血管介入手术训练系统是利用虚拟现实技术帮助医生学员快速、高效、低成本地掌握血管介入手术技能的训练系统。由于国外商业产品存在较高技术壁垒且我国对本课题的研究起步较晚, 导致系统存在血管形变仿真缺失、力反馈计算方法简单等诸多不足。针对这些问题研发了一套血管介入手术虚拟训练系统, 实现了系统的血管与导丝柔性形变、血管碰撞检测、力反馈计算与导丝运动控制等功能。分别基于张量有限元和杆单元有限元构建了血管和导丝的物理模拟模型; 研究了血管与导丝模型的碰撞检测方法; 通过导丝前端碰撞模型与血管壁碰撞模型间的接触面积构造非线性力学方程, 提出了非线性力反馈计算方法。实验结果表明, 系统中血管张量有限元物理模型具有良好的柔性形变效果, 为系统提供了较好的视觉反馈信息; 非线性力反馈计算方法更好的模拟了导丝与血管间作用力的特性; 系统实现了手术训练功能, 并具有良好的实时性。

为了实现对细胞工厂中细胞的实时监测, 设计一款高分辨率、长工作距离的视频显微镜。采用卡塞格林式物镜与折射式显微系统相结合的设计方法, 在反射式系统中加入厚弯月形透镜补偿系统产生的像差, 缩短光学系统的横向尺寸, 校正像差。针对被观察细胞的具体特征, 设计了一种工作距离100mm、分辨率1.2μm、线视场2mm的视频显微镜, 达到高清水平, 系统很好地校正色差、球差、场曲和畸变, 达到了平场消色差显微镜的要求。实现对细胞状态的高清实时监测。

针对旋转抛物面反射器头灯近距离存在中心暗斑的现象, 提出平面大角度光源、平面大尺寸光源以及立体光源三种基于LED光源封装方式的解决方案, 并对其分别进行建模仿真。仿真结果显示, 立体光源对头灯近距离中心暗斑现象有明显改善作用。研究立体光源不同的凸起中心高度对头灯近距离光强分布的影响, 并制作出4种不同凸起中心高度的立体光源实物。结果表明, 凸起中心高度为0.9mm的立体光源安装在旋转抛物面反射器头灯内时, 其在25cm目标面上的照度均匀度由之前的9.6%提高至93.2%, 改善效果显著。

为提升多光源太阳模拟器复合光斑的对焦精度, 以构建的多光源太阳模拟器为实验研究对象, 采用机器视觉的方法提取聚焦光斑中心世界坐标, 将太阳模拟器简化为关节机器人, 利用D-H法得到灯单元反向运动学参数, 进而完成光斑自动对焦系统设计, 对光斑自动对焦系统进行了简单实验。结果表明: 多光源太阳模拟器聚焦光斑中心对焦精度误差在1mm 以内, 可以满足预期的太阳模拟器实验需求。

设计了一种扫描激光器型光纤光栅波长解调仪, 采用滑动平均滤波方法拟合光纤布拉格光栅反射谱, 基于扫描激光器输出的同步触发信号与波长对应性, 计算得到光纤布拉格光栅反射谱的中心波长, 简化了解调过程。相比传统的宽带光源解调方法, 降低了解调的复杂度和不稳定性, 实现对布拉格波长的高精度、快速解调。实验结果表明, 解调仪对光纤布拉格光栅波长的解调稳定性可达±2pm, 温度与波长变化的线性度达到0.9984, 温度测量误差小于0.5℃,能够满足实际应用的需要。

为测量透明容器内液体的折射率, 建立了基于容器内表面反射率测量的低相干技术实验系统。系统采用宽带低相干半导体激光光源和改进的迈克尔逊干涉仪, 将装有待测液体的容器放入测量臂光路中, 调节参考臂的光程, 使由容器前壁内表面反射光的光程与来自参考臂反射光的光程相等, 出现干涉现象。捕捉并记录下此干涉信号, 并从中求出容器前壁内表面反射光的强度, 再结合菲涅尔公式及反射率的定义, 即可求出待测液体的折射率, 其测量精度与阿贝折射仪相当。方法能够方便、快捷、准确地测出容器内液体的折射率, 可用于食品、生物医学检验等领域内液体浓度或折射率的实时非接触监测。

二维钙钛矿材料由于其具有特殊和更稳定的光电性能逐渐成为材料领域的一个研究热点。为了研究二维杂化钙钛矿的稳定性, 用旋涂法制备了二维杂化钙钛矿代表性材料(C6H5C2H4NH3)2(CH3NH3)2Pb3I10的薄膜样品, 在薄膜上旋涂一层PMMA进行对比, 测量两种薄膜随激光照射时间变化的光致发光光谱变化。结果表明, 二维杂化钙钛矿在空气中仍然存在光稳定性较差的问题, 其结构在连续激光的作用下被破坏、造成不可逆转的分解; 而PMMA薄膜的覆盖能对二维杂化钙钛矿起到很好的保护作用。

非球面光学元件在光学系统中的应用日益广泛。非球面点云数据调平坐标变换是非球面检测系统误差分析的一个重要环节。提出了一种基于Zernike多项式拟合的非球面点云数据自动调平方法, 通过计算Zernike多项式X和Y倾斜项系数确定调平旋转矩阵, 通过迭代使其最小化, 最终将点云数据回转轴调整至与坐标Z轴平行, 使得非球面三维点云测量结果可以进行后续三维比对和截面误差分析。通过理论仿真和实验数据测试验证了方法的有效性, 能够将非球面数据倾斜降低到可忽略的程度; 方法计算过程简单, 对于各类非球面和曲面点云数据的调平变换都具有较好的参考意义。

石蜡材料在造型及涂敷过程中, 长时间处于熔融状态, 与空气接触易氧化变质。为了准确研究石蜡内部结构, 利用光纤光栅传感器体积小、外形可变且易于埋入结构内部等特点, 设计了基于光纤光栅的石蜡熔-固态温度/应变无损监测系统。实验结果表明, 石蜡内部温度从90℃下降至40℃左右时, 应变仅改变170με; 从40℃下降至25℃时, 100min内应变改变750με, 并且温度和应变呈线性关系。

光束法平差是一种高精度的摄影测量优化方法, 在大尺寸三维测量中起不可替代的重要作用。但光束法平差优化参数初始值的误差会影响最终结果的优化精度、优化发散以及局部收敛等现象发生。以高精度的区域网光束法平差为研究对象, 系统性的对包括重建三维点坐标、图像坐标、外参数旋转角和平移向量四种初值参数对测量精度的影响进行深入分析。模拟研究表明, 光束法平差优化将毫米级的重建三维点初值误差降低10倍以上; 随着图像坐标定位误差的增加优化精度下降很快, 但光束法平差优化精度仍能提高一个数量级; 相机外参数旋转角和平移向量初值误差都对光束法平差优化精度影响较大。模拟结论对实际测量实验具有重要的指导意义。

基于自混合散斑干涉的转速测量,提出一种新型的转速测量方法。激光自混合散斑系统作为测量和参考光, 利用自混合散斑信号的频谱来提取物体运动时自混合散斑信号发生的频移, 实现转速的测量。利用F-P腔及快速傅里叶变换对理论进行分析及实验验证, 实验结果表明方法可以精确的实现测量转速, 误差在2%以内。

针对马赫泽德干涉系统振动事件定位性能有待改进的问题, 构建了双路马赫泽德振动检测系统, 分析了时延估计振动定位原理, 提出了用于双路探测信号时延估计的广义互相关算法, 增加了信号频域分析的灵活性和可行性, 通过数字滤波减小了系统的定位误差。实验结果表明, 系统可以准确检测与定位施加在传感光纤上的方波信号、冲击信号及敲击信号, 并在传感距离为940m长的光纤上实现了小于20m的定位误差和可重复的稳定检测。从而为光纤振动传感技术在矿业与工业等领域的推广应用提供了一种新的解决思路。

针对压缩感知光谱测量中随机矩阵作为测量矩阵无法获得高质量重建精度问题,提出了一种测量矩阵构造的新方法。介绍了局部哈达玛矩阵的构造方法, 以随机测量矩阵为比较对象, 通过仿真实验对局部哈达玛矩阵在压缩感知光谱测量中的性能进行分析。实验结果表明, 相对于随机矩阵, 新型局部哈达玛矩阵下的重建光谱与原始光谱重合度大大提高, 在100%采样率时, 定量指标MSE为3.2, 实现了光谱的精确重建, 25%采样率的MSE指标水平已经与随机矩阵100%采样率时相当, 局部哈达玛矩阵可以有效的改善光谱重建的精度; 光谱重建时间大约缩短到1/3, 系统具有更好的信噪比特性。

为了抑制因LED的非线性特性所导致的可见光通信系统中正交频分复用信号(OFDM)的峰均功率比出现上升的问题, 提出了一个频率调制恒定包络的OFDM技术。对来自源的串行输入比特序列进行并行转换, 将其映射到正交调幅星座点; 为了在电-光转换之前对OFDM信号进行频率调制, 将OFDM信号中的突变幅度应用到LED以产生恒定包络信号; 为保持LED处于其线性工作区域中, 通过逐步增加功率回退的方式选择最佳偏置点, 使LED进入非饱和状态。仿真结果表明, 方法的系统总衰减明显降低, 与其他类似方法相比, 其功率回退系统的误差向量幅度和比特误码率表现更佳, 系统整体性能改善明显。

太赫兹片上系统是将太赫兹的产生、传输和探测都集中在一个几平方厘米的基片上,线宽及间距达到微米量级, 具有集成化程度高、系统尺寸小、稳定性好以及操作简便的特点, 有利于与微量样品检测技术相互结合。研究采用HFSS软件对共面波导和共面带状线两种太赫兹共面传输线进行了仿真计算, 通过优化传输线的宽度、长度、基底的厚度等关键几何参数确定出最佳的传输线结构;研究工作重点对太赫兹波段的共面带状线结构进行了设计和优化, 实现了在介电常数很小的BCB基底上的低损耗传输。所得到的最佳结构参数为线宽及间距均为20μm, 此结构为后续片上系统实物芯片的制作提供了参数依据。

基于传统纵向蝴蝶结混合表面等离子体波导(BTHPW), 提出一种共水平面BTHPW集成光波导结构, 是由半导体硅肋和金属Ag肋两种波导对放在一个SiO2基底面上构成, 采用有限元法对其混合模式特征进行数值模拟, 分析该波导传播长度、归一化有效模场面积和品质因子等特性随波导几何尺寸的变化规律。结果表明, 该波导模式具有传播损耗较小同时又较强光限制能力的特点, 最长传播距离可达108μm, 最小有效模面积可达λ2/3000左右。该波导结构制作工艺简单, 并可应用于高灵敏度折射率传感器和微纳米光子集成器件等领域。

角膜曲率测量一般是采用视标成像的方法得到角膜的反射像后, 通过对反射像的再成像间接得到角膜的曲率半径。为了实现对角膜曲率测量图像的对焦判断, 在简化角膜曲率测量系统的基础上, 对获取的图像对焦算法进行研究。对角膜曲率测量图像的六个测试光标分别进行像素统计, 初步判别过度离焦的状态。对角膜曲率测量图像进行四方向Sobel算子的卷积运算, 对得到的边缘增强图像进行对数灰度级像素统计, 得到对焦评价值。将该算法与Tenengrad函数、方差函数和单一对数灰度级像素统计评价函数算法做对比实验, 评价该算法的可行性。实验结果表明, 该对焦评价函数具有良好的精确度、单峰性、灵敏度和无偏性, 对细节信息较少、结构简单的图像的对焦评价方面有应用前景。

为了实现对危化品仓储堆垛安全距离的实时监测和预警, 采用由激光测距、旋转云台、编码器等组成的激光扫描监控阵列对垛距进行安全监测。针对激光测距扫描点云数据中异常噪声的问题, 采用差值去噪算法。该算法是将扫描得到的激光测距数据点按角度值进行从小到大排序后, 相邻两点的距离值依次取差值, 然后对距离差值与预设阈值进行比较, 滤掉噪点数据。针对几种不同尺寸和形状的障碍物进行了实验研究, 结果表明差值去噪方差值明显小于加权二乘、Savitzky-Golay等拟合算法, 该算法不仅能有效去除扫描点云数据中的异常噪声, 同时较另外两个算法, 数据完整性和可靠性更高。

提出了基于单位扇环灰度的虹膜定位算法。利用投影法分割出一个包含瞳孔的矩形区域, 通过最大类间方差法确定该矩形区域的阈值, 完成瞳孔的分割。对于虹膜外边界的定位, 需要基于瞳孔中心分割出某一方向上的扇形区域, 以5个像素作为扇形区域的步长, 计算每个扇环的平均灰度值, 根据灰度变化情况就可以确定该方向上的虹膜外边界点。其他方向上的边界点也通过此方法确定。对这些边界点进行筛选并进行圆的拟合, 最终实现虹膜的定位。实验结果表明, 采用该方法所分割的虹膜图像可以获得良好的效果, 具有良好的应用和参考价值。

高功率平顶光束在激光加工领域具有广泛的应用。针对光束平顶化的问题, 提出利用大芯径多模光纤对高斯光束整形的方法。采用RP Fiber Power建立高斯光束传输模型, 仿真分析光纤内光束的传输及强度分布特性。研究结果表明, 多模光纤对高斯光束具有整形作用。高斯光束经多模光纤传输后, 传导模数量增加, 能量由中心向径向移动, 光束质量下降, 能量分布趋于均匀化。光纤的芯径越大, 传输长度越长, 匀化效果越明显。采用D型纤芯结构, 或凹面折射率分布光纤, 均可快速匀化光束。

设计了一款便携式39°视场免散瞳眼底相机光学系统, 可以对-10~+15m-1屈光度变化范围内的人眼视网膜清晰成像。采用环形光源照明, 使眼底视网膜照明均匀度达到95%, 也很好地消除了角膜反射。加入的信标系统使得便携式眼底相机光学系统在拍摄时有助于保持人眼与成像系统的同轴度, 进一步提高拍摄视网膜图像的清晰度。通过对成像系统的优化设计及仿真分析, 得到均方根直径小于6.4μm、场曲小于60μm、像散小于50μm、畸变小于3.6%, 在67lp/mm处各视场传递函数值大于0.5和成像系统加工良率高的眼底相机光学系统方案。方案可以应用于眼科检查, 改善全国偏远地区眼科医疗器械缺少的情况。

对钛合金进行抛光可以优化表面质量、提高耐磨损性能和使用寿命。运用纳秒脉冲光纤激光器进行钛合金Ti6Al4V抛光实验, 通过光学轮廓仪测量不同激光光束形状、脉冲能量密度、光斑重叠率、脉冲宽度下的钛合金Ti6Al4V工件表面粗糙度变化规律。结果表明:平顶光束能够达到的粗糙度更小, 激光脉冲能量密度增大, 凸起消融越多, 工件表面粗糙度减小; 光斑重叠率增大, 粗糙度减小, 重叠率过大, 受热应力的影响, 凝固后的表面变得不平滑, 粗糙度增大; 一定范围内的脉冲宽度的增加, 凸起消融越多, 粗糙度减小。研究结果对提高钛合金抛光效率, 优化钛合金性能有促进作用。

一种新的光学元件表面抛光工艺-液浮抛光技术, 采用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为抛光液, 流体在抛光区域形成液膜, 实现对工件表面高效、低损伤的加工。以材料去除量以及工件表面粗糙度作为评价指标, 利用正交实验法对K9玻璃抛光过程中的四个关键影响因素: 磨粒质量分数、磨头入口压强、磨头重力、剪切增稠相中分散相的质量分数进行实验分析, 得到一组最优参数组合以及各主要影响因素对抛光效果的影响程度。对于工件表面粗糙度, 采用极差法得出各因素对整个工件的影响程度的主次顺序为(主→次): 二氧化硅质量分数、磨头重力、入口压强、磨粒质量分数, 最佳参数组合为: 磨粒氧化铈质量分数为14%, 入口压强为0.3MPa, 剪切增稠相中分散相二氧化硅质量分数为9%, 磨头重力为34.3kg; 对于材料去除量分布, 经过90min的抛光, 其平均去除量为0.2μm。