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第1章 光机电技术及其应用1

1.1 简介1

1.2 光机电技术的历史背景2

1.3 光机电集成是移动技术的主流发展方向4

1.4 光机电系统的定义和基本概念5

1.4.1 光学元件的基本作用5

1.4.2 光机电系统的应用7

1.4.3 光机电系统的种类11

1.5 光机电系统的基本功能13

1.5.1 光机电技术的要素13

1.5.2 基本功能14

1.6 光机电一体化系统的相互作用20

1.6.1 创造新功能21

1.6.2 提升自动化水平21

1.6.3 增强系统的性能21

1.6.4 实现高功能性22

1.6.5 分布式功能22

1.6.6 微型化23

1.7 小结23

术语定义23

参考文献24

第2章 光机电产品和制作流程——设计中考虑的问题27

2.1 引言27

2.2 传统设计与光机电设计方法27

2.3 光机电设计过程29

2.3.1 需求和设计规格的确定31

2.3.2 概念的提出和评估32

2.3.3 细节的发展和评估32

2.4 光机电技术32

2.4.1 光学传感器34

2.5 光机电系统的应用47

2.5.1 全自动照相机47

2.5.2 智能洗衣机49

2.5.3 基于SISO规则控制器的光学执行元件51

2.6 结论53

术语定义54

参考文献54

第3章 半导体激光器原理及其应用56

3.1 介绍56

3.2 半导体激光器的原理56

3.2.1 普通材料的光辐射过程56

3.2.2 半导体激光振荡器的机理58

3.2.3 门限条件和振动模式60

3.3 应用63

3.3.1 光学开关激光器及其数据存储的应用63

3.3.2 耦合腔激光器的干涉波动及其在光学测量中的应用67

3.3.3 锁模激光器和及其通过微机电系统的调谐74

3.3.4 波长可调的带有半导体光放大器的环状激光器84

3.4 结论90

术语定义91

参考文献92

第4章 光学传感器及其应用95

4.1 介绍95

4.2 位移光学传感器96

4.3 基本原理和方法97

4.4 计量遥感技术的新型应用105

4.4.1 用于直线性测量的新式位置传感器105

4.4.2 光学编码与节距调整光学二极管阵列108

4.4.3 集成光栅图像类型编码器111

4.4.4 集成干涉型传感器117

4.5 结论122

参考文献122

第5章 分布式光纤传感124

5.1 介绍124

5.2 基本原理127

5.2.1 光线基础127

5.2.2 DOFS基本原则131

5.2.3 DOFS系统参数134

5.3 准分布式光纤传感系统135

5.3.1 布喇格光栅准分布式光纤传感系统135

5.3.2 总结137

5.4 全分布式光纤传感系统137

5.4.1 偏振光时域反射计139

5.5 总结139

术语定义140

参考文献140

第6章 基于生物学的光学传感器和变换器143

6.1 简介143

6.2 基于生物学的光学传感器144

6.2.1 生物体发光的光源145

6.2.2 Vibrio fisheri细菌146

6.2.3 毒素生物传感器——一个例子146

6.3 基于蛋白质的光学变换器148

6.3.1 噬菌调理素胶片148

6.3.2 光学变换器151

6.4 噬菌调理素胶片的应用156

6.4.1 灰度图像缩减156

6.4.2 非线性对数滤波器157

6.4.3 可编程空间滤波器157

6.4.4 实时缺陷增强159

6.4.5 全息联想存储器160

6.4.6 光地址直接显示161

6.5 结论162

术语定义163

参考文献163

第7章 机器视觉基础及其在机电系统中的应用165

7.1 介绍165

7.2 基本原理166

7.2.1 低级视觉166

7.2.2 中级视觉173

7.3 三维视觉及其应用176

7.3.1 三维视觉176

7.3.2 运动183

7.3.3 主动视觉184

7.3.4 机电系统应用185

7.3.5 自主移动机器人的导航189

7.3.6 创建平面图的方法191

7.3.7 影响机器人视觉导航的其他因素192

7.4 其他参数在实时应用中的重要性194

7.5 经济因素194

7.6 总结195

术语定义196

参考文献197

第8章 体全息成像199

8.1 绪论199

8.2 数字式成像和混合成像200

8.3 体全息成像的描述202

8.4 体全息成像的定量表示206

8.5 体全息成像的应用207

8.6 进一步的信息资源209

8.7 结论209

参考文献209

第9章 模式识别212

9.1 引言212

9.1.1 分类和识别212

9.1.2 特征、向量和原型212

9.2 分类214

9.2.1 使用k均值算法的聚类214

9.2.2 类的数字K和聚集有效性215

9.2.3 一种改进的k均值算法216

9.3 识别220

9.3.1 概率神经网络220

9.3.2 模糊神经网络221

9.3.3 径向基函数神经网络221

9.3.4 径向基函数连接网络224

9.3.5 一种RBFNN和RBFLN的简化方法225

9.3.6 使用椭圆基函数226

9.4 模糊分类器227

9.4.1 使用一个模糊椭圆分类器227

9.4.2 计算协方差矩阵228

9.4.3 计算逆协方差矩阵229

9.5 图像中的边缘识别230

9.5.1 图像边缘探测230

9.5.2 像素分类和它们的特征向量231

9.5.3 模糊分类器的结构232

9.5.4 竞争边缘规则233

9.5.5 运算法则233

9.5.6 边缘探测结果234

9.6 总结238

术语定义238

参考文献241

第10章 实时特征提取243

10.1 介绍243

10.2 背景243

10.3 像素分类244

10.4 窗口放置246

10.5 特征像素代表247

10.6 特征描述和测量248

10.6.1 孔穴特征描述250

10.6.2 转角特征描述250

10.6.3 Hough变换252

10.6.4 基于窗口的追踪方法253

10.7 窗口追踪和调整254

10.8 误差分析256

10.9 总结257

术语定义258

参考文献258

第11章 实时图像识别260

11.1 绪论260

11.2 过去和当前的工作260

11.2.1 目标探测261

11.2.2 对象识别261

11.2.3 事件识别262

11.3 统计学学习基本原理263

11.3.1 准备知识263

11.3.2 新型探测264

11.4 图像相似性测量266

11.4.1 Hausdorff距离266

11.4.2 核函数268

11.5 实验269

11.5.1 系统结构269

11.5.2 脸部识别269

11.5.3 三维目标识别274

11.6 结论277

11.7 总结278

参考文献278

第12章 光学模式识别281

12.1 概述281

12.2 单相关信号的光学模式识别282

12.2.1 光学模式识别系统的基本运算282

12.2.2 单相关过滤器的设计283

12.3 复相关器光模式识别284

12.3.1 单相关器模式识别系统的局限284

12.3.2 复相关器模式识别的概念285

12.3.3 复相关过滤器的设计287

12.4 光学复相关系统的运行289

12.4.1 光学复相关系统289

12.4.2 机器人视觉系统的应用290

12.4.3 光学复相关系统的性能292

12.5 总结292

术语定义293

参考文献293

第13章 光机电系统的实时控制294

13.1 导论294

13.2 光机电控制系统的特点及分类295

13.3 控制器设计方法302

13.3.1 基于模型的控制与智能控制303

13.3.2 控制器设计的方法303

13.3.3 线性最优控制304

13.3.4 自适应控制305

13.3.5 模糊规则控制方法307

13.4 光机电系统的在线控制311

13.4.1 MEM装置的微型组件311

13.4.2 激光发生系统的控制316

13.4.3 激光器材料处理：激光器开槽处理318

13.4.4 带有光学信息反馈的电弧焊接过程控制321

13.5 总结323

术语定义324

参考文献324

第14章 特征提取与视觉伺服规划326

14.1 简介326

14.2 特征提取标准327

14.2.1 任务约束327

14.2.2 特征提取、姿态估计及控制约束336

14.3 特征提取和规划342

14.3.1 特征代表343

14.3.2 可行特征集合选择344

14.3.3 可行特征集合的形成344

14.3.4 可容许特征集合的选择344

14.3.5 最优特征集合选择344

14.4 计算效率和实时特征提取344

14.4.1 并行的处理方法345

14.4.2 减少约束的方法345

14.4.3 可容许特征集空间的方法345

14.5 例子346

14.6 总结349

术语定义350

参考文献350

第15章 视觉伺服：理论及其应用352

15.1 引言352

15.2 背景353

15.3 伺服结构355

15.3.1 基于位置的视觉伺服（PBVS）358

15.3.2 基于图像的视觉伺服（IBVS）361

15.3.3 混合视觉伺服（HVS）363

15.4 实例367

15.5 应用371

15.6 总结373

术语定义374

参考文献374

第16章 基于光学方法的过程监控376

16.1 引言376

16.2 基本原理376

16.2.1 在线监控的作用376

16.3 在线监控的基本概念379

16.3.1 测量方法的选择379

16.3.2 光学测量方法中的理想传感器381

16.3.3 控制技术381

16.4 传感器融合384

16.4.1 概述384

16.4.2 数据处理技术386

16.4.3 决策过程387

16.5 光学系统组成概述394

16.5.1 光盘加载装置395

16.5.2 光学探头396

16.5.3 旋转平台399

16.5.4 纠错编码399

16.5.5 聚焦/跟踪伺服系统399

16.5.6 光学探头存取机构402

16.5.7 信号的数字化402

16.5.8 接口402

16.6 结论403

术语定义403

参考文献403

第17章 半导体制造过程的监视、建模与控制的光学方法404

17.1 简介404

17.2 光学方法的作用405

17.3 关键工艺405

17.3.1 氧化405

17.3.2 光刻技术406

17.3.3 反应性离子蚀刻406

17.3.4 离子注入407

17.3.5 分子束外延408

17.3.6 快速热处理409

17.4 光学测量技术410

17.4.1 晶体形态测量410

17.4.2 设备状态测量422

17.5 在过程建模中的光学方法424

17.5.1 光刻过程中的聚合体显影速率时间序列建模425

17.5.2 使用光学辐射光谱数据的刻蚀反应离子模型426

17.5.3 使用RHEED信号的MBE过程建模427

17.5.4 使用光测高温数据的RTP过程建模429

17.6 过程控制的光学方法430

17.6.1 使用光谱测定法进行光刻中的光刻胶的控制430

17.6.2 使用OES蚀刻离子反应的静态反馈控制431

17.6.3 使用椭圆偏光法的RIE逐个执行控制法433

17.7 过程诊断的光学方法435

17.7.1 基于光谱测定法进行光刻的诊断系统435

17.7.2 使用OES信号的RIE系统中的故障检测436

17.8 总结437

术语定义437

参考文献439

第18章 基于光学的制造工艺——监控441

18.1 介绍441

18.2 加工处理和加工机械的基本概念441

18.2.1 基本概念441

18.2.2 加工刀具的进程技术449

18.2.3 工件进程技术455

18.2.4 切削过程中的在进程技术472

18.2.5 在进程加工技术473

18.3 定位焊接过程474

18.3.1 基本概念474

18.3.2 机器人定位焊接过程中的视觉反馈控制475

18.3.3 视觉伺服系统的性能479

18.4 总结483

术语定义483

参考文献483

第19章 电子部件装配过程的检查和控制485

19.1 简介485

19.2 光学嵌入式检测和控制系统487

19.2.1 制造过程的检测任务487

19.2.2 光学器件嵌入到系统中488

19.2.3 监测和控制PCB制造过程489

19.3 各种工序的监控492

19.3.1 焊膏印刷过程492

19.3.2 表面贴装过程494

19.3.3 用光学方法检查焊点503

19.3.4 用X射线成像为BGA进行焊点检查510

19.3.5 内电路测试过程515

19.4 总结522

术语定义523

参考文献523

第20章 服务型机器人的光学技能获取和视觉导航525

20.1 简介525

20.1.1 光学技能捕获525

20.1.2 视觉导航526

20.2 基本的光学技能捕获方法527

20.2.1 光学测量设备的设计528

20.2.2 轨迹建模技术的基本理论529

20.3 视觉导航基本方法538

20.3.1 机器人定位系统的定位装置540

20.3.2 摄像头校准540

20.3.3 对应点匹配545

20.3.4 对象识别与定位546

20.4 一个范例546

20.4.1 实验结果和讨论547

20.5 结论552

术语定义552

附录A 离散隐马尔可夫模型的基本概念553

附录B 逆运动学的机器人手臂554

参考文献556

第21章 硬盘存储系统的光学拾取装置558

21.1 绪论558

21.2 光学集成拾取装置概述558

21.2.1 发展历史和未来展望558

21.2.2 光拾取操作的原理561

21.2.3 加工与定位调整562

21.3 混合光学集成光度头装置564

21.3.1 概述564

21.3.2 MD系统的光度头564

21.3.3 迷你光盘激光耦合器568

21.3.4 总结577

21.4 单片光学读取装置577

21.4.1 简介577

21.4.2 共焦激光耦合器578

21.4.3 有关用CPP方法检测寻迹误差信号的技术难题581

21.4.4 改进的CPP信号583

21.4.5 带有共焦刀锋（CKE）的CLC结构584

21.4.6 总结591

21.5 结论591

术语定义592

参考文献593

第22章 光学MEMS——光源阵列595

22.1 引言595

22.2 光学MEMS的设计596

22.2.1 多路设备596

22.2.2 MEMS平面镜597

22.3 平面镜驱动的理论分析599

22.3.1 磁和机械分析599

22.3.2 对于单独操作静电箍位的分析601

22.4 光学MEMS的制造602

22.4.1 MEMS平面镜阵列602

22.4.2 微型透镜阵列604

22.4.3 结果604

22.5 展望607

参考文献607

第23章 基于光学系统的微型装配609

23.1 引言609

23.2 视觉伺服系统610

23.2.1 微观域的视觉伺服系统612

23.3 控制器公式描述614

23.4 特征跟踪615

23.4.1 SSD跟踪616

23.4.2 相关组成部分分析617

23.5 由模糊到精确的视觉伺服系统619

23.5.1 视觉清晰度的约束620

23.5.2 视场的约束622

23.6 变焦校准623

23.7 聚焦和景深的估计626

23.7.1 自动对焦627

23.7.2 标准焦距627

23.7.3 搜索焦距的最大值629

23.8 总结632

术语定义632

参考文献632

索引636