小视场长焦距镜头畸变高精度测量研究

利用由精密测角仪、显微摄像测量系统、微型双光栅平面干涉仪、平行光管以及星点组成畸变测量系统,对小视场长焦距的镜头进行畸变测量。在计算镜头畸变中,利用中心视场区域内畸变设计无穷小,采用三次多项式拟和的方法,计算镜头理论焦距;在边视场采用像高高次方和视场角正弦高次方加权平均的方法对测量偏差角进行修正,得到各视场的相对和绝对畸变。通过实际测量和计算验证,镜头全视场畸变测量精度可达到0.02%。     

借助标志点的深度数据全局匹配方法

深度数据匹配是三维光学测量系统的关键问题,借助标志点匹配方法具有廉价、方便、快速等优点,但当前该方法对多视场数据匹配的误差积累问题没有解决.阐述一种借助非编码标志点进行深度数据匹配的方法,利用图像处理及模式识别技术提取标志点,并由光学测量系统标定信息获得标志点三维局部坐标,利用欧式空间距离的刚体不变性,完成两个视场深度数据的精确匹配.并提出一种全局迭代优化算法完成对多个视场深度数据的全局精确匹配,避免了误差积累,最大匹配误差从0.123 mm降到0.076 mm.实验证实了方法的有效性,不仅可以自动、快速完成两个视场深度数据的精确匹配,而且解决了对多个视场深度数据匹配的误差积累问题.     

一种基于结构光条纹投影的微小物体测量系统

为了通过结构光投影的方法测量微小物体,构建了一套微小物体三维形貌测量系统,视场范围可达1.8 cm×1.6 cm。这套测量系统利用了Light Crafter 4500数字投影组件的高速投影、立体显微镜的低畸变缩放、远心镜头的大景深与低畸变成像的特性。先利用立体显微镜对Light Crafter 4500投影的相移条纹图进行低畸变缩小,再投影到待测物体表面,采用配有远心镜头的相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹,利用三步相移法计算出条纹对应的截断相位图,再根据可靠路径跟踪相位展开算法求取连续的相位分布,重建被测物体的三维表面形貌。实验成功重建了以BGA芯片为代表的微小物体表面三维形貌。实验结果表明,系统测量精度达到11 μm,系统的有效深度测量范围为700 μm。     

预成像数字全息测量大物体三维形貌

为了扩大数字全息三维形貌测量的视场,提出了一种预成像的方法.物体先被成像镜头成一缩小的实像,再使用离轴菲涅耳数字全息对此实像进行全息记录.采用倾斜照明光的方法使两次数字全息的再现像之间产生相位差,通过相位去噪和去包裹处理从相位差中提取物体的三维形貌数据.实验证明,预成像方法使测量视场的大小得到了至少一个数量级的提高,采用离轴菲涅耳数字全息降低了测量系统对环境稳定性的要求.     

基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

针对大视场投影镜头的设计问题,利用ZEMAX光学设计软件,通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为:焦距为13.6 mm,全视场角为60°,相对孔径为1/1.6。设计结果表明:镜头的最大畸变量绝对值小于3% ,最大场曲小于0.06 mm,全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.6,基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成,光学系统结构紧凑、易加工。     

Φ1.3m望远镜的装调

针对Ф1.3m口径同轴四反望远镜镜头,提出了一种有效的装调方法。主镜口径为1.3m,采用背部双脚架(bipod)支撑形式。使用激光跟踪仪多边测量法对支撑结构精密定位,利用Stewart机构位置反解方法进行主镜位姿的调整;通过变换反射镜组件方位进行面形测量,提取重力作用造成的反射镜面形误差;利用Offner零位补偿检测光路进行基于干涉测量的反射镜定心,实现反射镜光学基准与镜头基准的传递;进行镜头的光轴竖直装调,采用测试镜头像高和在线标定标准镜面形的技术手段来提高装调精度与收敛速度。镜头的中心视场波前和边缘视场波前rms分别为0.053λ(λ=0.6328μm)和0.077λ。     

基于一般成像模型的微小物体测量系统标定方法

通过利用光栅投影三维测量技术进行微小物体的三维重构,提出了基于一般成像模型的标定方法,利用标定板围绕固定轴转动的不同姿态进行标定并进行优化。所提出的标定算法既解决了一般成像模型变量多的问题,又不需要借助精密位移装置,简化了整个标定过程。与此同时,利用自卷积盲去模糊的方法解决远心镜头景深小带来的离焦,提高了摄像机的标定精度。标定和三维重构实验验证了该方法的可行性和准确性。在23.7 mm×17.78mm相机视场范围下系统测量精度达到了6μm。     

基于近红外远心镜头的双目瞳孔检测仪光学系统设计

为了降低双目瞳孔检测系统放大率对瞳孔位置的敏感性,设计了一款基于近红外远心镜头的双目瞳孔检测仪。阐述了系统中的核心部件——近红外远心镜头光学参数的计算过程,分前后组进行设计,并运用Zemax完成光学系统优化,以全视场MTF、全视场最大畸变和物方远心度为指标对系统进行公差分析,利用标准圆对仪器进行标定,拟合出像素数和瞳孔大小的对应关系。结果表明,对于55 mm~75 mm的瞳距,瞳孔的直径测量精度可达0.05 mm,满足使用要求。     

基于相机阵列的新型牙科三维扫描仪

为解决传统牙科三维扫描仪扫描中的抖动问题,提出了一种基于相机阵列的新型牙科三维扫描仪。利用多个不同视场的相机可以直接单次照相获取目标的三维信息,避免了扫描过程中抖动带来的影响,提高系统实时性。由于牙齿尺寸较小,所以选择微透镜阵列代替大型相机阵列,在减小系统体积的同时可以更好地保证相机间光轴的平行度。实验结果显示,系统最终实现了单颗牙齿的视差和深度计算。系统结构简单,便于小型化和低成本口内牙齿三维测量设备的研制,进一步推进医学数据的数字化进程。     

基于四象限探测器的激光导引镜头的研制

为了满足激光制导对大视场、高线性度探测的性能要求,基于激光制导炸弹的应用需求,介绍了四象限探测器的工作原理和特点,分析了光斑大小、能量均匀性、线性度、探测距离等参数对探测精度的影响;结合系统性能指标,选择了合理的光学系统结构类型,完成了光学系统设计和光机结构设计;利用畸变、点列图、足迹图、能量集中度等指标对系统性能进行了评价,并分析了目标大小和探测距离对光斑大小的影响。测试结果表明,激光导引镜头总视场为±20°、线性视场为±10°、目标大小为1.5~2.4 m、探测距离为50 m~4 km、测角精度优于0.2°,能够满足激光导引的需求。     

SXRF分析恐龙脊椎头化石微量元素

利用同步辐射X射线荧光成像方法(SXRF)检测了二件不同地区的脊椎头恐龙化石,在每件化石截面上的二个不同区域分别获取了8种元素的分布图及其荧光光谱。在两件样品靠外层的骨密质部位,发现有较密集的稀土元素Y(钇)。在姜驿恐龙化石中Y的富集,来自于化石的成岩过程,在元素分布图中与稀土元素Y共生的含Ca化合物是氟磷酸钙。武定田心恐龙脊椎头化石中,在稀土元素钇的富集的区域,其它元素包括Ca的含量均特别少。此种稀土元素的富集可能是由于化石中含有分解不完全的有机物的吸附所致。在姜驿恐龙脊椎头化石中,微量元素Mn、Fe和Al属于共生矿物;As、Sr、Y元素集中分布在化石的外边缘处,也是三者共生。在田心恐龙脊椎头化石中,微量元素Mn、Fe和Al属于共生矿物,Sr、Y元素共生,Cu元素的分布相对集中。研究表明,恐龙化石中矿物的元素含量及其分布与骨骼所属的部位无关,只与源地有关。恐龙化石中稀土钇富集的地方,呈现白色。同步辐射X射线荧光探测法,能原位、快速、无损地检测出化石样品各种元素的荧光光谱,给出恐龙化石元素分布的二维信息,对于分析恐龙化石所蕴含的侏罗纪时期的古地质特征和古生物信息,给出了重要的依据。     

原子光谱和X射线衍射研究禄丰恐龙化石与围岩特征

迄今为止,禄丰老长箐是世界挖掘恐龙化石较多、涵盖时间最长(含有早、中两个侏罗纪的化石)的地区。老长箐恐龙化石的发掘,为古生物研究提供了得天独厚的实验基地。文章首次对该地区3个不同层位的恐龙化石及其围岩的成分和结构做了初步分析。首先采用原子发射光谱分析,发现化石及土样中的含钙量均较高(＞5%);但硅元素的含量则差别较大,在化石中的含硅量较低(3%～8%),围岩中的含硅量较高(＞10%);化石中的含磷量也较高。X射线能谱的进一步分析发现,化石中的主要化学成分是CaCO₃(66%), 其次是SiO₂(17%);围岩中的主要成分是SiO₂(＞80%),其次是CaCO₃(12%)。此外还发现,化石和围岩的最大区别是,化石中含有氟磷酸钙,而围岩中没有该成分。这一点可以作为鉴别伪化石的一个重要特征。文章为化石的鉴别、为人类研究禄丰老长箐恐龙的生态和演化提供了一定的实验依据。     

Multi-projector-type immersive light field display

A light field three-dimensional （3D） display with multi-projectors and a concave screen is proposed. The system sets the viewing area at the center of the concave screen, making viewers enter the center of the system to watch 3D scene around them. The surrounded 3D scene provides viewers a feast of enhanced immersive experience. The light field principle, rendering algorithm, selection of viewing area and experi- mental results are discussed in the letter, showing the potential of being an all-around-type immersive 3D display by employing more projectors.     

高性能三维纳米结构SERS芯片设计、批量制备与痕量汞离子检测

表面增强拉曼散射（SERS）是一种无损、高灵敏、快速检测痕量重金属离子的光谱技术。通过调控和优化纳米结构图案和尺寸可显著增强局域表面等离子体共振（LSPR）与表面等离子体激元（SPP）的耦合以提升电磁场强度,是获得高性能SERS芯片的重要新途径。提出一种用于检测痕量汞离子的新型金属/介质三维周期纳米结构高性能SERS芯片。利用新型应力分化式双层模板纳米压印方法实现了大面积高均一纳米结构SERS芯片的低成本、批量制备。该芯片成功用于痕量汞离子的高灵敏快速检测。采用有限元方法对压印过程界面微区应力进行模拟,通过调控压印模板纵向结构和横向尺寸对模板进行设计。模拟结果表明,纵向有台阶结构的双层模板图案区域呈现高、低两个应力分区,其中,高应力区占图案~72%的面积,其应力均匀性比单层模板提升17%;低应力区分布在图案边缘~28%的区域,可有效减小脱模切应力。当模板横向尺寸从15 mm缩减至7 mm,界面应力整体提升1～2个数量级,将显著提高压印成功率。使用不同横向尺寸的单、双层模板进行压印实验结果表明,尺寸为7 mm的压力分化式双层模板实现了大面积高均一纳米结构的高质量制备,这与模拟结果高度一致。在压印胶纳米结构上构筑金纳米颗粒得到金属/介质三维周期纳米结构SERS芯片。此芯片对罗丹明6G分子的检测极限为2.08×10-12 mol·L-1,增强因子达3×108,检测均一性RSD为8.07%。该芯片对汞离子的探测限浓度仅为10 ppt(5.0×10-11 mol·L-1),浓度线性工作范围为5.0×10-11～5.0×10-5 mol·L-1,跨度达6个数量级,呈现良好的线性关系(R2=0.966),在目前汞离子检测技术中具有显著优势。提出一种通用的高灵敏快速检测痕量物质的SERS芯片设计和制备方法。这种基于光学原理芯片“结构设计-批量制备-实际应用”的研究范式将连接芯片设计和批量制备两个关键点,推动其实际应用。     

Mapping prehistoric ghosts in the synchrotron

The detailed chemical analysis of fossils has the potential to reveal great insight to the composition, preservation and biochemistry of ancient life. Such analyses would ideally identify, quantify, and spatially resolve the chemical composition of preserved bone and soft tissue structures, but also the embedding matrix. Mapping the chemistry of a fossil in situ can place constraints on mass transfer between the enclosing matrix and the preserved organism(s), and therefore aid in distinguishing taphonomic processes from original chemical zonation remnant within the fossils themselves. Conventional analytical methods, such as scanning electron microscopy (SEM) and pyrolysis–gas chromatography/mass spectrometry (Py-GC/MS) have serious limitations in this case, primarily, an inability to provide large (i.e., decimeter) scale chemical maps. Additionally, vacuum chamber size and the need for destructive sampling preclude analysis of large and precious fossil specimens. However, the recent development of Synchrotron Rapid Scanning X-ray Fluorescence (SRS-XRF) at the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) allows the non-destructive chemical analysis and imaging of major, minor, and trace element concentrations of large paleontological and archeological specimens in rapid scanning times. Here we present elemental maps of a fossil reptile produced using the new SRS-XRF method. Our results unequivocally show that preserved biological structures are not simply impressions or carbonized remains, but possess a remnant of the original organismal biochemistry. We show that SRS-XRF is a powerful new tool for the study of paleontological and archaeological samples.     

安徽枞阳出土西周至战国时期青铜器的矿料来源研究

采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS),对枞阳境内出土西周至战国时期青铜器和汤家墩遗址出土炼渣中的铜颗粒进行微量元素原位无损分析,以探讨枞阳县境内出土青铜器的铜矿来源。结果表明,枞阳汤家墩遗址冶炼铜金属颗粒中的Co,As,Sb,Ag和Bi等元素含量较高,其微量元素特征不同于铜陵和铜绿山的冶炼金属铜;从西周至战国时期,枞阳青铜器所用铜矿来源比较稳定,主要来自汤家墩遗址周边的枞阳县境内,有少量器物的铜矿可能来自长江以南的铜陵地区;LA-ICP-MS可用于青铜器和古铜矿冶遗址炼渣中所夹杂铜颗粒的微量元素原位无损分析,从而为利用炼渣探讨古矿冶遗址冶炼金属产品的微量元素特征奠定了基础,对探讨三代青铜器的矿料来源研究具有重要的应用价值。     

ICP-AES法测定古代车师人肋骨中的痕量元素

近几十年来 ,古代人群的食谱研究已经成为现代科技考古学的一个重要组成部分 ,也是当前国际科技考古学研究领域的一项前沿性课题。人类骨骼的微量元素分析为重建古代居民的食谱提供了大量信息。本文用硝酸 盐酸消解样品 ,采用电感耦合等离子发射光谱仪 (ICP AES) ,在选定的最佳条件下 ,对新疆地区古代车师人肋骨中的Sr,Zn ,Ca ,Cu ,Mg,Fe ,Ba ,Mn等 8种痕量元素进行了测定 ,该方法采用一次溶样 ,多元素同时测定 ,回收率为 87 4 %～ 1 0 6 6 %之间。相对标准偏差为 0 5 %～ 3 3%。该方法简单 ,快捷可靠 ,适用于古代骨样品的测定 ,结果令人满意。其结果为考古学和人类学的研究提供了科学的依据。同时考察了不同酸度对分析结果的影响和共存元素间的相互干扰 ,此外还进行了精密度实验。     

超宽视场离轴光学系统畸变一致性校正技术

为满足海岸带超宽视场和高分辨率的动态监测需求,高分辨率宽覆盖已成为空间光学遥感器的重要发展趋势。HY-1C/D卫星海岸带成像仪采用两台相机组合的方式实现大幅宽,单台相机是32°超宽视场离轴光学系统,相机存在弧形畸变且畸变较大。研究了超大视场离轴光学系统畸变一致性校正技术,提出“多变量仿真-高精密测量-交互迭代”的装调方法,开展了兼顾像质、视轴、畸变的多变量全链路仿真计算,通过高精度畸变测量系统实现了畸变补偿的交互迭代调整,解决了镜头装调阶段畸变不可控的难题,实现双台相机畸变一致性控制精度优于0.1%,完全满足测试技术要求,结果表明方法合理可行。     

武定恐龙化石的显微拉曼光谱研究

本文首次利用激光显微拉曼光谱、原子光谱和偏光显微镜等方法 ,对云南武定的恐龙化石进行了分析研究。实验发现 ,恐龙化石表面和截面的拉曼光谱 ,均为典型的方解石 (CaCO3 )晶体的拉曼谱 ,并未发现有其他成分的拉曼谱。原子发射光谱的分析结果表明 ,恐龙化石中的主要元素有Ca(>10 % ) ,其次是Si(5 0 % )和P(4 0 % ) ,还有Fe(1 0 % )等 ,但未发现铱、钍等稀有元素。由恐龙化石截面在偏光显微镜下的图像可以知道 ,恐龙化石表面层的成分主要是方解石晶体 ;内部的主要成分为方解石 (CaCO3 )晶体 ,此外还有纤维状一水二氧化硅 (分子式SiO2 ·nH2 O ,属非晶态 )等成分。激光拉曼光谱能快速无损地准确检测出恐龙化石的主要成分是方解石 (CaCO3 ) ,拉曼光谱对恐龙化石的分析结果与原子光谱、偏光显微镜的分析结果是一致的     

Reflectance transformation imaging of 3D detection for subtle traces

This paper reports a detection method of two-dimensional(2 D) enhancement and three-dimensional(3 D) reconstruction for subtle traces with reflectance transformation imaging, which can effectively locate the trace area of interest and extract the normal data of this area directly. In millimeter-and micron-scale traces, during 3 D construction, we presented a method of data screening, conversion, and amplification, which can successfully suppress noise, improve surface and edge quality,and enhance 3 D effect and contrast. The method not only captures 2 D and 3 D morphologies of traces clearly but also obtains the sizes of these traces.