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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

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