2012年 5卷 第3期
2012, 5(3): 203-208.
doi: 10.3788/CO.20120503.0203
摘要
PDF 978KB
摘要:
利用高温固相法制备了全色单一白光BaMg2Al6Si9O30∶ Eu2+,Tb3+,Mn2+荧光粉。通过对其荧光光谱,能量传递效率,以及荧光寿命的研究,证实了Eu2+-Mn2+和Eu2+-Tb3+之间存在能量传递。在此体系中,白光由450,540和610 nm的3个谱带组成,分别来源于Eu2+,Tb3+,Mn2+ 的发射。通过控制Tb3+/Mn2+ 的相对含量,可以得到色坐标为(0.31,0.30),显色指数为90,色温为5 374 K的白光。因此,该单一白光荧光粉在白光照明领域具有潜在的应用前景。
利用高温固相法制备了全色单一白光BaMg2Al6Si9O30∶ Eu2+,Tb3+,Mn2+荧光粉。通过对其荧光光谱,能量传递效率,以及荧光寿命的研究,证实了Eu2+-Mn2+和Eu2+-Tb3+之间存在能量传递。在此体系中,白光由450,540和610 nm的3个谱带组成,分别来源于Eu2+,Tb3+,Mn2+ 的发射。通过控制Tb3+/Mn2+ 的相对含量,可以得到色坐标为(0.31,0.30),显色指数为90,色温为5 374 K的白光。因此,该单一白光荧光粉在白光照明领域具有潜在的应用前景。
2012, 5(3): 209-221.
doi: 10.3788/CO.20120503.0209
摘要:
集成成像三维显示技术是利用透镜阵列获取和显示立体图像的一种三维显示技术。本文首先综述了集成成像三维显示系统的特点,考虑其系统性能主要受分辨率、景深和观看视场角的限制,对近年来集成成像三维显示系统在增大分辨率、景深和观看视场角方面的研究进展做了综合论述,比较分析了各种改进方法的优劣。最后,对我国集成成像三维显示技术的研究现状进行了总结,并简述了本研究小组在该领域取得的若干研究成果。
集成成像三维显示技术是利用透镜阵列获取和显示立体图像的一种三维显示技术。本文首先综述了集成成像三维显示系统的特点,考虑其系统性能主要受分辨率、景深和观看视场角的限制,对近年来集成成像三维显示系统在增大分辨率、景深和观看视场角方面的研究进展做了综合论述,比较分析了各种改进方法的优劣。最后,对我国集成成像三维显示技术的研究现状进行了总结,并简述了本研究小组在该领域取得的若干研究成果。
2012, 5(3): 222-228.
doi: 10.3788/CO.20120503.0222
摘要:
针对空间遥感器中大口径主镜的轻量化结构设计引入了基于Kriging近似模型的多目标遗传优化方法,以2 m口径SiC主镜为例对其轻量化结构参数进行了优化设计。采用拉丁超立方法对优化参数进行试验设计,建立了Kriging模型,并用多目标遗传算法迭代求得了最优解。优化后得到了质量为243 kg的2 m口径SiC主镜,其面形精度达到了25.7 nm PV,4.7 nm RMS,轻量化率为84%。 试验结果验证了此优化设计方法的可行性,为大口径主镜的轻量化结构参数优化设计提供了借鉴和参考。
针对空间遥感器中大口径主镜的轻量化结构设计引入了基于Kriging近似模型的多目标遗传优化方法,以2 m口径SiC主镜为例对其轻量化结构参数进行了优化设计。采用拉丁超立方法对优化参数进行试验设计,建立了Kriging模型,并用多目标遗传算法迭代求得了最优解。优化后得到了质量为243 kg的2 m口径SiC主镜,其面形精度达到了25.7 nm PV,4.7 nm RMS,轻量化率为84%。 试验结果验证了此优化设计方法的可行性,为大口径主镜的轻量化结构参数优化设计提供了借鉴和参考。
2012, 5(3): 229-234.
doi: 10.3788/CO.20120503.0229
摘要:
针对1.2 m轻量化SiC主镜,提出了轴向支撑采用18点Whiffle-tree结构结合压杆结构,侧向支撑采用A-Frame柔性机构结合切向支撑机构的支撑方案。从原理上对该主镜支撑方案进行了分析,说明了采用以上两种结构的优点;通过有限元方法对各个机构参数进行了分析、优化,并对整体结构进行了静力学以及热学仿真。实验显示:在参考温度下主镜面形精度(RMS)值为3.5 nm;温差达到40 ℃时,RMS值为11.1 nm。该设计方案满足了1.2 m轻量化SiC主镜的支撑要求,同时可以很好地抵消热应力对主镜的影响。
针对1.2 m轻量化SiC主镜,提出了轴向支撑采用18点Whiffle-tree结构结合压杆结构,侧向支撑采用A-Frame柔性机构结合切向支撑机构的支撑方案。从原理上对该主镜支撑方案进行了分析,说明了采用以上两种结构的优点;通过有限元方法对各个机构参数进行了分析、优化,并对整体结构进行了静力学以及热学仿真。实验显示:在参考温度下主镜面形精度(RMS)值为3.5 nm;温差达到40 ℃时,RMS值为11.1 nm。该设计方案满足了1.2 m轻量化SiC主镜的支撑要求,同时可以很好地抵消热应力对主镜的影响。
2012, 5(3): 235-241.
doi: 10.3788/CO.20120503.0235
摘要:
为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明:在25~40 ℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差＜0.5 ℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。
为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明:在25~40 ℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差＜0.5 ℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。
2012, 5(3): 242-247.
doi: 10.3788/CO.20120503.0242
摘要:
设计了一种基于激光图像跟踪的激光雷达系统来实现目标的跟踪测量。该系统通过激光光束二维扫描,形成包含距离和角度信息的三维图像,由测量视场内运动目标的几何中心与视场中心的角度偏差获得脱靶量,利用脱靶量驱动伺服机构使目标几何中心处于雷达扫描视场中心,从而实现目标的实时跟踪,并输出目标距离和角度信息。实测结果表明:采用设计的激光雷达系统对距离900 m的目标进行测量,测距精度优于0.25 m,角跟踪精度优于0.07,角跟踪能力优于1.2()/s,实现了快速捕获目标、高精度跟踪测量和系统小型化等既定目标。
设计了一种基于激光图像跟踪的激光雷达系统来实现目标的跟踪测量。该系统通过激光光束二维扫描,形成包含距离和角度信息的三维图像,由测量视场内运动目标的几何中心与视场中心的角度偏差获得脱靶量,利用脱靶量驱动伺服机构使目标几何中心处于雷达扫描视场中心,从而实现目标的实时跟踪,并输出目标距离和角度信息。实测结果表明:采用设计的激光雷达系统对距离900 m的目标进行测量,测距精度优于0.25 m,角跟踪精度优于0.07,角跟踪能力优于1.2()/s,实现了快速捕获目标、高精度跟踪测量和系统小型化等既定目标。
2012, 5(3): 248-256.
doi: 10.3788/CO.20120503.0248
摘要:
为改善小目标识别的滤噪效果并提高其信噪比,构造了新的阈值函数并采用局部方差估计法来计算阈值对小目标进行去噪处理。对小波分解层次中各高频子带选取不同的阈值,其中大于阈值的小波系数采用改进的双曲线函数作为阈值函数,小于阈值的小波系数采用指数函数与对数函数相互组合的方式作为阈值函数。对采用的阈值函数进行了理论推导,并与软、硬阈值法进行了实验对比。计算机仿真结果表明:经本文阈值法处理后,信噪比相对于含噪图像提高了70.8%,而软、硬阈值法分别提高了49.8%和59.7%。光学实验进一步证实:该方法能更有效地提高信噪比,增强联合变换相关器对于小目标的识别能力。
为改善小目标识别的滤噪效果并提高其信噪比,构造了新的阈值函数并采用局部方差估计法来计算阈值对小目标进行去噪处理。对小波分解层次中各高频子带选取不同的阈值,其中大于阈值的小波系数采用改进的双曲线函数作为阈值函数,小于阈值的小波系数采用指数函数与对数函数相互组合的方式作为阈值函数。对采用的阈值函数进行了理论推导,并与软、硬阈值法进行了实验对比。计算机仿真结果表明:经本文阈值法处理后,信噪比相对于含噪图像提高了70.8%,而软、硬阈值法分别提高了49.8%和59.7%。光学实验进一步证实:该方法能更有效地提高信噪比,增强联合变换相关器对于小目标的识别能力。
2012, 5(3): 257-262.
doi: 10.3788/CO.20120503.0257
摘要:
为了识别空间目标与气球诱饵,提出了基于光谱角时序不变性的红外目标识别方法。通过分析证实了空间目标与气球诱饵在温度时变特性上存在差异。为了反映目标测量功率温度时变本质,消除传感器与目标距离以及等效投影面积的时变耦合对测量功率的影响,提出了利用时序光谱角作为光谱向量的时序变化量度。该量度能够刻画光谱曲线的时序变化,反演物体温度时变特性,可以作为温度时变特性不同的目标和诱饵之间聚类识别的有效判据。仿真结果表明:该方法能够有效识别空间目标与气球诱饵;通过融合时序光谱特征,为空间目标识别提供了一种新的机制。
为了识别空间目标与气球诱饵,提出了基于光谱角时序不变性的红外目标识别方法。通过分析证实了空间目标与气球诱饵在温度时变特性上存在差异。为了反映目标测量功率温度时变本质,消除传感器与目标距离以及等效投影面积的时变耦合对测量功率的影响,提出了利用时序光谱角作为光谱向量的时序变化量度。该量度能够刻画光谱曲线的时序变化,反演物体温度时变特性,可以作为温度时变特性不同的目标和诱饵之间聚类识别的有效判据。仿真结果表明:该方法能够有效识别空间目标与气球诱饵;通过融合时序光谱特征,为空间目标识别提供了一种新的机制。
2012, 5(3): 263-269.
doi: 10.3788/CO.20120503.0263
摘要:
为了能够对非球面光学元件面型进行高精度的干涉检测,提出了一种确定最佳入射球面波和最佳参考球面波的新方法。该方法通过计算分析入射球面波与非球面反射波干涉条纹密度,确定最佳入射球面波的波源位置;通过计算分析在干涉图记录平面CCD上干涉条纹的密度,确定非球面检测时参考球面波波源的最佳位置。应用该理论与方法,不仅可明确非球面检测时CCD等光路元件选型的具体策略,而且可用于指导非球面检测调试过程,并能够通过对干涉图的深入分析,获得更多被测非球面的信息。
为了能够对非球面光学元件面型进行高精度的干涉检测,提出了一种确定最佳入射球面波和最佳参考球面波的新方法。该方法通过计算分析入射球面波与非球面反射波干涉条纹密度,确定最佳入射球面波的波源位置;通过计算分析在干涉图记录平面CCD上干涉条纹的密度,确定非球面检测时参考球面波波源的最佳位置。应用该理论与方法,不仅可明确非球面检测时CCD等光路元件选型的具体策略,而且可用于指导非球面检测调试过程,并能够通过对干涉图的深入分析,获得更多被测非球面的信息。
2012, 5(3): 270-276.
doi: 10.3788/CO.20120503.0270
摘要:
针对可见/近红外宽谱段光谱仪探测器窗口的使用要求,选择TiO2、M1和SiO2分别作为高、中、低折射率镀膜材料,通过不同方案对膜系进行了优化设计和比较。采用电子束蒸发兼离子束辅助沉积技术,通过不断调整工艺参数,得到了光学性能优良、制备重复性好、牢固度强且致密的可见近红外宽带增透膜。该增透膜在(65010) nm、900~1 100 nm和(147010) nm三波段内平均透过率99%,在620~1 550 nm宽波段内整体平均透射率97%,满足了光谱仪探测器窗口的实际使用要求。
针对可见/近红外宽谱段光谱仪探测器窗口的使用要求,选择TiO2、M1和SiO2分别作为高、中、低折射率镀膜材料,通过不同方案对膜系进行了优化设计和比较。采用电子束蒸发兼离子束辅助沉积技术,通过不断调整工艺参数,得到了光学性能优良、制备重复性好、牢固度强且致密的可见近红外宽带增透膜。该增透膜在(65010) nm、900~1 100 nm和(147010) nm三波段内平均透过率99%,在620~1 550 nm宽波段内整体平均透射率97%,满足了光谱仪探测器窗口的实际使用要求。
2012, 5(3): 277-282.
doi: 10.3788/CO.20120503.0277
摘要:
以热辐射谱的温度反演为例,介绍了光谱技术在强激光毁伤过程中的应用。利用自制的高速光谱测量系统,实时采集了毁伤过程中的辐射光谱,基于普朗克黑体辐射原理,反演了毁伤区的温度,并应用主成分回归算法,计算得到了毁伤区的温度分布,实现了强激光辐照靶材过程中瞬态温度和温度分布的测量。光谱测量区在200~1 000 nm时,所对应的温度反演为700~6 000 ℃。
以热辐射谱的温度反演为例,介绍了光谱技术在强激光毁伤过程中的应用。利用自制的高速光谱测量系统,实时采集了毁伤过程中的辐射光谱,基于普朗克黑体辐射原理,反演了毁伤区的温度,并应用主成分回归算法,计算得到了毁伤区的温度分布,实现了强激光辐照靶材过程中瞬态温度和温度分布的测量。光谱测量区在200~1 000 nm时,所对应的温度反演为700~6 000 ℃。
2012, 5(3): 283-288.
doi: 10.3788/CO.20120503.0283
摘要:
采用谐振腔内插入声光调制器(AOM)的方法获得了小型CO2激光器的高重频、窄脉宽、高峰值功率输出。通过分析CO2激光器声光调Q的工作原理,利用基于小信号增益和饱和光强的耦合输出数学模型给出了激光器最佳输出镜透过率的数值解,并运用相关实验装置对该数学模型进行了实验验证。理论分析和实验结果均表明:该声光调Q CO2激光器的最佳输出镜透过率为39%。研究了激光器输出性能随脉冲重复频率的变化规律,当脉冲重复频率＞1 kHz时,激光器输出峰值功率下降,这与CO2分子上能级寿命有关,并受声光调Q开关热效应的影响。实验中获得的激光器脉冲频率在1 Hz~100 kHz可调。在脉冲频率为1 kHz时,获得的激光脉冲宽度为156 ns,脉冲峰值功率为10 kW,且稳定性较好,非常适合于作激光与物质相互作用的光源。
采用谐振腔内插入声光调制器(AOM)的方法获得了小型CO2激光器的高重频、窄脉宽、高峰值功率输出。通过分析CO2激光器声光调Q的工作原理,利用基于小信号增益和饱和光强的耦合输出数学模型给出了激光器最佳输出镜透过率的数值解,并运用相关实验装置对该数学模型进行了实验验证。理论分析和实验结果均表明:该声光调Q CO2激光器的最佳输出镜透过率为39%。研究了激光器输出性能随脉冲重复频率的变化规律,当脉冲重复频率＞1 kHz时,激光器输出峰值功率下降,这与CO2分子上能级寿命有关,并受声光调Q开关热效应的影响。实验中获得的激光器脉冲频率在1 Hz~100 kHz可调。在脉冲频率为1 kHz时,获得的激光脉冲宽度为156 ns,脉冲峰值功率为10 kW,且稳定性较好,非常适合于作激光与物质相互作用的光源。
2012, 5(3): 289-295.
doi: 10.3788/CO.20120503.0289
摘要:
为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换(FFT)和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。
为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换(FFT)和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。
2012, 5(3): 296-301.
doi: 10.3788/CO.20120503.0296
摘要:
针对现有液晶光栅器件存在的光栅常数不能变化、电极尖端放电、边缘效应等缺点,设计了一种可转换光栅常数的液晶光栅。通过控制不同导电区的通断电,使液晶光栅不同区域产生透光与不透光,实现光栅常数的转换;液晶光栅梳状电极端部的圆弧状设计,避免了尖端放电现象,减小了边缘效应的影响。以He-Ne激光为光源,用WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪对所设计的液晶光栅器件进行了测量,结果表明:通过控制导电区的变化实现了光栅常数的转变,在2~3.4 V电压驱动下,具有3种不同光栅常数的液晶光栅的1级衍射光强逐渐增强,且其衍射光强的差值不断增大,达到了预期设计目的。设计的液晶光栅在视差栅栏、光栅尺等方面有好的应用前景。
针对现有液晶光栅器件存在的光栅常数不能变化、电极尖端放电、边缘效应等缺点,设计了一种可转换光栅常数的液晶光栅。通过控制不同导电区的通断电,使液晶光栅不同区域产生透光与不透光,实现光栅常数的转换;液晶光栅梳状电极端部的圆弧状设计,避免了尖端放电现象,减小了边缘效应的影响。以He-Ne激光为光源,用WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪对所设计的液晶光栅器件进行了测量,结果表明:通过控制导电区的变化实现了光栅常数的转变,在2~3.4 V电压驱动下,具有3种不同光栅常数的液晶光栅的1级衍射光强逐渐增强,且其衍射光强的差值不断增大,达到了预期设计目的。设计的液晶光栅在视差栅栏、光栅尺等方面有好的应用前景。
2012, 5(3): 302-309.
doi: 10.3788/CO.20120503.0302
摘要:
研究了一种极紫外波段微通道板(MCP)光子计数探测器,用于探测地球等离子体层中极微弱的30.4 nm辐射。通过改变电压、温度等参数对比了该微通道板光子计数探测器的暗噪声和分辨率的变化。结果表明:微通道板探测器的暗噪声主要来源于残余气体离子反馈和热噪声,因此要降低探测器暗噪声,应对微通道进行彻底的预处理除气,并尽量避免探测器在高温状态下工作,常温下经过预处理的微通道板光子探测系统的暗计数率仅为0.34 count/(scm2)。系统的分辨率主要受电压和计数率的影响,受温度影响不明显。由于不同的微通道板有不同的耐压范围,过小或过大的电压或计数率都会造成系统分辨率的降低。
研究了一种极紫外波段微通道板(MCP)光子计数探测器,用于探测地球等离子体层中极微弱的30.4 nm辐射。通过改变电压、温度等参数对比了该微通道板光子计数探测器的暗噪声和分辨率的变化。结果表明:微通道板探测器的暗噪声主要来源于残余气体离子反馈和热噪声,因此要降低探测器暗噪声,应对微通道进行彻底的预处理除气,并尽量避免探测器在高温状态下工作,常温下经过预处理的微通道板光子探测系统的暗计数率仅为0.34 count/(scm2)。系统的分辨率主要受电压和计数率的影响,受温度影响不明显。由于不同的微通道板有不同的耐压范围,过小或过大的电压或计数率都会造成系统分辨率的降低。
