量累计时间低于15 s,具有较高的测量精度和鲁棒性,为机械设备精密部件尺寸测量提供了一种有效的技术手段。

气溶胶光学特性测量研究进展

气溶胶会对全球气候变化、能见度、环境质量、人类健康等产生重要影响。分析常用的气溶胶光学特性测量方法及其局限性,探讨未来的气溶胶变化趋势以及光学特性测量方法,将原位测量和遥感测量相结合,以期更好地测量气溶胶的单次散射反射率、吸收特性和尺寸分布等参数。

扫频源光学相干断层扫描和时域光学相干断层扫描对近视患者房角参数测量的一致性分析

目的:探讨扫频源光学相干断层扫描(SS-OCT)和时域光学相干断层扫描(TD-OCT)在近视患者前房角测量的一致性。方法:回顾性选择2023年1-5月在陆军军医大学大坪医院眼科就诊的46(92眼)近视患者,所有患者均使用SS-OCT和TD-OCT分别对房角参数进行测量,对比分析SS-OCT和TD-OCT两种扫描方法测量中央前房深度(ACD)、房角开放距离(AOD500、AOD750)、巩膜突角度(SSA)、小梁网虹膜面积(TISA500、TISA750)等参数的差异;采用Pearson相关性分析法和Bland-Altman检验,分析测量的相关性和一致性。结果:两种扫描方法测量房角参数ACD比较差异均有统计学意义(t=-6.83,P<0.001);且AOD500、AOD750、SSA500、TISA500和TISA750的鼻侧测量数据差异均有统计学意义(t=-5.16、5.51、-6.51、-4.75、-5.69,P<0.001);颞侧测量数据差异均有统计学意义(t=-5.04、-4.8、-6.06、-3.84、-4.02,P<0.001)。两种扫描方法测量结果呈正相关(r=0.71~0.92),Bland-Altman分析显示2.1%~8.9%测量值在95%一致性界限外。结论:SS-OCT和TD-OCT在近视患者房角参数测量中存在差异,测量结果呈正相关。

一种非接触式光学微腔液压测量系统

为满足在狭小腔室中测量液体压强的需求,设计了一种非接触式光学法布里珀罗微腔液压测量系统,其中,光学微腔采用双光子三维打印技术制备,膜结构尺寸仅为350μm,设计的膜厚分别为4μm和6μm。系统主要采用嵌入式设计与衍射光栅光谱模块互联,实时采集光学微腔干涉光谱信号,实现了高精度光谱动态解调。实验结果表明,室温(25℃)下,4μm膜厚的微腔液压灵敏度高达398 pm/kPa,系统分辨率可达35.5 Pa,重复性较好,有望用于生物医学眼压等应用场景。

超音速流动流场光学测量技术研究进展

近年来,与超音速飞行器相关的超音速流动受到了极大的关注,实现对超音速、高超音速流场结构可视化研究以及对流场参数的精确测量成为研究重点。相比于传统测量技术,光学测量技术具有无干扰、高分辨率、高精度以及可视化等优点,被广泛应用于超音速流动流场测量。详细介绍了目前应用于超音速流动流场研究的多种光学测量方法的原理及其研究进展,为超音速流动测量技术的发展提供借鉴和参考。

三维光学测量技术在复杂工件长度检测中的应用

文章介绍了三维光学测量技术的基础原理和常用设备,分析了复杂工件的特点与测量挑战,探讨了三维光学测量技术在复杂工件长度检测中的具体应用,通过实际案例展示了其在精度和效率方面的优势。文章对测量结果进行了误差分析,并提出了优化测量方案的策略。三维光学测量技术在复杂工件长度检测中的应用不仅提高了测量精度和效率,还为进一步优化提供了参考依据。

校企合作人才模式下光学测量信息化教学改革分析

在当今信息化和全球化高度发展的时代,教育领域也面临着前所未有的变革和挑战。高校教育尤其是专业课程的教学方式和内容,必须紧跟时代的步伐,以培养适应现代社会需求的高素质、复合型人才。光学测量作为光电信息科学与工程专业的核心课程,其教学质量直接影响学生的专业素养和实践能力。通过研究校企合作模式与信息化教学在光学测量课程中的应用和结合,不仅可以解决当前教学中存在的问题,还能探索出一条适应现代教育需求的创新路径,为其他专业课程的教学改革提供有益的借鉴和参考。