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光学精密工程

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2026年13期

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现代应用光学 | 自由曲面折反式头盔显示光学系统设计

现代应用光学 | 自由曲面折反式头盔显示光学系统设计

文章编号 1004-924X（2026）13-1969-12 摘要：为满足机载场景下的应用需求，针对高性能头盔显示系统追求大视场、大出瞳直径与轻量化结构之间的设计矛盾，选用对侧倾斜投影结构，设计了一种面罩呈流线型的自由曲面折反式光学系统。先采用倒追光线的设计方式与逐步替代的渐进式优化策略，对中继透镜组和自由曲面的面型进行优化以校正系统像散、畸变和慧差;再将中继透镜组镜片数量缩减至5片并同轴放置，
现代应用光学 | 基于深度学习单帧干涉解耦的平行平板光学均匀性高精度测量

现代应用光学 | 基于深度学习单帧干涉解耦的平行平板光学均匀性高精度测量

摘要:平行平板作为典型透射光学元件,广泛应用于光学检测、半导体制造及国防装备等领域,其光学均匀性对系统性能具有重要影响。针对现有光学均匀性高精度测量中存在的干涉混叠难以解耦、多帧采集耗时较长及环境噪声抑制困难等问题,提出一种基于深度学习单帧干涉解耦的平行平板光学均匀性高精度测量方法。通过构建混叠干涉图与单面干涉图之间的映射模型对单帧混叠干涉图进行解耦,从而获得前后表面各自的单表面干涉图,以实现干涉条纹有效分离。通过虚拟移相重构由单帧干涉图生成的等移相间隔序列,结合传统五步移相法进行相位提取与面形重建,进而实现平行平板光学均匀性高精度检测。构建了两阶段卷积神经网络模型,第一阶段网络用于实现混叠条纹到单面条纹的映射,第二阶段网络完成五步移相序列生成及前后表面面形解算,搭建了基于深度学习单帧干涉解耦的平行平板光学均匀性测量装置,并采用 Φ75mm 和 Φ50mm 平行平板样品进行了实验验证。实验结果表明,该方法测得的光学均匀性结果与ZYGO干涉仪测量结果一致性较好,绝对偏差达到 10^-7 量级,仅需采集单帧混叠干涉图即可实现平行平板光学均匀性的高精度、快速测量,可为光学元件的高通量和现场化检测提供技术支撑。
现代应用光学 | 双波长单纵模掺镱光纤激光器自混合干涉微位移测量系统

现代应用光学 | 双波长单纵模掺镱光纤激光器自混合干涉微位移测量系统

摘要:为了提高条纹计数法激光自混合干涉位移测量的分辨率,设计了一种双波长单纵模掺镱光纤激光器自混合干涉微位移测量系统。该系统可以输出两路相位相反的自混合干涉信号,采用最优阈值方法对其进行细分,以获得具有λ/8分辨率的可计数特征点,并通过三次样条插值方法重构被测位移。探究了双波长单纵模掺镱光纤激光器自混合干涉特性及微位移测量误差,实验结果表明,当测量靶镜以频率为3~9 Hz、振幅在2~11 μm内周期振动时,微位移测量误差在96~105 nm内变化,相应的平均测量误差为100.2 nm,平均相对误差为1.98%。这种双波长单纵模掺镱光纤激光器自混合干涉微位移测量系统设计方案简单可行,具有广阔的应用前景。
现代应用光学 | 完美涡旋光散斑光场照明均匀性设计

现代应用光学 | 完美涡旋光散斑光场照明均匀性设计

摘要:与传统高斯散斑光场相比,完美涡旋光(Perfect Optical Vortex, POV)散斑在光场传输、散斑尺寸及光记忆效应等方面具有独特性能,但其环形光强会使散斑呈现“甜甜圈”结构,导致成像质量差、测量精度低以及数据分析困难。为此,设计了一种能够提高POV散斑照明均匀性的光学系统。以POV散斑场为光源,基于ZEMAX设计了一套高均匀性科勒照明系统,并通过降低评价函数对曲率半径、透镜间距等关键参数进行系统性优化。系统由三片式集光镜和双胶合聚光镜构成。其中,集光镜对冕牌玻璃H-ZK9A与火石玻璃ZF2进行对比优化,聚光镜使用Thorlabs成品透镜进行设计。仿真结果表明,在序列模式单波长条件下,系统照度均匀性均超过96%,采用ZF2的方案可达98.9%,在引入物理散射与相位调制的非序列模式下,系统均匀度均超过90%;多波长条件下,无论是序列模式还是非序列模式,两个系统在可见光波段内均保持稳定的照明均匀性,证明了系统适用于宽谱照明场景。在微观统计特性方面,像面散斑对比度接近1,且空间自相关的特征尺寸仿真值与理论值高度吻合。进一步实验表明,该系统能稳定生成POV动态散斑光场,实际获取的横纵剖面曲线、中心矩形区域照度均匀度超过86%,验证了设计的可行性。实验数据略低于非序列模式仿真结果,主要归因于元件对准精度误差、SLM零级光残余以及实验环境噪声等物理因素。本研究成功实现了POV散斑照明均匀化设计,在宏观上消除环形强度分布的同时,精确且无损地保留了其微观统计特征,为特殊结构光照明系统优化提供了一种可行思路,并为其在精密成像与信息处理等领域的应用奠定了基础。
维纳技术与精密机械 | 大面域多维测力仪轻量化设计与研制

维纳技术与精密机械 | 大面域多维测力仪轻量化设计与研制

摘要:针对大尺寸工件切削力监测中,大面域测力仪因测试面域扩大而导致质量增大、固有频率下降的技术问题,引入轻量化思想,研制了一种大面域压电多维测力仪,并开展了系统的理论分析与实验验证。通过结构功能分析明确了轻量化的设计约束与优化方向,运用拓扑优化获取初始结构,确定关键尺寸参数。采用试验设计结合响应面法建立参数与优化目标的代理模型。然后,结合多目标优化算法进行参数寻优,确定最终设计方案,完成测力仪样机制备。最后,通过静、动态标定以及实际铣削实验对轻量化测力仪的性能进行验证。实验结果表明,测力仪实测整体质量下降8.3%,一阶固有频率提升33.2%,各向线性度、重复性均小于0.5%,各向耦合误差小于3%,三向固有频率不低于1.9 kHz;铣削测力实验验证了其在工作面域内的测试稳定性,清晰揭示了其对不同工况的灵敏响应,证明了轻量化后的测力仪仍具有优异性能。该研究为后续测力仪结构设计和固有频率提升提供了理论指导,具有明确的工程应用价值。
维纳技术与精密机械 | 单晶碳化硅的双脉冲皮秒激光协同机械裂片复合切割加工

维纳技术与精密机械 | 单晶碳化硅的双脉冲皮秒激光协同机械裂片复合切割加工

摘要:为稳定分离碳化硅并降低切割损伤,提出一种双脉冲皮秒激光协同机械裂片复合的切割方法。通过加工断裂引导沟槽与应力诱导断裂协同作用的工艺路线,实现材料的高质量稳定切割。系统研究了双脉冲延迟、分层扫描间隔、激光功率和扫描速度对烧蚀行为、裂片稳定性及断面质量的影响。实验结果表明,双脉冲时序调控可显著增强双脉冲协同作用,在延迟1 ps时材料去除能力最佳,单次加工沟槽深度较单脉冲提高81.34%;分层扫描间隔30 μm时,切割质量、效率与裂片可控性匹配较优;最佳激光功率为18.6 W、扫描速度为15 mm/s。随着烧蚀的不断增强,侧壁区域C,O元素含量升高而Si元素降低,表明激光作用诱导了Si挥发、C富集及氧化改性。该加工技术能够实现碳化硅材料的切割分离,在优选参数条件下加工可形成更稳定的裂片引导沟槽和内部裂纹,更有利于获得低损伤、高可控的碳化硅切割质量,为碳化硅等硬脆单晶材料的高质量激光切割提供了技术储备。
维纳技术与精密机械 | 玻璃微流控芯片模压成形裂纹形成与抑制

维纳技术与精密机械 | 玻璃微流控芯片模压成形裂纹形成与抑制

摘要:针对阶梯式光学玻璃微流控芯片模压成形过程中深腔-浅槽过渡区易发生热裂纹与碎裂的问题,揭示了微裂纹形成机理并提出一种裂纹抑制方法。基于D-ZK2N玻璃高温黏弹性本构关系,建立冷却退火过程三维热-力耦合有限元模型;引入Deborah数表征结构松弛与应力冻结的竞争关系,提出梯度冷却策略,并开展模压实验验证。实验结果表明,非均匀热惯性与体积收缩失配是过渡区“外压内拉”型应力集中的主要原因。在线性冷却条件下,该区域应力持续积累并形成高裂纹风险;采用梯度冷却后,过渡区附近的结构松弛更加充分,其过渡区残余应力降低22.4%,成形件未见裂纹,深腔结构成形深度达4.522 mm。基于Deborah数的梯度冷却能够有效抑制阶梯过渡区热裂纹,适用于大深宽比玻璃微流控芯片的精密模压成形。
维纳技术与精密机械 | 机器人被动跟踪测量与误差校正

维纳技术与精密机械 | 机器人被动跟踪测量与误差校正

摘要:为提高机器人在高精密自动化领域适用性,提升机器人定位精度,构建了基于被动跟踪测量技术的机器人钻孔加工系统,并围绕系统误差源解析、坐标转换标定及误差补偿策略开展了系列探究。首先,剖析被动跟踪测量系统的测量机理与内部误差来源,采用直接测量与空间圆平面非线性拟合相结合的方法实现误差补偿。其次,阐述了钻孔加工系统的整体架构,明确了系统坐标转换与标定方法。在此基础上,提出一种机器人位姿误差循环补偿策略,确立了“先姿态,后位置”的补偿思路。为验证所提方法的有效性,在有机玻璃工件上开展钻孔加工对比实验。实验结果表明,加工孔的定位精度得到显著提升,定位误差由1.23 mm降至0.15 mm,能够满足精密加工与自动化装配领域对精度、稳定性及可靠性的严苛要求。
信息科学 | 基于分层协同架构的天地一体化动态链路管理

信息科学 | 基于分层协同架构的天地一体化动态链路管理

摘要:天地一体化信息网络被视为第六代移动通信技术的关键组成部分。然而,实际部署中卫星馈电链路终端资源受限且地面业务流量时空分布不均,使得网络链路管理面临显著挑战。针对上述问题,提出一种基于分层协同架构的天地一体化动态链路管理策略。该策略通过构建两阶段分层协同机制,将高维全局联合优化问题解耦为星地接入层与星间拓扑层两个关联子任务。对于星地接入层,采用多智能体近端策略优化算法,实时感知以人口热点表征的地面业务需求,实现链路资源的按需调度;对于星间拓扑层,通过自底向上的流量热度反馈,驱动优势演员-评论家智能体对星间激光链路拓扑进行动态重构,降低无效能耗。仿真结果表明,所提策略在维持1.33%低阻塞率与310.44Gb/s网络容量的条件下,相较全连接基准拓扑可降低32%的能耗,并将网络资源利用效率提升至基准方法的1.81倍,验证了该方法在大规模动态场景下的有效性与稳定性。
信息科学 | 红外辐射基准载荷复杂电磁环境下精密阻值测量系统噪声分析与优化

信息科学 | 红外辐射基准载荷复杂电磁环境下精密阻值测量系统噪声分析与优化

摘要:为进一步提高红外辐射基准载荷阻值测量系统在航天电磁环境下的测量稳定性和抗干扰能力,提出一种噪声分析与数字平均滤波参数优化方法。针对测量系统低数据获取速率下的噪声频率混叠,通过获取多组欠采样数据进行噪声频率恢复,并给出速率存在偏差下的频率恢复校正方式;对测量过程进行等效频率响应建模,构造平衡噪声抑制效果和数据获取时长的代价函数对数字平均滤波参数进行优化。实验结果表明,在低于31 Hz的数据获取速率下,实现了50~8 765 Hz的干扰频率识别,优化所得滤波参数对干扰的抑制优于47 dB,相较于常规参数,电压测量噪声峰值由7.151 7 mV降低至0.076 5 mV,阻值测量稳定性由0.097 27 Ω优化至0.001 38 Ω。该分析优化流程能够在较低的数据获取速率条件下准确识别噪声,实现多频辨别与混叠成分分析,进而指导滤波参数优化,为红外辐射基准载荷精密阻值测量系统应对航天复杂电磁环境提供了可靠的解决方案。
信息科学 | 基于滑动窗口与共视关系增强的多机视觉同时定位与建图回环检测

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摘要: 多机视觉同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)回环检测分为机器人内部回环和机器人间回环, 分别用于局部轨迹优化和机器人间的相对位姿获取。针对多机视觉SLAM在光照变化与视角差异场景下回环检测效果不佳且易产生误匹配与漏检的问题, 提出一种基于滑动窗口与共视关系增强的多机视觉SLAM回环检测方法。构建基于滑动窗口的候选帧筛选机制, 利用图像相似度得分的均值和方差调整检测阈值, 避免回环漏检问题。针对机器人内部回环具备时序连续性的特点, 引入了基于滑窗的时序一致性检验, 有效剔除由相似场景诱发的偶然性误匹配。最后, 设计了共视关系增强的几何校验方法, 通过引入共视帧构建局部子图扩展观测视野, 有效提高了回环检测的质量。采用户外、隧道和地下场景的多份数据集进行了实验验证, 结果表明, 相比DBOW2方法, 所提方法检测高质量回环的比例提升了6%以上, 绝对轨迹误差降低了10.0%~63.7%。

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现代应用光学 | 自由曲面折反式头盔显示光学系统设计

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