针对目前人工进行光束精密耦合所存在的装配效率低,质量一致性差的问题,开发出了一套激光陀螺光束精密耦合装配系统。分析了激光陀螺光束精密耦合原理,发现耦合光束的光场强度具有高斯分布特点,提出了光电探测器位姿的调整方法。分析了合光棱镜转动时的光路变化,提出了合光棱镜位姿的调整方法。并制定了光电探测器位置和合光棱镜位姿调整策略。依据上述调整方法和策略,在激光陀螺光束精密耦合系统上进行了光束耦合装配实验,实验结果表明该实验装配平台能够完成光束精密耦合装配任务。

在激光陀螺谐振腔上精确装配微小光学器件合光棱镜和光电管的过程称为合光, 它是激光陀螺制造过程中的关键环节。传统的人工合光装配效率低、质量一致性差, 已不能满足激光陀螺的生产需求。因此, 本文在分析合光原理的基础上, 开发一套由合光机构、信号处理、视觉检测及控制模块等组成的自动合光装配系统。根据合光装配特点, 设计了双臂协同运动的合光机构, 保证操作精准度的同时提高装配效率。激光陀螺合光信号易受干扰, 提出采用Sallen-Key低通滤波器对合光信号进行滤波处理, 有效地滤除了残杂噪声。控制模块通过机器视觉辅助完成合光棱镜的粗调, 采用层次分析法综合多个评价参数确定光学器件的最佳位姿, 实现合光装配自动化。试验结果表明, 开发的激光陀螺合光装配系统能够成功地完成光学器件的精确装配。

惯性约束聚变试验中,对大批量的聚变靶球的表面质量进行检测和分类是一项重要的工作。传统的人工检测分类方法效率低,精度差,难以满足实际需要。提出了一种基于计算机视觉的缺陷检测及分类方法。该方法在获取待测微球的显微图像之后,通过设置兴趣区域提取圆内部的像素点,并以此绘制灰度直方图。然后计算其累积分布函数,经归一化处理之后对分布函数进行分段线性拟合。最终根据拟合后的分布函数,提出均匀性和透光性两个参数用于定量表示微球的表面质量,很好地实现了光滑、粗糙和畸形三种类型的微球的分类。实验结果表明,该检测分类方法的准确率均在90%以上,处理1280×960分辨率的包含20个微球的图像平均只需300 ms,准确高效,可扩展性强。

针对微型器件封装对非接触式微胶量的需求, 研制了压电驱动微点胶器, 利用压电陶瓷管挤压毛细管产生的瞬时变形实现了微胶滴的分配。分析了毛细管内的流体行为及液滴形成条件; 基于多物理场耦合的方法, 建立了压电微喷的三设备(压电陶瓷、毛细管、胶体)耦合模型。然后, 讨论了驱动电压、喷嘴直径、胶体黏度对控制胶滴形成的影响。在构建的实验平台上, 开展了控制胶滴形成的实验研究。分析了多控制参数(喷嘴直径、胶体黏度、电压幅值、脉冲宽度)的复合作用, 通过匹配相应的参数实现了pL级微胶滴的非接触式分配。实验结果显示: 使用黏度为30 mPa·s胶体, 直径为10 μm的喷嘴, 在驱动电压幅值为50 V, 脉冲宽度为37 μs等参数配置下, 可获得最小胶滴的体积为8.31 pL。实验结果验证了所提出方法和研制工具的有效性。

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取, 锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型, 主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动, 研究了影响操作液滴的关键参数, 分析表明: 过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析, 并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台, 实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明: 在空气冷凝模式下, 操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成, 液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴, 且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。

空心微球具有广泛的应用, 耐压性能是其重要特性之一。但人工测量劳动强度大且精度较差。提出一种基于图像检测的自动测量方法, 可检测微球加压过程中的破损情况并记录压力值。首先, 利用梯度霍夫变换定位微球, 再通过Canny边缘检测提取微球轮廓信息, 并减少环境因素对检测的影响。最后Hu不变矩被用来将加压中的微球图像与加压前图像进行匹配, 当微球破损后, 匹配结果超过阈值, 判定微球失效。为证明方法的准确性和稳定性, 搭建了实验平台, 对不同直径的玻璃和塑料微球进行了加压实验。实验结果表明, 微球破损的成功识别率几乎为100%, 同时微球破损时的压力值也被准确地记录。

加热温度是光纤熔融拉锥制造中的关键因素，直接影响器件的性能。为了提高加热区域温度的稳定性和可控性，设计了高压电弧加热装置，并对电弧加热、弧区温度和光纤预热进行了分析。设计了高频高压电源和电极。电源的电流和频率独立可调，采用电压闭环和电流控制确保引弧成功和提高电弧放电电流的稳定性，并分析了其放电过程。建立了弧区温度测量实验平台，采用红外热像仪测量加热中陶瓷棒的温度，得到了弧区温度。通过实验确定了频率、电弧控制电压以及加热距离与弧区温度的关系。通过电弧控制电压和通过加热距离控制电弧加热区的温度。通过计算得到电弧弧区的中心温度可达到1635 ℃，实验测得稳定性为2.37 ℃。建立了细径光纤(直径80 μm)的加热模型，通过有限元的瞬态分析确定了预热时间，经过25 s，光纤加热区达到稳定。

由于保偏光纤对轴时须保证旋转的光纤始终在显微镜的焦平面内，故本文设计了保偏光纤同轴度调节系统用于调节光纤相对电动旋转平台旋转中心的位置。采用显微视觉和电动位移平台运动检测出光纤的中心轴与电动旋转平台旋转中心的距离，基于图像信息对二维手动平台实施调节，计算出调节后理论上的同轴度误差。结合显微视觉建立了实验系统。以电动平台旋转轴中心为原点建立直角坐标系，通过图像处理采用最小二乘法得到光纤中心线的直线方程，确定光纤中心与电动平台旋转中心的距离。将基于图像阈值的灰度差分函数作为清晰度函数，用实验方法确定其阈值，从而有效降低白噪声的影响。实验结果显示，经过调节的光纤和电动旋转平台的同轴度误差为3 μm，能够应用在保偏光纤偏振轴的检测中。

为了改善细径保偏光纤耦合器的性能，需要提高保偏光纤偏振轴的检测精度。建立直径为80 μm的细径熊猫保偏光纤折射率的数学模型，对侧面成像方法进行了仿真。结果表明，平行光透过光纤在侧面聚焦，光纤图像最大光强的变化与旋转角度以及观测距离有关。当观测距离不变时，最大光强随光纤旋转角度呈周期性变化。当观测面在透射光线焦距附近时,根据光纤图像最大光强变化，能够检测光纤慢轴的位置，进而提出基于最大光强变化作为特征量的检测方法。结合显微视觉技术建立了实验系统，该系统采用基于阈值的图像清晰度函数确定检测位置，将采集的数据进行傅里叶滤波和三次样条拟合，可确定保偏光纤偏振轴的位置。实验结果表明，重复检测误差为0.61°，可以满足细径保偏光纤耦合器制造要求。