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高精度倒装焊机光学对位系统研制及算法研究
韩冰, 马洪涛, 许洪刚, 闫瑛, 鞠德晗, 赵纯玉
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0101
摘要(0) HTML全文(0) PDF 5011KB(0)
摘要:

目的:针对国内红外焦平面倒装焊机对高精度光学对位系统迫切需求,对光学对位系统进行了设计及验证,并对该系统应用到的平行调整、光学对位及坐标系误差补偿算法进行研究。方法:文章首先对倒装焊接光学对位工艺进行分析,然后对平行性调整及光学对位算法进行介绍,并根据光学对位系统测试流程,提出更加合理的误差补偿算法;最后,以上述计算算法为理论依据,设计的光学对位系统包括准直系统、显微成像系统和激光测距三部分;可实现平行性粗调,特征点识别及平行性精调功能。结果:试验结果表明,准直系统准直效果较好,显微成像系统分辨率高,成像质量较好,激光测距系统测距精度0.084 μm。结论:设计的高精度光学对位系统解决了国内红外焦平面倒装焊机对高精度光学对位系统的迫切需求,已经在国内某型号的倒装焊机得到应用,对于提高国产高端集成电路的自主研发和生产能力具有非常重要的意义。

陈浩博, 张力伟, 孙文卿, 陈宝华, 曹召良, 吴泉英
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0172
摘要(6) PDF 673KB(3)
摘要:
王翀, 杨嘉皓, 朱炳利, 韩江浩, 党文斌
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0142
摘要(4) PDF 978KB(1)
摘要:
娄存广, 代佳亮, 李瑞凯, 刘秀玲, 姚建铨
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0137
摘要(5) PDF 1182KB(1)
摘要:
张张印辉, 庄宏, 何何自芬, 杨杨宏宽, 黄滢
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0127
摘要(0) PDF 344KB(1)
摘要:
王倩倩, 王强
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0119
摘要(0) PDF 568KB(1)
摘要:
吕虹毓, 李茂月, 蔡东辰, 赵伟翔
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0083
摘要(4) PDF 394KB(1)
摘要:
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0012
摘要(7) PDF 533KB(2)
摘要:
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0010
摘要(16) PDF 274KB(8)
摘要:
六边形环带排布的共光路复眼光学系统设计
范晨, 刘钧, 高明, 吕宏
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0116
摘要(36) HTML全文(8) PDF 11487KB(18)
摘要:

为解决仿生复眼系统目前普遍存在的空间利用率较低、子眼孔径较小问题,本文提出一种六边形环带排布的大孔径复眼系统设计方法,通过引入填充因子理论,以传统曲面圆周式排布为对照组,论证了六边形环带排布模型可有效提高大孔径复眼系统的空间利用率。针对单波段复眼系统获取目标信息量有限,设计采用红外双波段共光路的成像结构形式,辅以红外双色探测器接收,增强了复眼系统获取目标信息的多维度能力,同时建立了六边形环带排布方式的子孔径定位数学模型。仿生复眼系统共由91个子孔径组成,子孔径入瞳16 mm,焦距48 mm,视场角9°,子孔径合成总视场为96°×85°,中继转像系统焦距为6.14 mm,子眼系统和中继转像系统在−40 °C~+60 °C温度变化范围内无热差影响,探测器冷反射效应可忽略。对复眼系统进行组合,仿真结果表明各个光学子通道RMS半径均小于艾里斑,光学畸变值均小于0.1%,边缘子通道红外中波/长波波段MTF在17 lp/mm处均达到0.5以上。该系统结构紧凑、探测能力强,可用于复杂环境中多目标的探测与识别。

复合椭球腔太阳能聚光均匀线光源设计
杨逸, 张祥祥, 芦宇, 孔维敬
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0138
摘要(12) HTML全文(3) PDF 596KB(17)
摘要:

目的:为了实现太阳光直接泵浦板条高功率激光器,对均匀线形高功率密度泵浦源进行研究。 方法:本文提出由一级聚光系统与七个共焦点椭球叠加形成二级聚光系统(复合椭球腔)组合实现高功率密度均匀线光源设计方法。每个椭球实现对圆形第一焦斑进行相等幅射通量分割,镜像成像特点使得峰值功率密度未明显下降,分解后镜像光斑在第二焦点处形成均匀线光源。通过坐标变化给出等辐射通量数学模型,退火算法求解出每个椭球旋转平移参量。 结果:由半径30 mm,焦距70 mm菲涅尔透镜和a=3.4 mm,c=3.15 mm单椭球腔组成一级系统,附带二级复合椭球腔聚光系统,可实现有效长度为12 mm,峰值功率密度为1.09×10 6 W/m 2,均匀度为95.46%线光源。 结论:对比每个椭球参量对均匀度贡献,中间椭球旋转参量 θ为1.4°均匀度效果明显改善,边缘椭球参量Δ改变对线光源有效长度影响显著,其最佳值为0.53 mm。

左超, 陈钱
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0105
摘要(18) PDF 18984KB(31)
摘要:
大口径巡天望远镜分区域曲率传感方法研究
安其昌, 吴小霞, 张景旭, 李洪文, 朱嘉康
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0117
摘要(32) HTML全文(17) PDF 4972KB(52)
摘要:

大口径巡天望远镜需要基于波前传感系统的反馈,进行主动光学闭环校正,以更好地发挥其极限探测能力。本文面向大口径巡天望远镜波前传感过程中,离焦星点像重合所导致的导星数量下降的问题,首先针对分区域曲率传感的基本理论表达进行了推导,之后,通过建立联合仿真模型,利用光学设计软件与数值计算软件之间的通讯交互,对分区域曲率传感的过程进行了仿真分析。最后,通过搭建桌面实验,分别就单目标与多目标的曲率传感进行了交叉比对,验证了算法的正确性。本文所提出的方法针对标准波前与单导星曲率传感相比,误差为0.02个工作波长(RMS),误差在10%以内,可在传统主动光学技术的基础上,通过扩展可用导星,提升探测信噪比与采样速度,有效提升主动光学系统校正能力。

基于相移条纹投影的动态3D测量误差补偿技术
曹智睿
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0004
摘要(25) HTML全文(17) PDF 1891KB(34)
摘要:

在基于相移条纹投影的动态三维测量中,不同条纹图像中物点、像点和相位之间的理想对应关系被破坏,此时应用传统的相位公式会产生很大的测量误差。为了减小动态三维测量误差,首先分析了该误差的基本原理,并将该误差等效为不同条纹图像之间的相移误差;然后,提出了一种动态三维测量误差补偿方法,该方法将基于最小二乘的先进迭代算法和改进的傅里叶辅助相移法相结合,实现了随机步长相移量和相位的高精度计算。对精加工铝板的实测结果表明,动态三维测量误差补偿技术可使动态三维测量的均方误差降低一个以上数量级,补偿后的动态三维测量精度可达0.15 mm 以上。

结构光照明显微镜重建算法研究进展
周博, 王昆浩, 陈良怡
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0011
摘要(21) HTML全文(61) PDF 6395KB(50)
摘要:

作为现代超分辨成像技术的早期组成部分,结构照明显微镜(SIM)已经发展了近二十年。其近期在活细胞中实现了高达60 nm和564 Hz的最佳时空分辨率组合,但也存在一些源于内在重建过程的缺点。本文综述了SIM技术的最新进展,包括超分辨率(SR)重建算法、性能评估及SIM与其他成像技术的集成,以便为生物学家提供实用指导。

单片集成式主振荡功率放大器研究进展
谭满清, 游道明, 郭文涛, 刘维华
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0022
摘要(132) HTML全文(72) PDF 6277KB(88)
摘要:

单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量和功率方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望单片集成式MOPA的发展趋势。

电弧射流激励器光谱诊断研究
袁野, 田雷超, 郭成, 赵青
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0097
摘要(19) HTML全文(7) PDF 5307KB(37)
摘要:

目前,电弧激励器仿真研究仅局限于得到激励器产生的等离子体的电势、压力、温度和速度等工作特性,而有关其的等离子体状态参数仅限于用光谱诊断其电子温度和电子密度等,二者是分立的,本文试图将其二者统一起来。为此,在此设计的电弧射流等离子体激励器,采用有限元法求解非线性多物理场方程,对此电弧射流等离子体激励器的工作特性进行了数值模拟,得到了激励器内部的电势、压力、温度和速度分布,并在此基础上对电子密度进行了计算,得到了由激励器工况得到激励器等离子体状态参数(电子温度和电子密度)的仿真计算模型。然后采用发射光谱诊断的方法对射流等离子体进行了光谱诊断,利用分立谱线的强度比例法对等离子体电子密度进行了计算。结果表明:电弧等离子体激励器诊断实验得到最高电子温度为10505.8 K,最大电子密度为5.75 E+22 m−3。对于不同工况下的等离子体电子温度和等离子体密度,实验和仿真结果数值均随入口气体流量增大及放电电流的增大而增大。表明对于我们设计的小型化、高射流速度的电弧射流激励器等离子体状态参数的仿真计算模型是合理且适用的。同时说明将激励器工作特性仿真与光谱诊断的电子温度、密度统一考虑是基本成功的,当然还有值得进一步改进的地方。

光压型高功率激光测量装置的测量重复性研究
赵利强, 孙振山, 于东钰, 杨宏, 张云鹏, 孙青
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0092
摘要(51) HTML全文(9) PDF 5050KB(47)
摘要:

测量重复性是光压测量装置的最大不确定度分量,直接影响测量结果的准确性。为了在高功率激光测量过程中提高功率测量的准确度,搭建了基于光压的高功率激光测量装置,进行了质量测量重复性实验和激光功率测量重复性实验,对两个实验的结果进行了比较分析。实验结果显示,光压测量装置的测量重复性随被测质量和被测功率的增大而逐渐降低,表明光压方法在测量高功率激光时更具优势。在激光功率测量重复性实验中,由于避免了偏载和气流扰动的影响,因此激光功率测量重复性优于根据等效质量计算的测量重复性。研究结果对后续进一步提高光压方法的测量准确度具有指导意义。

融合遗传算法和BP神经网络的光斑定位方法
张景源, 陈北北, 杨永兴, 朱庆生, 李金鹏, 赵金标
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0084
摘要(16) HTML全文(11) PDF 3779KB(38)
摘要:

针对振动环境中传统光斑中心定位算法存在的处理时间长、精度低等问题,本文提出一种基于遗传算法优化BP神经网络的光斑定位方法。算法使用BP神经网络对光斑位置进行预测,并通过遗传算法对神经网络进行优化。构建BP神经网络模型,将使用质心、形心、高斯拟合等方法求出的光斑中心位置以及形心法求出的光斑半径作为输入,对光斑真实中心位置进行预测。并使用遗传算法优化神经网络的权值和阈值,以增强预测效果。搭建实验环境,通过对光学系统外加干扰模拟振动环境,采集数据用于神经网络训练和算法验证。实验结果表明,优化前后的标定测试迭代次数分别为55和29,平均误差分别为0.81像素和0.45像素。在遗传算法的优化下,神经网络算法迭代速度和预测精度均有所提高。

二维Bi2O2Se的制备与光学表征研究进展
谢兵, 安旭红, 赵伟玮, 倪振华
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0071
摘要(31) HTML全文(29) PDF 18910KB(50)
摘要:

二维(2D)半导体材料Bi2O2Se由于其具有独特的晶体结构与能带结构、超高的载流子迁移率和优异的稳定性,在紫外-可见-近红外光谱区的高性能电子与光电应用领域有着广阔的前景。本文综述了Bi2O2Se的材料制备与光学表征最新研究进展:首先介绍了2D Bi2O2Se的制备方法及生长机理,包括化学气相沉积法(CVD)、湿化学工艺、分子束外延法(MBE)和脉冲激光沉积法(PLD)等;其次介绍了其晶体结构和电子能带结构的基本性质;接下来,通过稳态光谱的研究,可以对2D Bi2O2Se随厚度变化的带隙等物理性质进行研究;通过研究其晶体振动模式,可进一步研究2D Bi2O2Se材料的缺陷形态、温度系数与热导率;此外,超快光谱技术也可以帮助研究2D Bi2O2Se材料内部载流子的弛豫过程与输运性能;最后,简述了当前Bi2O2Se研究面临的挑战与应用的前景。

通过磁表面等离激元的多重相干提高灵敏度
杨宗蒙, 邢前, 陈怡安, 侯玉敏
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0009
摘要(50) HTML全文(40) PDF 4516KB(53)
摘要:

本文研究了一维金属纳米狭缝阵列中磁表面等离激元的相干现象并提出了一种使用双谷标定提高灵敏度的方法。与通常所采用的固定入射角度扫描波长的方式不同,这篇工作采用的是固定波长改变入射角度的方式研究了表面等离激元的相干现象。由于有延迟效应的存在,随着周围介质折射率的变化,两个谷会向相反的方向移动。相比于使用单一谷进行标定的方式,两个相反方向移动的谷可以有效地提高灵敏度。用于标定的两个谷的灵敏度最大分别为39.2°/RIU和102.4°/RIU,而两个谷的灵敏度可达141.6°/RIU。此外,狭缝介质与上层介质的折射率不一致对传感性能的影响很小,可有广泛的应用。

飞秒激光诱导击穿光谱技术对石墨中钍的定量分析
刘小亮, 王澜, 彭玲玲, 李小燕, 刘云海, 邹春燕
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0082
摘要(24) HTML全文(18) PDF 679KB(40)
摘要:

为了促进激光诱导击穿光谱技术在核工业领域中的应用与发展,利用飞秒激光对高纯石墨中的钍(Th)元素开展了定量分析研究。采用标准加样法制备了钍含量在0.35%~35.15%范围内的9个分析样品,以类比钍基核燃料中钍含量。通过改变光谱采集方式、延时条件及调节飞秒激光脉冲能量对实验条件进行了优化。在优化的实验条件下,对所有样品进行激发以采集等离子体光谱信息用于定量分析研究。主要结果有:对比定点激发采集光谱结果,采用靶面连续移动式的光谱重复性好,钍原子谱线(Th I 396.21 nm)谱线强度获得大约2倍的增强,重复测量的相对标准偏差由20.4%降至5.7%;高含量区间内钍元素谱线存在明显的自吸收效应,采用指数函数对整个含量区间与分析线(Th I 394.42、396.21和766.53 nm)强度进行非线性拟合,可以有效获取分析线的饱和阈值;基本定标法适用于饱和阈值以下的含量区间,分析线对较低含量的未知样品的预测分析具有较高的精确度;采用内标法(以C I 247.85 nm线为内标线),可以实现积分强度和峰值强度与整个区间含量的线性拟合,其中,基于高饱和阈值分析线(766.53 nm)的积分强度能够较好地实现高含量未知样品的含量预测。实验结果说明飞秒激光诱导击穿光谱技术具有钍基核燃料循环过程中钍含量监测分析的潜力。

基于多尺度特征与通道特征融合的脑肿瘤良恶性分类模型
姜林奇, 宁春玉, 余海涛
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0067
摘要(33) HTML全文(25) PDF 687KB(43)
摘要:

针对脑肿瘤良恶性分类过程复杂、分类准确率不高等问题,提出了一种基于多尺度特征与通道特征融合的分类模型。该模型以ResNeXt网络为主干网络,首先,将基于空洞卷积的多尺度特征提取模块代替第一层卷积层,利用膨胀率获取不同感受野的图像信息,将全局特征与局部显著特征结合;其次,添加通道注意力机制模块,融合特征通道信息,提高对肿瘤区域的关注度,降低对冗余信息的关注度;最后,采用学习率的线性衰减策略、图像的标签平滑策略以及基于医学图像的迁移学习策略的组合优化策略提高模型的学习能力和泛化能力。在BraTS2017和BraTS2019数据集中进行实验,准确率分别达到98.11%和98.72%。与经典模型和其他先进方法相比,该分类模型能够有效地减少分类过程的复杂度,提高脑肿瘤良恶性分类的准确率。

机载宽温域工作CO2激光器温控方法
赵紫云, 陈飞, 张阔, 何洋
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0089
摘要(26) HTML全文(10) PDF 750KB(41)
摘要:

机载激光雷达是实现远距离大气精准监测的重要手段,CO2激光器工作谱段与部分大气污染物和化学物质吸收谱一致,是大气监测激光雷达的重要光源。面向机载要求,在控制体积重量的条件下实现−40 °C~55 °C宽温域工作是机载CO2激光器温控系统的设计难点。因此,本文提出一种以激光器性能和环境温度为设计输入,半导体热电制冷与强制风冷结合的闭环温控方法。根据激光器、半导体热电制冷和强制风冷等结构与传热特性,建立温控方法有限元模型,基于此模型对激光器温控性能进行研究。对于55 °C高温环境,温控系统工作25 min后,激光器温度控制在40 °C;对于−40 °C低温环境,温控系统在工作20 min后,激光器温度控制在25 °C,满足激光器正常工作要求。根据激光器及建立的温控方法,开展高低温环境下激光器工作能力实验研究,采集实验过程激光器温度数据,测量高低温条件下激光输出能力。实验结果表明:实测激光器温度与有限元仿真温度数据基本吻合,两者误差小于10%;在高低温条件下采用所提出的温控方法的激光器可以正常工作,输出功率与室温条件下激光器输出功率一致。

多维度单分子成像研究进展
李孟帆, 陈剑威, 石伟, 傅爽, 李昀泽, 罗婷丹, 陈俊帆, 李依明
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0088
摘要(38) HTML全文(36) PDF 1469KB(57)
摘要:

单分子成像方法被广泛应用于亚细胞结构的三维空间定位。其中点扩散函数是分析单分子信息的重要窗口,除了能反映空间坐标外还蕴含着丰富的额外信息。本文介绍了从点扩散函数中解析空间位置、荧光波长、偶极子朝向及干涉相位等多维度单分子成像研究进展,并简要地概括了目前主流的定位方法,以及对该技术的发展方向进行了展望。

大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统
郎松, 张艳微, 郑汉青, 徐林钰, 汪路涵, 巩岩
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0087
摘要(53) HTML全文(26) PDF 7608KB(84)
摘要:

现代生物学和生物医学领域迫切需要兼顾大视场、高分辨率的显微成像技术和仪器对生物样品跨尺度观测,以满足重大科学问题的研究需求。受限于系统的空间带宽积,传统商业显微镜无法满足这一需求,且现有高空间带宽积显微成像系统存在体积庞大、实施成本高昂等问题。本文基于HiLo光切片技术和自主设计的大视场高分辨显微物镜,研发了具有高空间带宽积特点的大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统,测试了系统的成像视场和分辨率,应用该系统对小鼠脑切片开展了白光照明明场成像实验,并与OLYMPUS商业显微镜成像结果做了对比,同时,应用该系统对小麦种子荧光切片开展了光切片成像和宽场荧光成像对比实验。实验结果表明, 大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统成像视场达到4.8 mm×3.6 mm (对角视场6.0 mm),横向分辨率达到0.74 μm,轴向分辨率达到4.16 μm。大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统具有兼顾大视场和高分辨率成像的优势和快速光切片成像的能力,能够对大体积生物样本开展快速三维成像,将为胚胎发育、脑成像、数字病理诊断等研究提供有力的技术支撑。

用于多尺度高分辨率三维成像的双环光片荧光显微技术
王鹏, 周瑶, 赵宇轩, 费鹏
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0093
摘要(57) HTML全文(47) PDF 10500KB(70)
摘要:

本文提出了一种无衍射光片荧光显微成像技术,可以方便地对从微米到厘米各种尺寸的多种生物样本进行多尺度三维荧光成像。为了解决传统贝塞尔光片旁瓣过重的问题,提出了一种双环调控的方法能够可调节地产生0.4微米到5微米之间不同厚度类型的无衍射光片,同时其旁瓣占比被压低到30%以下。基于这种崭新的调控手段设计搭建了一套多尺度光片荧光显微成像系统并展示了其适用性极强的多尺度成像能力;例如活细胞双色三维动态成像、膨胀细胞三维超分辨成像以及介观尺度下全器官的高通量三维成像。证明了该多尺度成像模式能够显著地提升光片荧光显微镜的成像效率并以此推进细胞生物学、组织病理学、神经科学等多种生物医学相关研究。

基于表面等离子体共振的光子准晶体光纤甲烷氢气传感器
刘强, 赵锦, 孙宇丹, 刘伟, 王建鑫, 刘超, 吕靖薇, 王诗淼, 蒋宇, PaulK.Chu
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0006
摘要(37) HTML全文(22) PDF 4373KB(62)
摘要:

设计了一种用于甲烷和氢气同时检测的基于表面等离子体共振(SPR)的新型光子准晶体光纤(PQF)传感器。在该传感器中,在银膜上分别沉积Pd-WO3和掺杂聚硅氧烷的笼型分子E薄膜作为氢气和甲烷的敏感材料。采用全矢量有限元方法对PQF-SPR传感器进行了数值分析,证明了该传感器具有良好的传感性能。在0%~3.5%的浓度范围内,氢气的最大检测灵敏度和平均灵敏度分别为0.8 nm/%和0.65 nm/%,甲烷的最大灵敏度和平均灵敏度分别为10 nm/%和8.81 nm/%。该传感器具有同时检测多种气体的能力,在设备小型化和远程监测方面具有很大的潜力。

正交激发发射上转换纳米材料的设计、制备与应用
贾恒, 冯晓锐, 李大光, 秦伟平, 杨龙, 何伟艳, 马惠言, 滕英跃
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0134
摘要(267) HTML全文(120) PDF 8543KB(87)
摘要:

稀土掺杂的上转换发光纳米材料在信息安全、生物医学、光纤通信、显示和能源等众多领域有着巨大的应用潜力,受到了相关各领域研究人员的广泛关注。特别是近年来发展起来的具有正交激发发射特性的上转换发光纳米颗粒,其光色输出可在不同的激发条件下产生动态变化,因而产生出一系列新的特性与功能,大大地扩展了应用范围。本文综述稀土离子正交上转换发光的发展历程,系统论述了基于核壳结构的正交激发发射体系的设计原理和构建方法,介绍了其在信息存储、安全防伪、显示、传感、生物成像及治疗等领域的最新研究进展,并探讨了未来相关研究中可能面临的机遇和挑战。

大视场光学显微成像技术
王义强, 林方睿, 胡睿, 刘丽炜, 屈军乐
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0098
摘要(94) HTML全文(101) PDF 10812KB(107)
摘要:

光学显微成像技术具有实时、高分辨率和非侵入性等特点,其成像尺度可跨越细胞、组织乃至生命体,极大地拓展了人们对生命本质的认识边界。然而,受限于光学显微成像系统有限的空间带宽积(Space-bandwidth Product,SBP),常规的光学显微镜难以同时兼顾视场大小和分辨率,使得显微成像在大视场生物成像应用中受到较大的限制,例如对脑神经网络以突触为单位的神经回路成像。近年来,大视场光学显微成像技术得到不断的发展,其SBP相较于传统的光学显微镜有了十倍甚至百倍的提升,在保持高分辨率的基础上拓展了成像视场,满足了生物医学领域重大问题的研究需求。本文介绍了近年来几种典型的大视场光学显微成像技术及其生物医学应用,并对其未来发展做了展望。

航天高分辨率对地光学遥感载荷研究进展
苏云, 葛婧菁, 王业超, 王乐然, 王钰, 郑子熙
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0085
摘要(48) HTML全文(34) PDF 17296KB(78)
摘要:

随着光学成像技术不断发展和日益增长的遥感应用需求,跨尺度高分辨率光学技术在遥感领域得到广泛应用。为了获得更多的目标细节信息,国内外研究学者在不同技术方向开展了相关研究。本文通过对遥感成像的技术总结分类,介绍具有代表性的航天高分辨率对地光学遥感载荷技术,重点关注单体结构主镜、可展开分块拼接主镜、光学干涉主镜、光栅衍射主镜、虚拟合成孔径、光子型综合孔径成像、计算超分辨成像、编队合成孔径等成像体制,为高分辨率对地光学遥感载荷发展提供新的发展思路。

当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0007
摘要(39) PDF 2784KB(61)
摘要:
在体跨尺度双光子显微成像技术
陈帅, 任林, 周镇乔, 李敏, 贾宏博
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0086
摘要(86) HTML全文(69) PDF 11931KB(86)
摘要:

双光子显微镜在厚生物组织中保持良好空间分辨率的优点使得其诞生不久就被应用于在体脑成像研究。而神经网络在时空多个维度均具有跨尺度的特点,为满足脑科学研究中在体跨尺度脑成像的需求,双光子显微镜近年来有了快速且显著的发展。本文首先介绍了双光子显微镜的工作原理,然后在成像视野、成像通量、成像深度、分辨率、微型化五个方面详细综述了双光子显微镜的新进展,并深入分析了跨尺度双光子在体显微成像技术的难点及未来挑战。

柔顺型光纤光栅水听器阵列理论与实验研究
祝苗, 顾宏灿, 宋文章
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0079
摘要(29) HTML全文(18) PDF 7177KB(80)
摘要:

为提升光纤水听器拖曳线阵列的适装性,提出一种柔顺型光纤光栅水听器阵列。根据力学理论模型计算三种柔顺型光纤光栅水听器声压灵敏度,比较分析其影响因素,通过有限元仿真进行频响分析,研制了直径分别为10 mm、12 mm和16 mm的2元柔顺型光纤光栅水听器样阵,采用振动液柱法实验测试其灵敏度。实验结果表明柔顺型光纤光栅水听器在200~800 Hz的频率范围内响应平坦,不同结构参数的水听器阵列平均声压灵敏度分别为−160.87 dB、−154.59 dB、−156.73 dB,验证了理论与仿真分析。进一步优化材料和结构参数,采用弱反射光纤光栅,按照本文的设计,可以构建数百阵元的一体化柔顺型水听器阵列。

轴向位置可调的双中空环形光斑
田玉元, 张佳琦, 姜潇桐, 孙美玉, 史强, 朱林伟
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0036
摘要(35) HTML全文(19) PDF 5334KB(86)
摘要:

为了产生轴向双焦点中空环形光斑,基于矢量衍射积分得出的环带半径公式,设计产生了呈环带分布的轴向双焦点的螺旋相位,并研究了这种螺旋相位在高数值孔径物镜聚焦区域的光斑特性。首先,给出了线偏振以及圆偏振的涡旋光束在高数值孔径物镜聚焦条件下的积分表达式。然后,利用此积分表达式数值模拟了线偏振光与圆偏振光在不同轴向偏移距离及螺旋拓扑荷值时的聚焦光场分布。最后,将轴向双焦点螺旋相位加载到纯相位空间光调制器上,分别对圆偏振光与线偏振光入射时进行实验研究。实验产生了线偏振光入射时,拓扑荷为1且轴向距离为±10 μm、±15 μm的双聚焦环形光斑;以及圆偏振光入射时,轴向距离为±20 μm且拓扑荷为1到4时的双聚焦环形光斑。数值模拟与实验结果表明:圆偏振光与线偏振光经此螺旋相位调制后,在紧聚焦区域可产生轴向距离与暗斑大小可调的中空环形双焦点;圆偏振光较线偏振光产生的空心光斑光强分布更均匀,呈圆对称分布。此轴向双焦点螺旋相位有望在光学微操控、双光束超分辨纳米光刻以及STED显微成像方面获得一定的应用。

当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022.0124
摘要(41) PDF 9332KB(80)
摘要:
多靶点全景数字病理:从原理到应用
张新华, 李才伟, 张瑜, 黄胜男, 石晗, 吴俊楠, 任仕杰, 刘珂含, 高彤璐, 史冰
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0091
摘要(137) HTML全文(37) PDF 6251KB(109)
摘要:

数字病理凭借其便捷的存储、管理、浏览、传输等特点,为远程病理会诊及联合会诊带来了新契机。然而,显微镜的视场有限,在确保分辨率的前提下,无法兼顾全景成像。全景数字病理的提出,弥补了这一缺陷,在保证分辨率的同时兼顾了全景成像。但单张切片仅能实现单靶点的检测,而疾病诊断需同时观测多个靶点的表达情况。近年来,多靶点全景数字病理技术发展迅速,因其在药物研发、临床科研以及基础科研等领域的巨大的应用潜力而广受关注。其系统凭借视场大、颜色多、通量高的特点,可在短时间内原位检测整张组织切片上的多种生物标记物的表达情况,借以识别组织上每个细胞表型、丰度、状态及其相互关系。本文首先梳理了数字病理、全景数字病理以及多靶点全景数字病理的发展过程,并简要介绍发展过程中的技术的更新迭代,以及发展多靶点全景数字病理的重要性。然后,分别从生物样本准备、多色光学成像以及图像处理三个部分重点介绍多靶点全景数字病理。接下来,阐述了多靶点全景数字病理在肿瘤微环境与肿瘤分子分型等生物医学领域的应用现状。最后,对多靶点全景数字病理的技术优势、目前面临的挑战及其未来的发展趋势进行了总结。

全景内窥成像技术及应用
霍嘉燚, 李冕豪, 王子川, 袁波, 杨青, 王立强
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0074
摘要(65) HTML全文(38) PDF 8727KB(95)
摘要:

全景内窥成像技术可有效减小体内器官的观察盲区,具有缩短手术时间、降低术中出血风险、改善手术预后、缩短术后恢复时间等多种优点,在微创手术和术前检查中有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文从原理和产品应用两个方面对全景内窥成像技术进行了梳理。首先,综述了基于二维和三维成像的各种全景内窥成像技术,阐述了它们各自的实现方式,并分析了其指标和性能。其次,对比分析了由全景内窥成像技术衍生出来的胶囊内窥镜、全景结直肠镜等多种不同类型的产品,并展望了全景内窥成像技术的发展趋势和应用前景。

跨尺度光学内窥成像技术
王子川, 张伟, 郭飞, 贾志强, 王立强, 董文飞, 杨青
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0078
摘要(120) HTML全文(48) PDF 8515KB(112)
摘要:

光学成像技术具备高分辨、多尺度、多维度、易集成以及低辐射等优势,在生物医学领域发挥出重要的作用。在内窥镜领域中,如何进行内窥图像信息的获取、处理及可视化是光学成像技术要解决的核心问题,在医学临床中获取内窥镜所观察部位的跨尺度图像有利于医师对于患者病情的诊断以及提升术中操作的精确程度。本文从跨尺度光学成像技术在内窥镜领域的运用入手,重点阐述了目前内窥镜临床中用于获取跨尺度图像的光学系统类型,包括跨尺度变焦光学系统、光纤扫描成像系统、多通道成像系统等,说明了这些跨尺度光学内窥镜系统如何获取跨尺度图像,并对跨尺度光学成像在内窥镜领域的未来发展做了展望。

面向高通量的多通道复用数字全息成像技术
黄郑重, 曹良才
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0070
摘要(132) HTML全文(104) PDF 8364KB(135)
摘要:
光学成像已成为跨尺度表征生物系统信息的主要方法之一,近年来生物样本的快速、无损且全面表征对成像系统的可解析量提出了高的要求。数字全息通过干涉成像方式,可准确重构光波前的振幅和相位信息,具有快速、无损、三维成像等优势,在数字病理诊断、细胞无标记观察和实时监测等方面得到了广泛的研究和应用。本文首先介绍了实现高通量成像的主要方式,并分析数字全息的优势及空间带宽变化关系,展示了基于希尔伯特变换的面向高通量多通道复用数字全息技术的理论框架,并介绍了基于该理论框架设计的拓展视场双通道复用数字全息显微成像系统。该系统在不牺牲空间和时间分辨率的情况下,可实现超越传统离轴全息显微镜8倍的空间带宽积。所介绍的数字全息复用技术可充分利用单幅强度图像的冗余空间带宽,可用于高通量多通道复用数字全息成像。
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0077
摘要(93) PDF 1380KB(0)
摘要:
用于细胞脂滴超分辨荧光成像的有机荧光探针研究进展
周日, 王晨光, 卢革宇
当前状态:  doi: 0.37188/CO.2022-0077
摘要(119) HTML全文(125) PDF 10648KB(46)
摘要:
脂滴是真核细胞中必不可少的一种球形细胞器,与很多细胞生理学过程息息相关。为了观察并研究脂滴,荧光成像技术是最有力的工具之一。因为受到光学衍射极限限制,传统的宽场以及共聚焦显微镜所能达到的成像分辨率约为250 nm左右,这对于观测小脂滴尤其是新生脂滴(尺寸约30‒60 nm)来说是远远不够的。在这种情况下,近年来新兴的各种能够打破衍射极限的超分辨荧光显微镜(如受激发射损耗显微镜、结构光照明显微镜以及光激活定位显微镜等)逐渐吸引了很大兴趣。为了得到高分辨率的脂滴荧光图像,除了上述超分辨显微镜之外,还需要与之相匹配的高性能荧光探针。因此,本文将简要介绍这几种超分辨显微镜的工作原理,讨论其对荧光探针光物理性质的特殊要求,并进一步系统总结脂滴超分辨成像荧光探针的研究进展。与此同时,本文将分析对比不同超分辨显微镜在脂滴荧光成像方面的优势与不足,并对其发展趋势进行展望。
基于光场处理方法的太赫兹成像优化
辛涛, 彭烁, 董立泉, 张韶辉, 张存林
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0005
摘要(88) HTML全文(59) PDF 5395KB(14)
摘要:
近年来,太赫兹技术在检测,安保等诸多领域变得日益重要。如何扩大视场和提高成像质量是太赫兹成像的关键。针对以上问题,我们基于单相机扫描方式搭建了一个太赫兹光场成像系统以同时实现对太赫兹波空间和角度分布信息的利用。基于四维全光函数和双平面参数化方法,我们利用太赫兹光场传播过程中的强度一致性进行了重聚焦运算,通过对光场进行积分即可得到一系列对应不同视角,不同成像距离的结果。与初始的太赫兹成像结果相比,视场和成像质量都得到了有效提升。在我们的实验中,视场扩大了1.84倍,分辨率从1.3 mm提高到了0.7 mm。此外,部分被遮挡的目标信息也可通过使遮挡物离焦得到恢复。证明了我们的系统能够提高太赫兹成像的质量并拓展其功能,从而为太赫兹无损测量和安全检测提供新的思路。
基于层析成像的激光强度分布测量方法
王倩, 蔡伟伟, 陶波
当前状态:
摘要(94) HTML全文(72) PDF 9813KB(9)
摘要:
为了对激光光强分布进行准确的测量,本工作提出基于层析成像技术的激光光强分布测量方法。首先,通过数值仿真计算,对本工作中采用的成像模型的准确性以及重建算法的收敛性进行验证。对不同激光光强分布模型以及不同随机噪声等级时的重建精度进行评估。经计算,采用不同典型激光光强模型时其重建误差均小于等于7.02%;在施加10%以内随机噪声时,重建误差均小于8.5%。此外,设计并进行实验,搭建层析成像系统,采用定制的一分七光纤束实现七个角度信号的测量。七个角度分布在垂直于激光光束的平面内近半圆周内,各个角度距离重建区域的距离约为160毫米,且七个角度的角度覆盖范围约为150°。实验时,通过探测激光光束穿过若丹明-乙醇溶液之后的体激光诱导荧光信号,结合后续的数据处理过程来间接实现激光光强三维分布的反演。在数据处理过程中,采用交替迭代重建算法对探测信号进行吸收矫正的三维重建,可间接地获得激光光强分布。为了定量评估测量精度,在进行重建时仅采用其中六个角度,将余下一角度的重建反投影以及投影数据间的相关性用来间接证明此重建方法的可行性。计算结果表明,该角度投影以及反投影之间的相关性系数为0.9802,可间接的验证该方法的可行性。可以预见,本工作提出的激光光强三维测量方案在激光应用领域具有广泛的前景。
太极计划中的星间激光测距地面电子学验证
邓汝杰, 张艺斌, 刘河山, 罗子人
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0041
摘要(144) HTML全文(59) PDF 7219KB(28)
摘要:
在空间引力波探测太极计划中,激光干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段,为了消除激光频率不稳定性对其的影响,需利用时间延迟干涉技术进行噪声压制。时间延迟干涉技术是一种数据后处理方法,要实现该技术的数据构型,需对卫星臂长实现精确的绝对距离测量。本文从太极计划的需求分析出发,分别从信源编码设计、延迟环设计以及数据处理算法等方面介绍测距系统的设计方案。在信源编码中,文章通过分析m序列、gold序列、Weil码三种伪随机码的自、互相关性优劣以及长度选取上的灵活性,最终选择了Weil码并筛选出其自相关性最优的移位-截取组合,将其作为测距系统所用的伪随机码。同时,基于该测距系统的设计,搭建了一套地面电子学验证实验装置,以模拟信号传输的物理过程以及验证系统性能。实验主体装置采用一块基于Xilinx公司K7芯片的自研FPGA板卡用以模拟卫星通信测距的过程以及实现锁相环、延迟环等功能。实验将24.4 kbps的16位信息码与1.5625 Mbps的1024位Weil码进行BPSK调制,采样频率为50 MHz,通过10~60 m的射频同轴电缆进行传输后,使用质心法对采集数据进行优化,随后测定该距离。实验结果表明,在60 m范围内,测距精度优于1.6 m。因此,实验证明了测距系统原理及设计的可行性,为下一步的光学系统验证奠定了技术基础。
复杂曲面零件面结构光扫描视点规划
任明阳, 王立忠, 赵建博, 唐正宗
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0026
摘要(107) HTML全文(56) PDF 6408KB(12)
摘要:
为了实现复杂曲面零件高效自动化测量,本文提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划方法,并将其应用在汽车复杂曲面零件自动化测量中。首先,针对人工示教视点冗余严重,扫描完整性差的问题,提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划算法,根据面结构光扫描仪的有效测量范围,确定栅格尺寸,改进候选视点生成策略,并通过扫描仪的测量约束条件得到候选视点的有效测量范围,利用视点质量评价函数确定最优视点。其次,针对视点规划过程中算法耗时长,特征重建精度低的问题,采用体素网格法简化模型,通过八叉树算法分割复杂曲面模型,根据法向量一致性误差确定体素网格尺寸,并且对于几何特征不同的模型,分析权重系数对扫描质量的影响,给出最佳权重系数。最后,进行了汽车钣金件和减速器壳体扫描视点规划和测量实验,结果表明,汽车钣金件视点规划耗时21.93 s,扫描完整性为99.124%,扫描精度为0.025 mm;汽车减速器壳体视点规划耗时158.29 s,扫描完整性为93.231%,扫描精度为0.032 mm。本方法能快速完成复杂曲面视点规划,并且采用规划视点扫描的模型完整性好,精度高,能够满足复杂曲面零件自动测量的要求。
辐射耦合效应对目标红外偏振特性的影响
宿德志, 刘亮, 吴世永, 张纪磊, 王坤, 刘陵顺
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0035
摘要(111) HTML全文(50) PDF 3486KB(16)
摘要:
红外偏振成像技术具有探测距离远,目标识别率高等多种优势,但在复杂环境下目标偏振特性易受背景辐射影响,使得红外偏振设备的探测能力大幅降低。本文基于偏振双向反射分布函数,综合考虑目标和背景间的辐射耦合效应,建立了目标偏振度计算模型。对比研究了有强辐射背板和无强辐射背板两种情况下目标偏振度的变化情况,并针对陆基和机载探测等小角度探测情况,仿真研究了目标和背板的温度、夹角等参数对目标偏振度的影响规律。研究结果表明:目标和背板温度相同时,辐射耦合效应会显著降低目标的偏振度,但不会改变目标偏振度随温度升高而增大的趋势。当目标和背板温度为30 °C、40 °C和50 °C时,目标偏振度的最大值分别为无强辐射背板时的63.7%、44.9%和42.2%。可见温度越高,目标和背板间的辐射耦合效应越强,目标偏振度降低的比例越大。此外,辐射耦合效应的强弱不仅与温度有关,还与目标和背板的夹角有关。随着夹角的增大,目标偏振度先增大后减小,且在夹角约为105°处取得极大值。因此,辐射耦合效应会一定程度上改变目标偏振度,从而影响红外偏振设备的探测能力。最后,通过搭建的长波红外偏振成像系统,对建立的目标偏振度计算模型进行了实验验证,实验结果与仿真分析结果基本一致。本文研究成果对提升陆基和机载红外偏振设备的探测和识别能力具有一定指导意义。
基于双注意力机制的车道线检测
任凤雷, 周海波, 杨璐, 何昕
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0033
摘要(120) HTML全文(72) PDF 6652KB(19)
摘要:
为了提升车道线检测算法在障碍物遮挡等复杂情况下的检测性能,本文提出了一种基于双注意力机制的多车道线检测算法。首先,本文通过设计基于空间和通道双注意力机制的车道线语义分割网络,得到分别代表车道线像素和背景区域的二值分割结果;然后,引入HNet网络结构,使用其输出的透视变换矩阵将分割图转换到鸟瞰视图,继而进行曲线拟合并逆变换回原图像空间实现多车道线的检测;最后,将图像中线两侧车道线所包围的区域定义为目前行驶的行车车道。本文算法在Tusimple数据集凭借134FPS的实时性表现达到了96.63%的准确率,在CULane数据集取得了77.32%的精确率。实验结果表明,本文算法可以针对包括障碍物遮挡等不同场景下的多条车道线及行车车道进行实时检测,其性能相比较现有算法得到了显著的提升。
具有横向效应的半导体激光器的同步传输技术
赵丽娜, 魏庆涛
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0031
摘要(81) HTML全文(45) PDF 4571KB(11)
摘要:
为了考虑半导体激光器的横向效应,通过修正描述半导体激光器的动力学模型,给出了具有横向效应的半导体激光器的动力学方程,并分析了横向效应对半导体激光器输出特性的影响。在此基础上,进一步研究了具有横向效应的半导体激光器输出信号的同步传输技术。结果表明,考虑横向效应后,半导体激光器的输出呈现新的时空混沌态,且对初始值的依赖非常敏感。同时,无论是利用半导体激光器进行单通道信号的同步传输还是多通道信号的同步传输,其传输性能均十分稳定。该项同步技术十分简约,非常易于实际应用。
基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气浓度高灵敏度检测研究
杨舒涵, 乔顺达, 林殿阳, 马欲飞
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0029
摘要(134) HTML全文(47) PDF 4544KB(21)
摘要:
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是近年发展起来的一种激光光谱气体检测技术,相比于常见的电化学、离子导电陶瓷等技术,其具有选择性强、灵敏度高、响应快、可在线测量、抗背景光谱干扰能力强等优点,适用于复杂环境中气体的长期在线检测。氧气(O2)是人类生存环境中的重要气体,O2浓度的检测在生产生活各个领域应用广泛、意义重大。基于此,本文采用TDLAS技术对空气中O2进行高灵敏度测量。采用输出波长为760 nm的半导体激光器作为光源,直接吸收光谱法获得环境中的氧气浓度为20.56 %,最小检测极限为283.27×10−6。在波长调制方法中,优化了激光波长调制深度,得到了完整的二次谐波波形,可用于标定氧气浓度。此系统的信噪比为380.74,最小检测极限约为540×10−9。本文中实现的传感系统具有良好的O2检测能力,可广泛用于各个领域中O2浓度的检测。
LED光源照度与色温对佩伯尔幻象展陈效果的作用趋势
林嘉源, 邹念育, 梁静, 贺晓阳, 慕雨凡, 黄霞, 何启鹏
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0027
摘要(87) HTML全文(55) PDF 3938KB(13)
摘要:
数字化展示技术的不断发展,展陈方式也随之改变,采用现代化展示方式的佩伯尔幻象要求展陈空间光环境保证效果同时,具有较好的视觉舒适性。为探寻光环境对佩伯尔幻象展示效果的影响,搭建虚拟成像展示空间,研究影响成像效果的因素与趋势。研究设定12组不同照度和色温组合的LED光照参数,选取25名观察者进行心理物理学实验,以分析不同光环境对佩伯尔幻象展陈效果产生的影响。实验结论:色温对幻象中的色彩真实度、细节表现力、立体感表现力评价影响较低;照度对色彩真实度评价未产生显著影响,对它的细节表现力、立体感表现力具有显著性影响,在色温3500 k,照度10 lx的光环境下,展示效果中的细节表现力、立体感表现力相对较高,2500 K,10 lx时视觉舒适度较好。
多色虚拟荧光辐射差分显微成像
黄宇然, 张智敏, 董婉潔, 徐良, 韩于冰, 郝翔, 匡翠方, 刘旭
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0080
摘要(75) HTML全文(45) PDF 5317KB(18)
摘要:
荧光辐射差分显微成像是一种荧光染料普适性强、光毒性较低的超分辨成像技术。然而传统荧光辐射差分成像由于原理限制,其系统复杂度较高,稳定性低且成像速度受限。为了改进这些缺陷,本文设计搭建了一套多色虚拟荧光差分显微系统,并对该系统的成像方法和参数间的制约关系进行了分析,在已有的多色虚拟荧光辐射差分显微术原理的基础上,进一步考虑了信噪比和背景噪声等的影响,建立了可通过实验验证的虚拟荧光辐射差分显微成像模型。实验表明,本系统与方法具有结构简单、背景去噪能力强、荧光染料普适性强以及光毒性低等特性,成像分辨率较共聚焦提升了1.9倍,成像速度较传统的荧光辐射差分显微系统提升一倍,在三个波长上均获得了良好的成像效果,并在生物细胞成像中得到实验验证。
基于自由曲面的辐射定标光源设计
田杰文, 叶新, 方伟
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0021
摘要(118) HTML全文(53) PDF 6259KB(43)
摘要:
目的: 为了减小对卫星上的空间使用,针对定标特点,本文提出了一种用于积分球光源准直照明的自由曲面反射镜的设计方法。采用该方法,能够以小口径的积分球实现大面积的方形的均匀辐照度分布。 方法: 首先,通过点光源模型建立自由曲面离轴反射照明数学模型,然后通过切比雪夫点离散自由曲面,并求解出满足点光源照明的自由曲面模型,最后分析积分球的光源特性,通过逐步优化到自由曲面能量分布的方法完成点光源照明模型到积分球照明模型的转变。 结果: 通过分析可知,设定照明面积140 mm*140 mm时,目标面的辐照度非均匀性的不均匀度小于0.02。 结论: 满足星载定标轻量化,短光路,结构简单的需求。
多波长拉曼激光对CCD损伤实验研究
刘金生, 刘金波, 李晓文
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0228
摘要(98) HTML全文(48) PDF 4217KB(35)
摘要:
开展了多波长纳秒脉冲拉曼激光对行间转移CCD相机的损伤实验研究。分别研究了496 nm、574 nm、630 nm单波长拉曼激光与混合输出的多波长拉曼激光对CCD的点损伤、线损伤和面损伤情况,测量了不同波长拉曼激光的损伤阈值区间,并根据损伤情况统计拟合,获得了不同波长拉曼激光能量与损伤概率的关系曲线。实验结果表明:混合波长拉曼激光对CCD的损伤阈值低于单波长拉曼激光损伤阈值,不同波长拉曼激光对于CCD的损伤阈值也存在区别,其中630 nm拉曼激光的损伤阈值低于496 nm激光,574 nm激光的损伤阈值介于496 nm和630 nm拉曼激光之间。通过分析CCD不同损伤情况的显微图像,以及受损伤CCD的电子学特性,对拉曼激光损伤CCD的机理进行了探讨。
基于扫描反射镜结构的多路光开关
肖泽华, 李明宇, 苏国帅, 何泽南
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0020
摘要(171) HTML全文(66) PDF 2019KB(44)
摘要:
本文设计了一种基于扫描反射镜的光开关,使用嵌入式Linux可编程控制。在触摸显示器的UI界面上进行光纤阵列通道间的具体切换操作。此外,可以预先设定光开关的切换顺序、停留时间。光开关光路可自动对光校准来保证每个通道的输出功率最大。本文分析了此种光开关的设计原理,通过实验测试了光开关的性能。实验结果表明当使用单模光纤阵列时,平均插入损耗小于17 dB,相邻通道间的平均串扰低于30 dB,相邻通道间切换时间小于1.3 mS。对于多模光线阵列平均插入损耗小于2.4 dB。它具有低损耗、低延时、高精度、稳定性好、重复性高、通道间串扰小、人机交互良好等优点,可应用于波分复用器件,多路光波导传感器等光学器件的测试。
基于摄影测量的定日镜面形误差检测方法研究
魏秀东, 张凡, 许英朝
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0210
摘要(58) HTML全文(22) PDF 4247KB(41)
摘要:
在塔式太阳能热发电中,定日镜面形误差对镜场光学效率具有重要影响,因此需要对定日镜面形误差进行检测。定日镜一般由多个子镜拼接而成,子镜的倾斜角度误差是定日镜面形误差的重要组成部分。本文提出一种基于摄影测量的定日镜子镜倾斜角度误差的检测方法,即在已知定日镜子镜外形尺寸的条件下,利用摄影成像原理计算出定日镜子镜4个角点的空间位置坐标,进而求出子镜的法线方向,再利用所求得的法线计算出子镜的倾斜角度,最终实现对定日镜子镜倾斜角度误差的检测。详细阐述了该方法的测量原理,推导了计算公式,并利用平面镜与相机进行了相关验证实验。通过在不同距离下对不同倾斜角度的平面镜进行测量实验,得出测得的镜面倾斜角度与实际倾斜角度的偏差约为0.1°~0.3°,实验结果表明该方法能够较准确的检测定日镜子镜的倾斜角度误差,从而验证了该方法的正确性和可行性。
综述
光学系统降敏设计方法综述
孟庆宇, 秦子长, 任成明, 戚允升
2022, 15(5): 863-877.   doi: 10.37188/CO.2022-0096
摘要(86) HTML全文(71) PDF 6933KB(86)
摘要:

光学系统性能的有效实现不仅依靠成像质量的设计结果,还受制于光学加工公差、装配公差、环境公差等多种公差的可实现性。具备低误差敏感度特征的光学系统,公差精度要求宽松,可以更好地抵抗误差引起的像质退化,在降低制造成本的同时,有效地提高了光学系统的可实现性,因此降低误差敏感度是光学系统设计应考虑的重要环节。本文分析了光学系统误差敏感度研究现状,总结了典型的光学系统降敏方法,并对这些方法在光学系统设计中的应用进行概述。最后,对光学系统低误差敏感度设计方法的未来发展进行了展望。

单分子生物检测方法及应用研究进展
周文超, 李政昊, 武杰
2022, 15(5): 878-894.   doi: 10.37188/CO.2022-0129
摘要(63) HTML全文(49) PDF 7451KB(78)
摘要:

单分子生物检测技术是通过了解单分子层面上各生物分子间的动态特性,以发掘生物分子的结构与功能的高效技术。该技术的优势在于能够在单个分子上探测自由能的异质性,这是传统方法无法实现的。利用这一性能,研究人员可以解决复杂生物系统、多相催化、生物分子相互作用、酶系统和构象变化等长期存在的问题。在医疗检测方面,检测单个分子的具体信息或它们与生物因子的相互作用,不仅对癌症等各种疾病的早期诊断和治疗至关重要,而且在实时检测和精准医疗方面具有巨大的潜力。利用单分子生物检测高特异性和高精度的优势,实现对分子群中单个生物分子的实时检测,且可与阵列高通量分析相结合对临床样本进行精确诊断。本文简要介绍了单分子检测原理及其在生物传感方面的应用,在此基础上,重点概述了检测方法及相关应用,最后探讨了该研究方向的前景与发展方向。

半导体激光器侧向模式控制技术的研究进展
汪丽杰, 佟存柱, 王延靖, 陆寰宇, 张新, 田思聪, 王立军
2022, 15(5): 895-911.   doi: 10.37188/CO.2022-0143
摘要(91) HTML全文(41) PDF 4726KB(87)
摘要:

高功率半导体激光器在固体或光纤激光器泵浦、材料加工、激光雷达、空间通讯及国防等领域具有重大需求,但传统器件面临发散角大、光束质量差、亮度低的难题,限制了其直接应用。宽区半导体激光器具有输出功率和转换效率高的优点,但其侧向模式受多种物理效应的影响,高电流下激射模式数很大,导致远场宽度随电流增大迅速展宽,光束质量非常差,成为制约半导体激光亮度提高的关键瓶颈难题。因此,需要对半导体激光器的侧向模式进行控制。本文首先从半导体激光器的侧向模式影响机制出发,分析了其侧向模式特性及光场分布与器件结构的关联关系;接着,介绍了目前主要的侧向模式控制技术,通过抑制高阶模式及侧向远场展宽,实现光束质量的改善及激光亮度的提升。采用先进的侧向模式控制技术,可从芯片层次发展新型的高亮度半导体激光器,有利于拓展半导体激光器应用领域及降低应用成本,具有重要的研究意义。

基于宽禁带半导体氧化物微纳材料的紫外探测器研究进展
陈星, 周畅, 刘可为, 申德振
2022, 15(5): 912-928.   doi: 10.37188/CO.2022-0132
摘要(97) HTML全文(67) PDF 6212KB(68)
摘要:

紫外探测技术是继红外探测与激光探测技术之后的又一项军民两用探测技术,有广阔的应用前景。真空光电倍增管和Si基光电二极管是常见的商品化紫外探测器,但是真空光电倍增管易受高温和电磁辐射干扰,需要在高压下工作;而Si基光电二极管需要昂贵的滤光片。宽禁带半导体紫外探测器克服了上述两种器件面临的一些问题,成为紫外探测器研究的热点。其中宽禁带氧化物材料,具有易于制备高响应高增益器件、有丰富的微纳结构、易于制备微纳器件的特点,引起了人们的广泛关注。本文对宽禁带半导体氧化物材料的微纳结构器件进行梳理,对近年来的一些相关研究进行了综述。其中涉及的氧化物材料包括ZnO,Ga2O3,SnO2,TiO2等,涉及的器件结构包括金属-半导体-金属型器件,肖特基结型器件,异质结型器件等。

压缩光谱成像系统中物理实现架构研究综述
李云辉
2022, 15(5): 929-945.   doi: 10.37188/CO.2022-0104
摘要(42) HTML全文(16) PDF 16648KB(55)
摘要:

不同于传统点对点映射成像方式,计算光学成像通过将前端光学信号的物理调控与后端数字信号的计算处理联合起来,使图像信息获取更加高效。这种新型成像体制有望缓解传统成像技术框架下低制造成本与高性能指标间的矛盾,尤其在高维图像信息获取中呈现更显著优势。而物理器件支撑下的系统架构一直是计算光学成像发展的基石,本文针对压缩光谱成像这一子技术领域,介绍了现有可实现空间或光谱调制的光学器件,并以此为基础对多型压缩光谱成像系统架构进行了梳理、归纳,依据信息调制过程的差异,将其规整为单像素光谱成像、编码孔径光谱成像、空间-光谱双重编码光谱成像、微阵列型光谱成像与散射介质光谱成像等几类。重点阐述了多种系统架构的信息调制与采集原理,以及对光谱图像数据立方体的调制效应,并讨论了其中的共性问题。最后给出了面临的技术挑战,探讨了未来发展趋势。

长春光机所高速垂直腔面发射激光器研究进展
田思聪, 佟存柱, 王立军, Bimberg Dieter
2022, 15(5): 946-953.   doi: 10.37188/CO.2022-0136
摘要(60) HTML全文(22) PDF 7657KB(64)
摘要:

高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)是高速光通信的主要光源之一,受数据流量的迅速增长牵引,高速VCSEL正向更大带宽、更高速率方向发展。长春光机所团队通过优化VCSEL外延设计和生长、器件设计和制备、以及性能表征技术,在多个波长的高速VCSEL的调制带宽、传输速率、模式、功耗等性能方面取得了显著进展。实现高速单模940 nm VCSEL 27.65 GHz调制带宽和53 Gbit/s传输速率;通过波分复用基于850 nm、880 nm、910 nm和940 nm高速VCSEL实现200 Gbit/s链路方案;通过光子寿命优化,实现高速VCSEL低至100 fJ/bit的超低能耗;实现1030 nm高速VCSEL 25 GHz调制带宽;实现1550 nm 高速VCSEL 37 Gbit/s传输速率。研制的高速VCSEL在光通信等领域有重要应用前景。

非盲图像复原综述
杨航
2022, 15(5): 954-972.   doi: 10.37188/CO.2022-0099
摘要(122) HTML全文(45) PDF 3076KB(83)
摘要:

非盲图像复原在数学上是一种典型的病态问题,也是计算机视觉领域的重要研究内容之一,其目标是在点扩散函数已知的情况下,由模糊图像估计出清晰图像,其研究重点是在改善图像清晰度和抑制噪声之间做出适当的折衷。 近50年来,非盲图像复原取得了长足的发展,从早期的维纳滤波到当前的深度学习,学者们提出了数以百计的非盲图像复原算法,并应用在各个领域。本文首先介绍非盲图像复原的基本概念和研究意义,然后依据算法的属性对非盲图像复原算法进行分类概括,从总体上将其分为传统方法和深度学习方法,又进一步将传统方法细分为直接法和迭代法,并依据不同算法的模型特征,分析不同类别中主要算法的优缺点,同时结合多种典型实验,比较分析了一些代表性算法的复原性能,最后展望了非盲图像复原算法的发展趋势,归纳了重点研究方向。

大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述
霍银龙, 杨飞, 王富国
2022, 15(5): 973-982.   doi: 10.37188/CO.2022-0109
摘要(84) HTML全文(35) PDF 5408KB(91)
摘要:

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。

原创文章
数字域时间延迟积分CMOS遥感相机动态传函建模分析
陶淑苹, 冯钦评, 陈晓龙, 郑亮亮, 张紫玉, 高倓
2022, 15(5): 983-991.   doi: 10.37188/CO.2022-0111
摘要(28) HTML全文(15) PDF 2818KB(64)
摘要:

调制传递函数(MTF)是遥感相机的重要评价指标,但是目前对于数字域 TDI CMOS 相机动态MTF特性研究十分有限,为了深入研究其像质下降机理,结合数字域TDI CMOS成像原理,建立了像元、电子快门、曝光时间、振动引起的数字域TDI成像MTF下降数学模型。结合推导模型开展了预估分析和实验验证。结果表明:传感器的有效像元区域分布会影响图像MTF,且开口率越小影响越大;CMOS传感器的卷帘快门会导致数字域TDI成像MTF下降,卷帘速度越慢影响越严重,其中卷帘速度从6 μs变为10 μs时,对应的图像MTF从0.191下降为0.177;曝光时间越短则MTF越高,尤其当存在低频像移失配时更为明显,曝光时间从180 μs减小为100 μs时,图像MTF从0.126提高为0.155,但同时也会影响图像信噪比,因此在实际应用中应合理选择曝光时间。

基于差分传递函数法的大口径平面镜检测
安其昌, 姜晰文, 李洪文, 唐境
2022, 15(5): 992-999.   doi: 10.37188/CO.2022-0122
摘要(34) HTML全文(21) PDF 8130KB(52)
摘要:

为了实现大口径平面镜的原位检测,本文基于差分传递函数结合瑞奇康芒检测架构,利用全息检测方法结合瑞奇康芒法,通过光瞳的遮拦编码实现大口径平面镜的面形检测。首先,对基于差分传递函数法的大口径平面镜检测基本原理进行了推导,并将现有的大口径波前与重建波前进行对比。最后,利用变形镜搭建了检测光路。本文方法所得到面形与输入面形相关性不低于70%。本文的研究成果对宇宙“首光”探测以及“一黑两暗三起源”等宇宙学基础命题的研究均有十分重要的意义。

基于光机热集成分析的大规模拼接焦面误差分配
牛盛光, 郭亮, 陆振玉, 韩康
2022, 15(5): 1000-1006.   doi: 10.37188/CO.2022-0094
摘要(53) HTML全文(26) PDF 3562KB(84)
摘要:

随着空间天文、态势感知、环境监测等领域的要求越来越高,空间望远镜正在向着大视场、大口径的方向发展。大规模焦面拼接技术是大视场空间望远镜的关键技术,其主焦面平面度误差(P-V值)分配方法一般都是基于经验的直接赋值法,容易出现误差分配不合理的问题。本文提出一种拼接焦面误差分配方法,通过光机热集成分析对重要参数误差进行精确分配。以16片互补金属氧化物半导体 (CMOS)图像传感器4×4机械直接拼接焦面为例,建立了拼接焦面误差树,通过光机热集成分析方法分析了重力和温度等重要参数对拼接焦面平面度的影响,最终给出误差分配结果。分析结果表明:两种不同姿态下重力造成的平面度误差分别为0.28 μm、1.55 μm,温度造成的平面度总误差为5.5 μm,留30%余量后,确定重力和温度引起的平面度误差分配值分别为2 μm和7.2 μm。

紧凑型波长自动调谐脉冲CO2激光器
潘其坤, 苗昉晨, 司红利, 沈辉, 高飞, 于德洋, 张阔, 张冉冉, 赵崇霄, 陈飞, 郭劲
2022, 15(5): 1007-1012.   doi: 10.37188/CO.2022-0107
摘要(52) HTML全文(27) PDF 2539KB(82)
摘要:

面向机载激光差分吸收雷达对小型轻量化激光光源的应用需求,研制了紧凑型自动调谐脉冲CO2激光器。首先,研究了射频波导腔内光束和自由空间光学斩波光束孔径匹配关系,设计了具有实焦点的腔内光束变换系统,实验验证了斩波器通光孔径对激光脉冲波形的影响。其次,研究了CO2激光器的波长调谐特性,分析了相邻激光谱线光栅衍射角度差,并基于高精度电动转台和金属闪耀光栅,实现了CO2激光器波长自动调谐输出。最后,基于小型轻量化模块设计,完成了紧凑型自动调谐脉冲CO2激光器集成。实验结果表明,该激光器在1 kHz条件下运转稳定,脉冲宽度为350 ns,峰值功率为3.7 kW,在9.2~10.7 μm范围内测试到30条激光谱线,重量为18 kg,本文研究为机载激光差分吸收雷达提供了一种小型化探测光源。

515-nm大功率激光器控制系统设计
董全睿, 张振东, 王伟国, 陈涛, 陈飞
2022, 15(5): 1013-1018.   doi: 10.37188/CO.2022-0133
摘要(55) HTML全文(22) PDF 2210KB(53)
摘要:

为了实现激光器稳定且安全地输出,设计了一款基于515-nm的大功率激光器控制系统。首先,对该系统的泵浦驱动模块进行研究,利用现场可编程门阵列(FPGA)完成对模块的模拟采样并在数字信号处理(DSP)中完成计算输出,采用数字PID方式完成恒流源的闭环控制;其次,使用半导体制冷器(TEC)实现倍频晶体模块的稳定温度控制,以热敏电阻(NTC)作为反馈实现温度控制;最后,设计了激光器的人机交互系统,实现了对激光器内部状态的实时监测、判断与存储。为了验证控制系统的有效性,选择一款泵浦进行测试。实验结果表明:泵浦驱动模块能够持续稳定地工作,控制系统能够实时监测激光器的内部状态,安全可靠。倍频后的激光器输出中心波长为514.98 nm,功率可达170 W,光功率稳定度为±0.07 dB,并且控制系统的所有器件及设备均100%采用国产化,满足515-nm大功率激光器的系统设计需求。

轻小型金属基增材制造光学系统
付强, 闫磊, 谭双龙, 刘洋, 王灵杰, 张新
2022, 15(5): 1019-1028.   doi: 10.37188/CO.2022-0128
摘要(38) HTML全文(23) PDF 6336KB(75)
摘要:

为了实现用于深空低冷目标探测的长波红外折反射式光学系统的进一步轻小型、低辐射和大视场,对局部制冷光学系统、拓扑优化金属基反射镜设计、增材制造、金属基光学加工与表面改性等进行研究。首先,设计完成了紧凑型局部制冷折反射式光学系统,口径为55 mm,焦距为110 mm,视场达到4°×4°;其次,利用拓扑优化理论,设计完成了主镜组件、次镜组件和连接筒,三阶和四阶模态达到1213.7 Hz;接着,采用增材制造、单点金刚石车削、表面改性、表面镀金等手段完成前组光学元件的研制,利用定心装配工艺完成光机装调;最后,对光机装调后的系统性能进行了测试。测试结果表明:光学系统全视场范围内调制传递函数均达到衍射极限,重量仅为96.04 g。金属基增材制造方法可以作为提升光学系统性能的有效手段。

超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪设计
张璐, 李博, 李寒霜, 顾国超, 王晓旭, 邵英秋, 林冠宇, 叶新
2022, 15(5): 1029-1037.   doi: 10.37188/CO.2022-0125
摘要(48) HTML全文(20) PDF 5353KB(76)
摘要:

针对超光谱分辨率成像光谱仪多通道探测需求,本文设计了一种超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪。该成像光谱仪望远系统采用视场离轴的离轴三反结构,分光系统采用了具有小型轻量化优点的改进型Offner结构。通过对Offner光谱仪结构的理论推导,得出了满足超光谱分辨要求的双通道共光路Offner初始结构参数。为了提高成像光谱仪的成像质量,在Offner结构中引入弯月透镜,并对系统进行逐步优化。最终得到的双通道共光路成像光谱仪工作波段为280~300 nm和370~400 nm,在奈奎斯特频率为27.8 lp/mm时,双通道的调制传递函数(MTF)均优于0.8,全视场均方根半径(RMS)均小于9 μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。本文研究对天基超光谱探测成像光谱仪小型化、集成化设计具有重要意义。

用于量子传感的窄线宽无磁垂直腔面发射激光器
张星, 张建伟, 周寅利, 薛洪波, 宁永强, 王立军
2022, 15(5): 1038-1044.   doi: 10.37188/CO.2022-0135
摘要(56) HTML全文(42) PDF 4184KB(72)
摘要:

为了研制出表面微透镜集成外腔的垂直腔面发射激光器(VCSEL),实现窄线宽无磁激光输出,满足原子磁强计等量子传感器应用要求,本文设计并生长了适合于表面集成微透镜的VCSEL外延结构,完成了表面微透镜集成外腔VCSEL器件制备,在电极材料方面选取无磁材料以满足应用要求。实验结果表明:研制的VCSEL器件工作温度达到90 °C,激光波长为896.3 nm,功率为1.52 mW,边模抑制比为36.3 dB,激光线宽为38 MHz,封装为模组后的磁场强度低于0.03 nT。结果表明本文研制的窄线宽无磁VCSEL满足量子传感的应用需求。

像元映射变分辨率光谱成像重构
肖树林, 胡长虹, 高路尧, 颜克雄, 杨春吉, 李洪利
2022, 15(5): 1045-1054.   doi: 10.37188/CO.2022-0108
摘要(40) HTML全文(50) PDF 4907KB(77)
摘要:

本文讨论了随机滤光片光谱编码-解码的基本原理与重构方法,利用深度学习欠完备自编码器的自动特征提取机制,构建了高精度、低延时的像元映射变分辨率光谱成像重构网络,通过变换像元映射关系完成了2×2、4×4像元阵列光谱重构网络的并行训练。最后,利用512×512、120谱段(430 ~670 nm)的遥感光谱图像对重构网络进行验证,实现了2×2像元阵列/40谱段重构峰值信噪比达53 dB、均方误差小于0.002、重构用时0.87 s与4×4像元阵列/120谱段重构峰值信噪比达64 dB、均方误差小于10−5、重构用时0.52 s的变分辨率光谱图像重构。实验结果表明像元映射变分辨率光谱成像重构网络具备高精度、低延时的动态变换性能。

基于编码解码结构的微血管减压图像实时语义分割
白瑞峰, 江山, 孙海江, 刘心睿
2022, 15(5): 1055-1065.   doi: 10.37188/CO.2022-0120
摘要(24) HTML全文(19) PDF 4699KB(41)
摘要:

针对真彩色微血管减压图像实时语义分割网络参数量大、语义分割精度低的问题,本文提出了一种适用于微血管减压场景的U型轻量级快速语义分割网络U-MVDNet (U-Shaped Microvascular Decompression Network),该网络由编码解码结构构成。在编码器中设计了轻型非对称瓶颈模块(LABM)对上下文特征进行编码,解码器中引入了特征融合模块(FFM),有效组合高级语义特征和低级空间细节。实验结果表明:对于微血管减压测试集,U-MVDNet在单NVIDIA GTX 2080Ti上的参数量只有0.66 M,平均交并比(mIoU)达到了76.29%,速度达到140 frame/s,且当输入图像尺寸为\begin{document}$640 \times 480$\end{document}时,U-MVDNet在嵌入式平台 NVIDIA Jetson AGX Xavier上实现了实时(24 frame/s)语义分割。本文方法未使用任何的预训练模型,参数量少且推理速度快,语义分割性能优于其他对比方法,在分割精度和速度上做到了良好的平衡。同时,还可以方便地在嵌入式平台上开发和应用,性能优越,易于部署。

基于力矩促动器的镜面半主动光学支撑系统集成优化设计
张奔雷, 杨飞, 王富国, 卢保伟
2022, 15(5): 1066-1078.   doi: 10.37188/CO.2022-0121
摘要(33) HTML全文(20) PDF 6497KB(73)
摘要:

基于半主动光学技术的半主动支撑,通过力矩促动器(Warping Harness, WH)弹簧叶片将校正力转换为校正力矩,对由重力、温度等误差源引入的镜面低阶像差进行校正。针对利用传统经验设计反射镜时存在的设计缺陷,提出一种反射镜支撑系统优化设计新方法,即结合结构尺寸优化和经验设计的镜面支撑系统综合设计优化方法,并建立一套基于WH 的半主动镜面支撑系统。首先,按照经验公式设计了支撑系统初始结构;设计了一款L形镂空式WH弹簧叶片,并对其开展了非线性分析及疲劳分析,确定叶片厚度为2 mm、寿命为1.2×106次。然后,通过优化镜面支撑点位置、三角板柔节位置、支撑系统柔性件关键尺寸参数,将光轴竖直及水平状态下镜面RMS值由119 nm和106 nm分别降至13.3 nm和4.8 nm;1 °C温差状态下镜面面形差由2.8 nm降至1.9 nm;一阶谐振频率由80 Hz提升至130 Hz。最后,采用提出的方法对半主动支撑系统的校正能力进行验证。结果表明:本套半主动支撑系统对镜面离焦、初级像散、初级慧差、初级球差的校正率最高可达99%,且校正后各像差幅值均小于1 nm;室温自重状态下对镜面面形RMS值校正率最高可达46.5%;温升10°C情况下的校正率为31.28%。

1.8 m空间长条反射镜柔性支撑技术研究
李宗轩, 张昌昊, 张德福, 马斌, 李云峰
2022, 15(5): 1079-1091.   doi: 10.37188/CO.2022-0131
摘要(36) HTML全文(15) PDF 7637KB(28)
摘要:

1.8 m×0.5 m口径的长条形主反射镜是某空间离轴三反光学系统的重要光学元件,其面形精度的好坏是决定光学系统在轨成像质量的关键。为保证主镜组件结构的稳定性、可靠性及反射镜的面形精度,提出一种适用于大尺寸长条形反射镜的双轴柔性支撑结构。首先,基于运动学等效原理提出双轴柔性支撑的初始结构,建立了柔性环节刚度数学模型并研究了其刚度特性。然后,对柔性支撑的安装位置进行了参数化研究并对柔性支撑的关键尺寸进行了优化设计。最后,确定了反射镜组件的最终设计方案。仿真与试验结果表明,反射镜组件一阶固有频率为104 Hz。X/Y两个光轴分别对径向施加1 G重力时面形精度RMS值分别为4.81 nm、6.09 nm,优于λ/50(λ=632.8 nm),均满足设计要求。组件正样动力学环境试验表明,反射镜组件的动力学特性良好,柔性支撑系统稳定可靠,与仿真结果一致。目前反射镜全口径面形精度已加工至λ/30 RMS,并在此精度下进行了自重0°/180°的±1 G面形检测试验,结果显示其稳定性良好。

全景双谱段红外成像干涉光谱测量反演仪器
吕金光, 梁静秋, 赵百轩, 赵莹泽, 郑凯丰, 陈宇鹏, 王维彪, 秦余欣, 陶金
2022, 15(5): 1092-1104.   doi: 10.37188/CO.2022-0114
摘要(32) HTML全文(57) PDF 5407KB(85)
摘要:

为了满足工业污染排放及突发安全事故对在线实时监测分析仪器的迫切需求,提出了全景双谱段红外成像干涉光谱测量反演仪器。通过双通道干涉系统、双谱段成像系统及方位俯仰轴系的协同设计,实现目标场景图像光谱信息的大视场、宽谱段、高分辨率测量。首先,根据傅立叶光学理论,建立了干涉成像光谱的标量衍射理论模型;然后,基于宽带采样与窄带采样理论,对双通道干涉系统进行采样设计,并在分析干涉成像特点的基础上,对双谱段成像系统进行光学设计;最后,研制了原理样机,并开展了烟囱排放气体烟羽的遥测实验。该仪器可以实现360°×60°大视场空间场景中3~5 μm和8~12 μm中长波红外光谱范围内4 cm−1分辨率的光谱测量,满足排放监测定性识别与定量分析的应用要求。

光学系统降敏设计方法综述
孟庆宇, 秦子长, 任成明, 戚允升
2022, 15(5): 863-877.   doi: 10.37188/CO.2022-0096
摘要(86) HTML全文(71) PDF 6933KB(86)
摘要:

光学系统性能的有效实现不仅依靠成像质量的设计结果,还受制于光学加工公差、装配公差、环境公差等多种公差的可实现性。具备低误差敏感度特征的光学系统,公差精度要求宽松,可以更好地抵抗误差引起的像质退化,在降低制造成本的同时,有效地提高了光学系统的可实现性,因此降低误差敏感度是光学系统设计应考虑的重要环节。本文分析了光学系统误差敏感度研究现状,总结了典型的光学系统降敏方法,并对这些方法在光学系统设计中的应用进行概述。最后,对光学系统低误差敏感度设计方法的未来发展进行了展望。

单分子生物检测方法及应用研究进展
周文超, 李政昊, 武杰
2022, 15(5): 878-894.   doi: 10.37188/CO.2022-0129
摘要(63) HTML全文(49) PDF 7451KB(78)
摘要:

单分子生物检测技术是通过了解单分子层面上各生物分子间的动态特性,以发掘生物分子的结构与功能的高效技术。该技术的优势在于能够在单个分子上探测自由能的异质性,这是传统方法无法实现的。利用这一性能,研究人员可以解决复杂生物系统、多相催化、生物分子相互作用、酶系统和构象变化等长期存在的问题。在医疗检测方面,检测单个分子的具体信息或它们与生物因子的相互作用,不仅对癌症等各种疾病的早期诊断和治疗至关重要,而且在实时检测和精准医疗方面具有巨大的潜力。利用单分子生物检测高特异性和高精度的优势,实现对分子群中单个生物分子的实时检测,且可与阵列高通量分析相结合对临床样本进行精确诊断。本文简要介绍了单分子检测原理及其在生物传感方面的应用,在此基础上,重点概述了检测方法及相关应用,最后探讨了该研究方向的前景与发展方向。

半导体激光器侧向模式控制技术的研究进展
汪丽杰, 佟存柱, 王延靖, 陆寰宇, 张新, 田思聪, 王立军
2022, 15(5): 895-911.   doi: 10.37188/CO.2022-0143
摘要(91) HTML全文(41) PDF 4726KB(87)
摘要:

高功率半导体激光器在固体或光纤激光器泵浦、材料加工、激光雷达、空间通讯及国防等领域具有重大需求,但传统器件面临发散角大、光束质量差、亮度低的难题,限制了其直接应用。宽区半导体激光器具有输出功率和转换效率高的优点,但其侧向模式受多种物理效应的影响,高电流下激射模式数很大,导致远场宽度随电流增大迅速展宽,光束质量非常差,成为制约半导体激光亮度提高的关键瓶颈难题。因此,需要对半导体激光器的侧向模式进行控制。本文首先从半导体激光器的侧向模式影响机制出发,分析了其侧向模式特性及光场分布与器件结构的关联关系;接着,介绍了目前主要的侧向模式控制技术,通过抑制高阶模式及侧向远场展宽,实现光束质量的改善及激光亮度的提升。采用先进的侧向模式控制技术,可从芯片层次发展新型的高亮度半导体激光器,有利于拓展半导体激光器应用领域及降低应用成本,具有重要的研究意义。

基于宽禁带半导体氧化物微纳材料的紫外探测器研究进展
陈星, 周畅, 刘可为, 申德振
2022, 15(5): 912-928.   doi: 10.37188/CO.2022-0132
摘要(97) HTML全文(67) PDF 6212KB(68)
摘要:

紫外探测技术是继红外探测与激光探测技术之后的又一项军民两用探测技术,有广阔的应用前景。真空光电倍增管和Si基光电二极管是常见的商品化紫外探测器,但是真空光电倍增管易受高温和电磁辐射干扰,需要在高压下工作;而Si基光电二极管需要昂贵的滤光片。宽禁带半导体紫外探测器克服了上述两种器件面临的一些问题,成为紫外探测器研究的热点。其中宽禁带氧化物材料,具有易于制备高响应高增益器件、有丰富的微纳结构、易于制备微纳器件的特点,引起了人们的广泛关注。本文对宽禁带半导体氧化物材料的微纳结构器件进行梳理,对近年来的一些相关研究进行了综述。其中涉及的氧化物材料包括ZnO,Ga2O3,SnO2,TiO2等,涉及的器件结构包括金属-半导体-金属型器件,肖特基结型器件,异质结型器件等。

压缩光谱成像系统中物理实现架构研究综述
李云辉
2022, 15(5): 929-945.   doi: 10.37188/CO.2022-0104
摘要(42) HTML全文(16) PDF 16648KB(55)
摘要:

不同于传统点对点映射成像方式,计算光学成像通过将前端光学信号的物理调控与后端数字信号的计算处理联合起来,使图像信息获取更加高效。这种新型成像体制有望缓解传统成像技术框架下低制造成本与高性能指标间的矛盾,尤其在高维图像信息获取中呈现更显著优势。而物理器件支撑下的系统架构一直是计算光学成像发展的基石,本文针对压缩光谱成像这一子技术领域,介绍了现有可实现空间或光谱调制的光学器件,并以此为基础对多型压缩光谱成像系统架构进行了梳理、归纳,依据信息调制过程的差异,将其规整为单像素光谱成像、编码孔径光谱成像、空间-光谱双重编码光谱成像、微阵列型光谱成像与散射介质光谱成像等几类。重点阐述了多种系统架构的信息调制与采集原理,以及对光谱图像数据立方体的调制效应,并讨论了其中的共性问题。最后给出了面临的技术挑战,探讨了未来发展趋势。

长春光机所高速垂直腔面发射激光器研究进展
田思聪, 佟存柱, 王立军, Bimberg Dieter
2022, 15(5): 946-953.   doi: 10.37188/CO.2022-0136
摘要(60) HTML全文(22) PDF 7657KB(64)
摘要:

高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)是高速光通信的主要光源之一,受数据流量的迅速增长牵引,高速VCSEL正向更大带宽、更高速率方向发展。长春光机所团队通过优化VCSEL外延设计和生长、器件设计和制备、以及性能表征技术,在多个波长的高速VCSEL的调制带宽、传输速率、模式、功耗等性能方面取得了显著进展。实现高速单模940 nm VCSEL 27.65 GHz调制带宽和53 Gbit/s传输速率;通过波分复用基于850 nm、880 nm、910 nm和940 nm高速VCSEL实现200 Gbit/s链路方案;通过光子寿命优化,实现高速VCSEL低至100 fJ/bit的超低能耗;实现1030 nm高速VCSEL 25 GHz调制带宽;实现1550 nm 高速VCSEL 37 Gbit/s传输速率。研制的高速VCSEL在光通信等领域有重要应用前景。

非盲图像复原综述
杨航
2022, 15(5): 954-972.   doi: 10.37188/CO.2022-0099
摘要(122) HTML全文(45) PDF 3076KB(83)
摘要:

非盲图像复原在数学上是一种典型的病态问题,也是计算机视觉领域的重要研究内容之一,其目标是在点扩散函数已知的情况下,由模糊图像估计出清晰图像,其研究重点是在改善图像清晰度和抑制噪声之间做出适当的折衷。 近50年来,非盲图像复原取得了长足的发展,从早期的维纳滤波到当前的深度学习,学者们提出了数以百计的非盲图像复原算法,并应用在各个领域。本文首先介绍非盲图像复原的基本概念和研究意义,然后依据算法的属性对非盲图像复原算法进行分类概括,从总体上将其分为传统方法和深度学习方法,又进一步将传统方法细分为直接法和迭代法,并依据不同算法的模型特征,分析不同类别中主要算法的优缺点,同时结合多种典型实验,比较分析了一些代表性算法的复原性能,最后展望了非盲图像复原算法的发展趋势,归纳了重点研究方向。

大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述
霍银龙, 杨飞, 王富国
2022, 15(5): 973-982.   doi: 10.37188/CO.2022-0109
摘要(84) HTML全文(35) PDF 5408KB(91)
摘要:

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。

光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器研究进展
李爱武, 单天奇, 国旗, 潘学鹏, 刘善仁, 陈超, 于永森
2022, 15(4): 609-624.   doi: 10.37188/CO.2021-0219
摘要(405) HTML全文(179) PDF 6387KB(201)
摘要:

光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高、耐高温和抗电磁干扰等优点,广泛应用于航空航天、能源工业及环境监测等领域。本文首先介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的传感原理、传感性能、传感特性和制备方法。然后对其温度、压力和应变的灵敏度和测量范围等特征参数进行了归纳。总结了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的国内外研究进展及性能参数。介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪传感器温度和压力的交叉敏感问题及解决方法和基于不同种类光纤的法布里-珀罗干涉仪高温传感特性。针对近几年光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的研究进展,介绍了多种用于双参数测量的光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器。最后对光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的未来发展趋势和前景进行了展望。

非线性光限幅材料原理、性能表征及研究进展
吕泽, 方佑, 冯迢, 宗楠, 李云飞, 张申金, 谢政, 彭钦军
2022, 15(4): 625-639.   doi: 10.37188/CO.2021-0195
摘要(387) HTML全文(209) PDF 6386KB(152)
摘要:

激光防护材料在保护人眼和光学器件免受强激光破坏方面具有重要意义,其中基于非线性光学原理工作的固态光限幅材料有望成为未来激光防护的主体。本文介绍了光限幅材料的研究背景、工作机理、参数指标以及测试技术,综述了目前具有实用前景的多类光限幅材料的研究进展,对无机半导体材料、共轭有机高分子、无机金属团簇、碳纳米材料、二维材料等5类材料做了重点介绍,探讨这些光限幅材料的发展前景,并介绍了相关材料在固态基质中器件化的研究现状。

聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜非线性光学研究进展
刘勇, 刘卫国, 牛小玲, 惠迎雪, 戴中华, 王之恒, 郭文浩
2022, 15(4): 640-659.   doi: 10.37188/CO.2021-0191
摘要(222) HTML全文(109) PDF 6400KB(81)
摘要:

聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物薄膜拥有极佳的电活性、较高的衍射效率、显著的非线性光学效应,广泛应用于光电转换、光调控、光开关等光电功能器件等。本文简要介绍了近年来PVDF及其共聚物薄膜非线性光学研究方面的主要进展,指出该类薄膜共混、纳米掺杂、超薄化的发展方向。同时指出需从第一性原理-光子带隙计算着手研究其非线性光学性质,以高灵敏度Z-扫描及马克条纹法结合椭偏为主要测量方式。本综述将为该类薄膜的非线性光学研究及制备提供一定的参考。

太赫兹超分辨率成像研究进展
曹丙花, 张宇盟, 范孟豹, 孙凤山, 刘林
2022, 15(3): 405-417.   doi: 10.37188/CO.2021-0198
摘要(1185) HTML全文(406) PDF 5252KB(353)
摘要:
目前太赫兹(Terahertz, THz)成像技术在许多领域被视为最前沿技术之一,经过20年的发展,取得了巨大进步。随着科研、医疗、军事以及工业应用需求的增长,高分辨率THz图像变得不可或缺。超分辨率成像是目前THz技术的研究热点。本文首先回顾了THz系统的成像方法,包括连续波成像与脉冲波成像两种方式;在此基础上,详细介绍了THz超分辨率成像系统与THz信号处理技术,其中超分辨率成像系统包括近场成像、超透镜以及太喷射装置等,THz信号处理技术包括超分辨率重建与卷积计算等;最后,通过分析目前超分辨率成像存在的不足,比如系统的制造工艺要求高、采集速度慢以及重建图像使用的学习样本分辨率较低等,从而进一步对超分辨率成像研究方向进行展望。
非球面光学元件面型检测技术研究进展与最新应用
梁子健, 杨甬英, 赵宏洋, 刘圣安
2022, 15(2): 161-186.   doi: 10.37188/CO.2021-0143
摘要(1283) HTML全文(506) PDF 5743KB(380)
摘要:
非球面光学元件,特别是其中的自由曲面元件,在设计自由度上相比于球面具有很大的优势,基于非球面构建的光学系统能够以简单的光机结构实现复杂的设计目的。面型检测技术是保障光学非球面加工精度的关键,针对不同种类的非球面以及非球面加工的不同阶段对检测指标要求的多样性,现已发展出了种类繁多的检测方法。本文回顾了非球面光学元件面型检测技术的发展历程,分非干涉法与干涉法两大类整理了常用的检测技术,介绍了各自的技术指标与适用条件、研究进展与应用情况。本文重点讨论了基于干涉方法的非球面精密检测技术,举例说明了非零位与零位两条技术路线下各检测方法的基本原理、光路结构与检测能力,对比分析了各方法的优缺点与适用范围,介绍了一些配套算法以及检测光路的精密调节方法。
氧化型垂直腔面发射激光器的常见失效模式和机理分析
张玉岐, 左致远, 阚强, 赵佳
2022, 15(2): 187-209.   doi: 10.37188/CO.EN.2021-0012
摘要(974) HTML全文(446) PDF 7522KB(276)
摘要:
氧化型垂直腔面发射激光器(VCSEL)在高速光通信中有着广泛的应用,应用过程中的可靠性是一个非常重要的指标,要求有高寿命和低失效率。为了更好地了解VCSEL在应用过程中的失效模式和机理,提升器件的可靠性,本文从器件设计、加工制造和应用过程等3个环节总结分析了氧化型VCSEL的常见失效模式、产生原因和机理,并提出了适当的改善措施和建议。其中,对氧化应力、静电放电和湿气腐蚀这3个主要失效因素进行了更为详细的分析。基于以上对业界研究工作的总结和分析,最后对实际工作中遇到的VCSEL失效案例进行简单的介绍,为VCSEL学者、研发设计、制造和使用人员提供一个较为全面的失效分析案例库。
三维点云数据超分辨率技术
毕勇, 潘鸣奇, 张硕, 高伟男
2022, 15(2): 210-223.   doi: 10.37188/CO.2021-0176
摘要(773) HTML全文(324) PDF 6613KB(196)
摘要:
随着机器视觉技术的发展,如何准确、高效地对真实世界进行精确记录与建模已成为热点问题。由于硬件条件的限制,通常采集到的点云数据分辨率较低,无法满足实际应用需求,因此有必要对点云数据超分辨率技术进行研究。本文介绍三维点云数据超分辨率技术的意义、进展及评价方法,并对经典超分辨率算法和基于机器学习的超分辨率算法分别进行梳理,总结了目前方法的特点,指出了目前点云数据超分辨率技术中存在的主要问题及面临的挑战,最后展望了点云数据超分辨率技术的发展方向。
铌酸锂薄膜调制器的研究进展
刘海锋, 郭宏杰, 谭满清, 李智勇
2022, 15(1): 1-13.   doi: 10.37188/CO.2021-0115
摘要(1691) HTML全文(912) PDF 3910KB(585)
摘要:
铌酸锂薄膜调制器具有体积小、带宽高、半波电压低的优点,在光纤通讯和光纤传感领域具有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文梳理了铌酸锂薄膜调制器的波导结构、耦合结构、电极结构的研究进展,总结了LN薄膜波导的制备工艺,并深入分析了不同结构调制器的性能。基于SOI和LNOI结构,薄膜调制器实现了VπL<2 V∙cm,双锥形耦合方案实现了耦合损耗<0.5 dB/facet,行波电极结构实现了调制带宽>100 GHz。铌酸锂薄膜调制器的性能在大多数方面优于目前商用铌酸锂调制器,随着波导工艺进一步提升,将成为铌酸锂调制器的热门方案。最后对铌酸锂薄膜调制器的发展趋势和应用前景进行了展望。
面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器
胡思奇, 田睿娟, 甘雪涛
2021, 14(5): 1039-1055.   doi: 10.37188/CO.2021-0003
摘要(2484) HTML全文(881) PDF 10280KB(525)
摘要:
二维材料因其独特的结构和优异的电子和光电性能,为硅基光电子集成器件提供了新的发展机遇。近年来,面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器已被广泛研究。本文梳理了构建光电探测器的几种二维材料基本特性及其探测机制,回顾了基于二维材料的硅光子集成光电探测器研究进展,总结了其器件结构和主要性能指标。最后,讨论了进一步提升硅光子集成二维材料光电探测器性能的策略,包括大规模二维材料集成器件的制备、器件结构与金属接触界面的优化以及新兴二维材料光电探测器的探索,以期推动二维材料在硅基光电子混合集成探测器领域的商业化应用。
光学频率梳的相干合成研究进展
马骏超, 孟丽丽, 张瑞雪, 卓笑, 倪凯, 吴冠豪, 孙栋
2021, 14(5): 1056-1068.   doi: 10.37188/CO.2021-0071
摘要(1041) HTML全文(350) PDF 5700KB(223)
摘要:
光学频率梳(光频梳)具有脉冲宽度窄、频率精度高、频率梳齿稳定以及相干性好等优良的时频域特性,近年来成为超快激光技术及计量科学等领域的研究热点,并发展成为一种重要的科研工具。近期,一类基于光频梳相干合成的新型光源,可实现对光的偏振或轨道角动量进行射频波段的周期性且高速稳定的调制。本文从光频梳的基本概念出发,分别就偏振调制和轨道角动量调制两个方面,详细介绍了基于光频梳相干合成新型光源的基本原理、实验技术以及表征手段等的最新研究进展。最后简要讨论光频梳相干合成技术在固体光谱学、光学操控、光与物质相互作用等领域的应用前景。
可调微纳滤波结构的研究进展
余晓畅, 许雅晴, 蔡佳辰, 袁梦琦, 高博, 虞益挺
2021, 14(5): 1069-1088.   doi: 10.37188/CO.2021-0044
摘要(1313) HTML全文(562) PDF 12124KB(202)
摘要:
传统的光谱成像系统体积较大、工作模式固定,难以满足日益复杂的应用需要。可调微纳滤波结构赋予了微型光谱成像系统轻量、灵活的独特优势,有望实现自适应、智能化的技术目标。本文综述了近些年来国内外已有的可调滤波方法和工作原理;论述了采用液晶及其他相变材料、诱导化学反应等静态式的可调方法,珐珀腔、微纳可调光栅等动态式的滤波结构以及机械拉伸、静电驱动、光驱动等实现手段;介绍了基于微流控芯片、石墨烯实现可调滤波的前沿工作;探讨了可调微纳滤波芯片面临的难题、挑战和未来的发展趋势。
弹性发射光学制造技术研究进展
李佳慧, 侯溪, 张云, 王佳, 钟显云
2021, 14(5): 1089-1103.   doi: 10.37188/CO.2021-0022
摘要(960) HTML全文(358) PDF 7589KB(164)
摘要:
深紫外光刻、极紫外光刻和先进光源等现代光学工程需求牵引先进光学制造技术持续发展,要求超光滑光学元件表面粗糙度达到原子级水平以及表面全频段面形误差达到RMS(Root Mean Square)亚纳米量级甚至几十皮米,推动超光滑光学元件制造要求不断逼近物理极限。目前,对于如何实现上述超高精度要求的超光滑加工技术及装备仍然存在技术挑战。尤其对如何实现柱面,椭球面,超环面等复杂曲面的原子量级超光滑加工仍是国内外前沿研究方向。弹性发射加工技术是一种去除函数稳定,超低亚表面缺陷,面向原子级的超光滑加工方法,可以作为加工上述精度要求光学元件的手段。本文总结了弹性发射加工技术的国内外研究现状及最新进展,归纳了弹性发射加工技术的原理,包含流体特性、抛光颗粒运动特性和化学特性,弹性发射加工装备,影响弹性发射加工技术表面粗糙度提升和材料去除效率的因素,分析了弹性发射加工技术面临的问题,展望了未来的发展方向,期望为弹性发射加工技术进一步发展和应用提供一定的参考。

主管: 中国科学院

主办:  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

主编: 王家骐 院士

ISSN 2097-1842

CN 22-1431/O4

CODEN ZGHUC8

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