最新刊期
      2024 年 第 32 卷 11 期

        现代应用光学

      • “在提高激光跟踪仪坐标测量精度领域，专家建立了几何结构误差模型，通过标定和修正方法，成功将测量误差从13 μm/m减小到4 μm/m以内，显著提升了测量精度。”
        ”
        王珊,张滋黎,董登峰,周维虎,纪荣祎,潘映伶,王国名,崔成君
        2024, 32(11): 1639-1652. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1639
        摘要：为了提高激光跟踪仪坐标测量精度，分析了跟踪仪的几何结构误差，研究了横竖轴平移误差、横竖轴倾斜误差、激光平移误差和激光倾斜误差的标定和修正方法。利用几何分析法建立了几何结构误差模型，基于投影图像测量仪和检棒、PSD搭建了几何误差参数的标定装置，实现对几何误差的快速自动高精度标定及补偿。最后，利用误差标定实验测量出的几何误差代入误差补偿模型，与标尺的长度进行比对分析。实验结果表明：经几何误差修正后的跟踪仪坐标测量误差从13 μm/m减小到4 μm/m以内，测量精度约提升了9 μm/m，验证了几何误差标定和修正方法的正确性，该方法可以提高激光跟踪仪的坐标测量精度。  
        关键词：激光跟踪仪;几何结构误差;误差标定;误差修正;最小二乘法   
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        发布时间：2024-07-10
      • “在高精度平面干涉仪系统评价领域，研究人员通过仿真分析与实验结合，探究了噪声对仪器传递函数测试结果的影响，并提出了优化方案。实验结果验证了优化方案能有效降低噪声干扰，提高测试精度。”
        ”
        樊耀轩,张文喜,伍洲,杨帅,覃日康
        2024, 32(11): 1653-1666. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1653
        摘要：在高精度平面干涉仪系统评价标准中，仪器传递函数（Instrument Transfer Function， ITF）已经逐渐成为干涉仪性能的重要评价指标，它准确地反映了光学系统对于测量形貌不同空间频率的分辨能力。然而，ITF测试过程中的实验环境要求较为严格，干涉仪系统噪声会导致测试结果产生较大失真。为了能够准确表征干涉仪系统的性能，通过仿真分析与实际实验结合的方式，将仿真干涉图引入不同量级的高斯随机噪声，探究了噪声对于ITF测试结果的影响，提出测试误差的评价指标ITFRMS值，分析了干涉仪系统的噪声容限，依据评价指标提出了几种不同的ITF测试优化方法，并搭建实验系统进行分析验证。实验结果表明，在未优化的ITF测试流程中，所搭建的干涉仪系统ITF测试的ITFRMS值为0.111 2，而优化后同样噪声量级的干涉仪系统所得ITFRMS值则分别降至0.069 3，0.036 7，0.057 9。此结果证明了优化方案的可行性，该方案能有效抑制干涉仪系统ITF测试过程中的噪声干扰影响。  
        关键词：干涉测量;斐索干涉仪;仪器传递函数;噪声容限   
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        发布时间：2024-07-10
      • “最新研究进展显示，通过集成微透镜提高InP基InGaAs单光子红外探测器的光能利用效率，成功设计并验证了磷化镓和硅材料的方形孔径微透镜阵列，为探测器灵敏度提升提供了有效解决方案。”
        ”
        张晨阳,莫德锋,徐红艳,马英杰,顾溢,李雪,苏文献
        2024, 32(11): 1667-1675. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1667
        摘要：微透镜与探测器芯片的集成应用可以提高探测器的光能利用效率，从而提高探测器的灵敏度。针对两种InP基InGaAs单光子红外探测器，分别设计了材料为磷化镓和硅的两种方形孔径微透镜阵列。介绍了微透镜阵列结构参数的设计流程并分析了每个步骤的设计要点，利用光线追迹软件对设计的微透镜阵列结构参数进行仿真校核，确定了两种微透镜阵列符合设计要求。使用台阶仪和共聚焦显微镜对制作完成的两种微透镜阵列进行了形貌检测，计算得出两种微透镜阵列的曲率偏差分别为1.38%和3.44%。实验测试了1.064 μm波长下两种微透镜阵列在空气中的焦距，与模拟结果对比，得到焦距偏差为5.69%和2.76%。通过分析微透镜的制作工艺，两种偏差符合应用需求。  
        关键词：微透镜阵列;光探测器;光能利用率;矩形孔径   
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        发布时间：2024-07-10
      • “最新研究突破：自由运动线虫双光路观测系统成功实现细胞级成像，为线虫行为运动数据采集提供新方案。”
        ”
        于涛源,徐熙平,张少军,张宁,李宏源,王晓辉
        2024, 32(11): 1676-1685. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1676
        摘要：为了解决自由运动秀丽隐杆线虫观测系统存在的视场单一、运动数据受环境影响等问题，设计了自由运动线虫双光路观测系统。该系统融合了显微成像模块和大视场成像模块，能够同时获取线虫的显微图像和培养皿图像，并通过切换荧光模块满足线虫荧光图像的获取需求。系统将显微成像模块直接装载在XYZ三轴位移平台上，可以有效避免线虫受震动影响引发的逃逸反应。最后，使用系统对USAF1951分辨率板和不同品系的线虫进行成像。实验结果显示，显微成像模块的分辨率小于2.19 μm，实现了对线虫的细胞级成像，系统获取的明场显微图像清晰显示了线虫的器官组织分布和细胞轮廓，荧光图像能够清晰显示不同荧光蛋白的分布情况。大视场成像模块照度均匀、成像清晰，通过形态学算法处理图像可以采集线虫种群行为运动数据。综上所述，该系统满足不同线虫观测需求，具备较好的稳定性和数据准确性，显著提高了线虫实验的灵活性，并为不同尺度下线虫观测信息整合提供了基础。  
        关键词：显微成像;双光路成像;秀丽隐杆线虫;线虫观测系统   
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        发布时间：2024-07-10
      • “在惯性空间观测领域，专家提出了一种TDI相机长弧段星源主动扫描设计方法，有效扩大观测范围和成像信噪比。通过构建映射函数和建立扫描成像模型，实现了动态星源无拖尾高信噪比成像。实验结果验证了该方法的有效性，为惯性空间观测提供了新的解决方案。”
        ”
        闫安东,付宗强,曾疏桐,常琳,杨秀彬
        2024, 32(11): 1686-1700. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1686
        摘要：为了有效扩大惯性空间观测的幅宽范围和成像信噪比，提出了一种基于星等与光学多参量的映射函数的卫星与载荷姿频协同补偿的TDI相机长弧段星源主动扫描设计方法。首先，基于黑体辐射能量密度公式，构造TDI光学参量与极限探测星等之间的映射函数；然后，采用齐次坐标变换和欧拉轴最优路径规划方法，建立惯性空间卫星恒速机动和载荷动态实时补偿的长弧段星源扫描成像模型，完成动态星源无拖尾高信噪比成像。最后，基于平行实验理论，搭建由TDI相机和动态星源模拟器组成的实验系统，并完成了扫描成像实验和误差分析。实验结果表明，本体坐标系相对惯性坐标系的欧拉角速率为8.5 （°）/s时，积分级数为96，TDI相机行频为1 kHz，成像时长10 s，TDI相机成像过程中星图成像信噪比最大值为7.325，扫描区域立体角为5.423 2 rad。惯性空间TDI相机长弧段星源主动扫描可实现对星源高信噪比成像，并大幅拓展了成像观测范围。  
        关键词：空间遥感;TDI相机;信噪比;长弧段;欧拉轴;主动扫描   
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        发布时间：2024-07-10

        微纳技术与精密机械

      • “最新研究进展：基于电化学传感原理和微流控技术，成功研发出一种能连续监测血液pH和PCO2的芯片，为血液透析患者提供连续在线检测，降低死亡率。”
        ”
        于海霞,刘家乐,范译心,谭志广,郭庆
        2024, 32(11): 1701-1712. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1701
        摘要：为了连续检测血液透析患者血液的酸碱度，降低血液透析患者的死亡率，基于电化学传感原理和微流控技术，研究了一种能够连续监测血液pH和PCO2的芯片。芯片中pH电极和CO32-电极以共用参比电极的方式实现pH和PCO2的联合检测，利用微型化测试腔保证血液的连续流通和检测，并防止空气对血液检测的干扰，提高血液pH和PCO2的检测精度。采用pH 6.00~9.00的Tris-HCl溶液测试芯片的pH检测性能，其检测灵敏度达到61.2 mV/pH，连续检测同一样品的标准差小于0.01（n=10），再现性测量的平均相对误差为0.46%（n=6），在pH 6.00~9.00内实现了样品溶液pH值的准确检测。利用联合传感芯片分别进行血气质控液和血液测试实验，在血气质控液中检测pH和PCO2的绝对误差分别低于0.04和306.64 Pa（2.30 mmHg），平均相对误差分别为0.23%和1.94%；在血液中检测pH和PCO2的绝对误差分别低于0.05和466.63 Pa（3.50 mmHg），平均相对误差分别为0.36%和2.60%。与血气分析仪相比，该芯片体积小，与血液透析管路连接可以实现血液中pH和PCO2的连续在线检测。  
        关键词：微流控技术;血液透析;酸碱平衡;电化学传感器;连续血液检测   
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        发布时间：2024-07-10
      • “最新研究突破：微型超声电机实现小空间大驱动力，结构紧凑，性能优越，为精密驱动领域提供创新解决方案。”
        ”
        王大志,杨明洛,王奉书,李泽飞,段宇,梁世文,孔令杰,蔡宜如,杨欣龙,张泽田,唐彬
        2024, 32(11): 1713-1723. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1713
        摘要：针对小空间、低电压、大驱动力的应用需求，提出了一种基于单弯曲振动模态的多足直线式微型超声电机。根据超声电机的驱动原理对定子结构进行设计，利用有限元软件ANSYS Workbench建立定子的动力学仿真模型，对定子进行结构优化及动力学分析，确定定子最终尺寸为8 mm×1 mm×0.6 mm，定子实测B3，B4模态谐振频率与仿真相比误差分别为6.99%和5.46%。最后，建立电机定、动子之间的非线性仿真接触模型，验证了超声电机双向驱动的可行性。搭建微型直线超声电机驱动性能测试装置。实测结果表明：当驱动电压为60 Vpp时，最大空载速度为53.3 mm/s、最大负载为43.3 mN，推重比达280。该微型超声电机原理可行、结构简单紧凑，具有良好的输出性能，在光学系统、精密定位系统和移动终端等精密驱动领域有着广阔的应用前景。  
        关键词：微型超声电机;驻波;动力学仿真;振动特性   
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        发布时间：2024-07-10
      • “在压电微定位平台精度提升领域，专家建立了反映压电陶瓷作动器频率依赖迟滞非线性特性的Hammerstein模型，采用基于卡尔曼滤波的预测控制，有效提高控制精度。”
        ”
        于树友,谭丽,李建普,冯阳阳,刘冬梅,林宝君,孙绍瑜
        2024, 32(11): 1724-1735. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1724
        摘要：为了抑制压电陶瓷的迟滞、非线性特性对压电微定位平台精度的影响，建立反映压电陶瓷作动器频率依赖迟滞非线性特性的Hammerstein模型：利用非对称Bouc-Wen模型来表示静态迟滞非线性和利用动态线性模型表征信号频率的影响。针对迟滞补偿器不能完全的进行补偿，并且存在噪音干扰实验设备，采用基于卡尔曼滤波的预测控制，提高压电微定位平台的控制精度。预测控制用来减小逆补偿误差以及建模误差等模型不确定性的影响，卡尔曼滤波用来获得系统的状态估计值。实验结果显示，该控制器在正弦波信号下的相对跟踪误差小于0.68%，三角波信号下相对跟踪误差小于0.70%。在迟滞补偿的基础上，采用卡尔曼滤波的预测控制，该方法可以有效地完成对微定位平台的高精度跟踪。  
        关键词：预测控制;卡尔曼滤波;压电陶瓷作动器;Hammerstein模型   
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        发布时间：2024-07-10
      • “在微流道设计领域取得新进展，研究人员设计并制备了大尺寸仿猪笼草口缘区结构的半圆管型微流道，通过实验分析验证了其单向铺展性，为微流道参数设计提供基础指导。”
        ”
        陈飞昊,姜晨,郝宇,许世炜
        2024, 32(11): 1736-1745. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1736
        摘要：针对面向无动力输入的自由流体在半圆形截面微流道中单向流动的问题，设计并制备了具有百微米级大尺寸仿猪笼草口缘区结构的开放式半圆管型微流道。分析液体单向铺展性机理，设计基本的大尺寸仿猪笼草口缘区结构半圆管表面；使用光固化成型方法的数字光处理3D打印设备制备工件，实验分析大尺寸仿猪笼草口缘区结构半圆管型微流道的液体单向铺展性，计算极差表征各结构参数对单向铺展性的影响。结果表明：大尺寸仿猪笼草口缘区结构半圆管型微流道在椭圆半长轴570 μm，空腔楔角30°，微流道宽度320 μm，结构体长360  μm，拉伸长度200 μm，曲率2时具有较强的单向铺展性；各因素对铺展系数的影响程度由大到小分别为拉伸长度、结构体长、空腔楔角、椭圆半长轴、微流道宽度和曲率。研究结果为大尺寸仿猪笼草口缘区结构半圆管型微流道的参数设计提供基础指导，也验证了采用常规3D打印技术制备具有单向铺展性的微流道的可行性。  
        关键词：微流道;3D打印;猪笼草口缘区;单向铺展性;开放式半圆管型   
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        发布时间：2024-07-10

        信息科学

      • “在自动化检测领域，研究者设计了基于机器视觉的蜗杆缺陷采集系统，改进YOLOv7算法，引入数据增广、注意力机制和SIOU损失函数，显著提升了检测精度，为蜗杆表面缺陷自动化检测提供了高效解决方案。”
        ”
        王蕾,郭文平,陈欣慰,夏珉
        2024, 32(11): 1746-1758. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1746
        摘要：为了改善蜗杆齿顶表面缺陷检测依赖人工检测，检测效率低下以及检测成本高昂的现状，对基于机器视觉的自动化检测方法展开研究。设计了蜗杆缺陷采集系统，针对不同缺陷发生率不同提出了数据增广策略。在YOLOv7的基础上改进算法，针对不同缺陷的尺寸分布差异，引入渐进特征金字塔重构颈部网络，提升模型的多尺度特征融合能力；为减少蜗杆非缺陷位置对检测结果的干扰，引入注意力机制进一步加强模型的缺陷关注能力；最后改进回归损失函数为SIOU，在网络训练中加入考虑标注框和预测框的方向，进一步提升网络的检测精度。通过对比消融实验证明了上述改进的有效性。在参数量下降20.7%的情况下，文本所提出的算法相较于YOLOv7算法精度提升了3.3%；和YOLOR，YOLOv5m等多种算法相比，本算法的检测性能最优，基本满足蜗杆表面缺陷自动化检测需求。  
        关键词：机器视觉;表面缺陷;YOLOv7;特征金字塔   
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        发布时间：2024-07-10
      • “在点云测量领域，研究者提出了多层级过滤网络MulFNet，有效解决了低重叠率点云匹配失真的问题，为提高测量精度提供了新方案。”
        ”
        贺敏琦,刘俐,李尚,吴浩,朱大虎
        2024, 32(11): 1759-1772. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1759
        摘要：针对点云测量过程中由于结构遮挡、视场约束、拼接误差等导致的匹配失真问题，提出一种多层级过滤网络（Multi-level Filter Network， MulFNet）用于实现单次测量点云低重叠率下的精确配准。通过特征金字塔编码网络提取点云的多层级特征，获得不同尺度的语义信息，同时嵌入注意力模块和信息编码模块以增强特征显著性。基于多尺度一致性决策机制对多层级特征进行过滤，筛选离群点并保留点云突出特征，获得初始对应关系。最后，将初始对应结点基于几何信息自适应分组，由局部至全局进行加权转换估计，获得基于多层级过滤筛选后的预测矩阵。实验结果表明，MulFNet网络在标准3DMatch公共数据集上的匹配效果明显优于FCGF，PREDATOR等主流网络，在平均重叠率为10%的测量数据集上的匹配精度比ICP算法和GeoTransformer网络分别提高40.9%和85.4%，有效解决了低重叠率点云匹配失真的问题。  
        关键词：点云匹配;匹配失真;低重叠率;多层级过滤;局部测量   
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        发布时间：2024-07-10
      • “在农业可持续发展领域，专家通过无人机搭载多光谱相机，利用机器学习算法和优化算法，建立了玉米秸秆覆盖量反演模型，为保护性耕作秸秆还田量检测提供科学参考。”
        ”
        刘媛媛,孙宇,高雪冰,王利斌,王跃勇,刘梦琪,崔舒然
        2024, 32(11): 1773-1787. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1773
        摘要：保护性耕作是农业耕地可持续性发展的重要方法，已被世界多地采用，秸秆覆盖量实现从“有无”到“多少”的进一步判定，是秸秆还田检测的重要指标。通过无人机搭载多光谱相机航拍研究区内春秋两季遥感数据，并同步测定玉米秸秆覆盖量。首先，通过遥感数据提取光谱反射率并构建光谱指数，采用相关系数法筛选出对秸秆覆盖量敏感的波段变量和光谱变量，作为模型输入变量；然后，采用支持向量机（Support Vector Machine，SVM）、随机森林（Random Forest，RF）、BP神经网络（Back Propagation Neural Network，BPNN）和极限学习机（Extreme Learning Machine，ELM）4种机器学习算法，建立玉米秸秆覆盖量的反演模型，比较不同时期和不同研究区域的模型精度；最后，为解决预测性能受其模型参数影响较大问题，引入遗传算法（Genetic Algorithm，GA）和粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO），并提出遗传-粒子群混合算法（Genetic-Particle Swarm Optimization，GA-PSO），利用它们的互补性提高模型的性能，完成区域内秸秆覆盖量的估算。实验结果表明，基于GA-PSO优化的RF算法玉米秸秆覆盖量反演模型取得了最佳的反演效果，其中R2达到了0.74。同时，对比分析不同数据的反演结果，均较为真实地反映了区域内秸秆覆盖量，估测准确率达到91.36%，说明可以通过优化模型实现结果估算。研究为保护性耕作秸秆还田量检测提供科学参考，亦为其他作物秸秆覆盖量估测提供了可靠的模型反演方法。  
        关键词：多光谱图像;机器学习;秸秆覆盖量;无人机;遗传算法;粒子群算法   
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      • “在提高粘连导电粒子检测精度和稳定性领域，研究者基于圆卷积神经网络提出了一种新方法，通过修改采样策略和增加注意力机制，显著提升了检测效果，满足了工业生产需求。”
        ”
        刘子龙,罗晨,周怡君,贾磊
        2024, 32(11): 1788-1800. DOI: 10.37188/OPE.20243211.1788
        摘要：为了提高粘连导电粒子检测的精度和稳定性，提高评价指标的客观性和与实际生产需求的适配度，提出了基于圆卷积神经网络的粘连粒子检测。首先提出了更适合粒子检测的圆卷积，修改可变形卷积的采样策略，限制采样点偏移量x，y坐标的自由度，增加尺寸控制参数作为补偿。然后，基于U-MultiNet网络架构将圆卷积替代原有卷积形式，并增加注意力机制，通过标签图计算自注意力，以此作为权重修改损失函数和标签图。最后，提出可重复性和可再现性指标综合评价算法的精度和稳定性。实验结果表明，本文方法的可重复性和可再现性分别为0.809 2和0.705 1，相比现有主流方法提高了4.52%和1.74%；精确度和召回率分别为0.712 8和0.697 4，准确度为0.834 1，比现有主流方法高1.68%。相比于现有主流方法，该方法对于粘连干扰的粒子检测效果有明显提升，可以满足工业上对粒子检测精度、稳定性和实时性的要求。  
        关键词：机器视觉;深度学习;神经网络;导电粒子检测;圆卷积   
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        发布时间：2024-07-10
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