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2014年  7卷  第3期

综述
可调太赫兹与光学超材料
张检发, 袁晓东, 秦石乔
2014, 7(3): 349-364. doi: 10.3788/CO.20140703.0349
摘要:
本文对可调太赫兹与光学超材料的研究进展进行了综述,并对其发展趋势和应用前景进行了展望。可以预见,可调超材料将继续成为超材料研究中的热点课题,并将成为引领光学器件和光学系统变革的潜在技术途径,对光学和太赫兹技术的发展将产生深远的影响。
目标跟踪技术综述
高文, 朱明, 贺柏根, 吴笑天
2014, 7(3): 365-375. doi: 10.3788/CO.20140703.0365
摘要:
本文回顾了视频目标跟踪方法中常用的目标表示方法,并对目标表示方法进行了系统地分类,对现有的目标跟踪方法进行了分类,并对每类中具有代表性的方法进行了详细描述,分析各类别的优缺点。讨论了目标跟踪的难点以及未来的发展趋势,为相关研究人员了解目标跟踪技术提供参考。
信息光学
基于IR-SFS算法空间目标红外影像3D重建
曾蔚, 王汇源, 刘莹奇, 王斌, 张振铎, 曾子晗
2014, 7(3): 376-388. doi: 10.3788/CO.20140703.0376
摘要:
在利用单幅影像的明暗恢复形状(Shape From Shading,SFS)三维重构算法的基础上,提出同时考虑外界辐射源和目标自身红外辐射的IR-SFS(infrared-SFS)算法。首先通过分析SFS算法原理和空间目标的红外成像特性,建立IR-SFS辐射方程并进行了仿真研究,然后利用温度场估计获得红外差值图,在人工合成的理想半球体、半圆柱体卫星红外影像上进行算法测试,并以美国STS107真实红外影像作为实验目标进行三维重建。实验结果表明,所提出IR-SFS算法经过参数优化后,与原SFS算法相比,重建模型的峰值信噪比更高,对STS107顶部舱门、尾翼、机舱、机舱内方形部件具有更佳显示度,整体效果得到明显改善。
散斑干涉相位条纹图的频域滤波处理
王永红, 李骏睿, 孙建飞, 刘佩, 杨连祥
2014, 7(3): 389-395. doi: 10.3788/CO.20140703.0389
摘要:
为了解决在数字散斑干涉技术测量时,散斑干涉相位条纹图像中大量噪声对相位解包裹结果和精度产生严重影响的问题,介绍了一种条纹正余弦分解和频域低通滤波结合的方法,实现了散斑干涉相位条纹图的高精度滤波。该方法的基本思路是在对相位图像进行滤波处理前,先将相位图通过正余弦函数进行映射转换成两幅图,分别经过频域滤波,然后再合成为相位图。这种分解频域滤波方法可以在滤波的同时,有效保留相位跳变信息。实验结果表明:与传统的图像降噪方法相比,该方法能够在保留图像尖峰信息的基础上,较好地滤除图像中的散斑噪声,方法简单有效,有效解决了传统滤波方法应用在相位条纹图中,相图灰度信息丢失10%~40%的问题。
红外与可见光融合图像的质量评价
王宇庆, 王索建
2014, 7(3): 396-401. doi: 10.3788/CO.20140703.0396
摘要:
为了提高融合图像质量评价中评价结果与人眼视觉特性的一致性,分析了现有融合图像质量评价方法,提出了一种基于图像结构信息复数表示的融合图像质量评价方法,通过计算图像亮度分量的梯度,构成了一种表征图像结构信息的梯度复数矩阵,用该矩阵表征图像的结构信息。考虑到复数无法计算互信息等参数,将分块奇异值分解后得到的矩阵作为度量矩阵,采用该矩阵计算了两种融合图像质量评价方法。实验结果表明,该方法提高了评价结果与人眼视觉特性的一致性,对于融合效果较好的金字塔和小波方法给出了3.748 5和3.722 2的评价结果,与人眼视觉特性的一致性优于传统方法。
真彩色传递双波段图像融合
许廷发, 李俊涛, 张一舟, 申子宜, 郭巳秋
2014, 7(3): 402-410. doi: 10.3788/CO.20140703.0402
摘要:
针对基于颜色传递的双波段(中波红外、可见光)图像融合时,由于参考图像选择不当,造成的彩色融合图像对比度差、图像边缘细节下降等问题,提出了基于拉普拉斯金字塔分解及对比度可调的色彩传递图像融合算法。对待融合的两幅图像进行拉普拉斯金字塔三级分解,每一级按照不同的融合规则进行融合,以重构后的灰度融合图像作为融合结构的亮度分量Y,将可见光与红外图像的差值图像作为U分量,以红外图像为V分量。在颜色传递公式中,加入可调的比例系数,通过适当调节比例系数可调节融合图像的对比度。实验结果表明,获得的融合图像较好地保留了可见光图像的细节,既突出了红外目标同时又具有参考图像的颜色特征。图像评价结果表明,融合图像的均值、方差、熵等评价指标均得到较大提高。
自适应光学随机并行梯度下降算法波前整形规律仿真
王卫兵, 王挺峰, 郭劲
2014, 7(3): 411-420. doi: 10.3788/CO.20140703.0411
摘要:
本文首先介绍了基于Zernike模式的SPGD算法对大气湍流畸变波前的整形原理,通过推导得到了关于性能指标的简明表达式,使SPGD算法收敛速率得到明显提升。然后建立了自适应光学随机并行梯度下降算法波前整形系统模型,主要对SPGD算法收敛速率、整形能力和整形效果随波前畸变量和变形镜模型的变化规律作了较为详细的仿真研究,整体定性结果表明:三者的变化规律有一定的相似性,同时利用最小二乘法得到了关于整形能力和整形效果变化规律的定量表达式,若从自适应光学波前整形系统的实时性和简单性考虑,在保证一定整形效果的情况下,选择37单元变形镜对畸变波前的3~27(25)阶Zernike像差进行整形即可。
集成光电子
TiO2纳米线阵列干涉传感器
杨洋, 何皓, 李秋顺, 史建国, 李明宇, 董文飞
2014, 7(3): 421-427. doi: 10.3788/CO.20140703.0421
摘要:
开发一种新型TiO2纳米线阵列干涉传感器。首先,通过水热合成法在FTO导电玻璃表面制备了TiO2纳米线阵列薄膜。然后,以此复合结构作为传感芯片,利用Kretschmann 棱镜耦合结构,构建了基于Kretschmann结构的波长调制型薄膜干涉传感器。最后,以氯化钠水溶液为待测液体介质研究了该传感器对环境介质折射率的灵敏性能。结果表明:该传感器对1.333 5~1.360 4范围内的折射率有很好的响应。TM模式下,在0~3%与3~15%浓度范围内,氯化钠浓度与该传感器的反射光强度分别呈现了良好的线性关系。TE模式下,在0~3%浓度范围内,氯化钠浓度与吸收强度存在良好的线性关系,而波长基本不变;而在3~15%浓度范围内,随着氯化钠浓度的增加,波长逐渐红移,氯化钠浓度与波长也具有良好的线性关系。
三环型波导微环谐振器无热化生物传感器
崔乃迪, 寇婕婷, 梁静秋, 王惟彪, 郭进, 冯俊波, 滕婕, 曹国威
2014, 7(3): 428-434. doi: 10.3788/CO.20140703.0428
摘要:
针对温度波动对生物传感器探测性能的影响,本文提出了一种三环型波导微环谐振器无热化生物传感器。传感器芯片以3个微环谐振器为一个传感单元,3个微环谐振器并联排列,且分别工作在1 500、1 550和1 580 nm波长,以其中两个为基本探测微环,另外一个作为备用微环。由于3个微环工作波长不同,可通过运算消去温度对探测谱线变化值的影响项,从而实现传感器的无热化探测。相对于传统的无热化方案,本方案制备材料不受限,且无需参考微环,不存在浪费面积,集成度更高。另外备用微环的设计可以防止部分微环工作失常时传感器无法工作情况的发生,提高了系统的稳定性及可靠性。
4通道交叉型二氧化硅光波导延迟线阵列的设计与制备
李浩, 宋玲玲, 张立钧, 王焕然, 李亮, 王菲, 衣云骥, 张大明
2014, 7(3): 435-441. doi: 10.3788/CO.20140703.0435
摘要:
设计并制备了一种高集成度、低成本、低损耗4通道交叉型二氧化硅光波导延迟线阵列。利用BPM软件对交叉结构光波导延迟线的Y分支的损耗、弯曲损耗进行数值模拟。综合考虑器件尺寸和损耗参数,设计交叉型延迟线结构的弯曲半径最小为1 500 m,引入优化的锥口Y分支结构和垂直相交波导结构。采用标准半导体制作工艺制备器件,测试得到了器件的红外输出光斑,延迟线延迟时间分别为0、113、226和339 ps。4通道二氧化硅延迟线阵列能实现相邻通道相等的延迟时间间隔,且可通过集成实现延迟时间的增加,同时输出端可以与光纤阵列集成。
激光技术与应用
真空条件下不同波长固体激光烧蚀单晶硅的实验研究
齐立涛
2014, 7(3).
摘要:
通过倍频Nd:YAG固体激光的基波得到波长分别为532、355和266 nm的激光,研究了单晶硅(Si)对不同波长固体激光的吸收规律和3种不同波长激光在真空条件下烧蚀单晶Si的烧蚀特征。结果表明,单晶Si对波长为100~370 nm的紫外激光具有很好的吸收效果;在其他条件相同时,532 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量(Ep=30 J)是355和266 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量(Ep=15 J)的2倍;532、355和266 nm的激光烧蚀单晶Si的烧蚀阈值随着波长的变短而变小。
光学设计与工艺
硫系玻璃在现代红外热成像系统中的应用
白瑜, 廖志远, 李华, 程习敏, 邢廷文, 蒋亚东
2014, 7(3): 449-455. doi: 10.3788/CO.20140703.0449
摘要:
介绍了硫系红外玻璃的组成成分,分析了其独特的优势,建立了红外热成像系统中各个参数和温度之间关系的数学模型。基于硫系玻璃折射率温度系数小、成本低的优点,将硫系玻璃应用于红外热成像探测系统,并给出了一种折射式的中波红外热成像消热差探测系统实例,评价结果表明,该系统在低温-40 ℃、常温20 ℃、高温60 ℃都取得了良好的成像质量,适用于像元数为320 pixel256 pixel,像元尺寸为30 m30 m的中波红外凝视型焦平面阵列探测器。
800万像素手机广角镜头设计
李航, 颜昌翔
2014, 7(3): 456-461. doi: 10.3788/CO.20140703.0456
摘要:
为了满足市场对高像素手机广角镜头的需求,设计出一款800万像素大相对孔径的手机广角镜头。该手机镜头由4片塑料非球面透镜和1片红外滤光片组成,镜头的光圈值F为2.45,视场角为80,采用Omnivision公司的OV8850型号800万像素CMOS图像传感器,最大分辨率为3 280 pixel2 464 pixel,CMOS图像传感器的像素尺寸为1.1 m,奈奎斯特频率为454 lp/mm。设计结果显示,镜头在1/2奈奎斯特频率处,0.7视场内的MTF值均大于0.48,全视场的MTF值大于0.38;在奈奎斯特频率处,0.7视场内的MTF值大于0.15;最大畸变小于2%,因此可获得优良的成像质量。
大视场四象限探测光学系统设计
薛珮瑶, 吴耀, 冯茜, 李川
2014, 7(3): 462-468. doi: 10.3788/CO.20140703.0462
摘要:
为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明:激光探测系统线性视场为6,测角精度优于0.15,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。
光束整形系统异形元件的研制
付秀华, 崔金迪, 贾宗合
2014, 7(3): 469-475. doi: 10.3788/CO.20140703.0469
摘要:
为了实现非球柱面镜的高精度加工,解决这一领域面临的难题,对非球柱面镜的加工和检测方法进行了深入的研究。采用古典与现代制造技术相结合的方法,研制了用于光束整形的异形元件,该异形元件是由非球柱面镜和柱面镜组成。针对非球柱面镜面型难以控制的问题,给出了独特的抛光模设计。结果表明:经过轮廓仪检测面型精度为0.848 7 m,达到了图纸精度,满足了光学元件的使用要求。
光学仪器与测试
可同时测量蔗糖浓度和温度的组合光纤光栅传感器
赵明富, 王念, 罗彬彬, 施玉佳, 曹李华
2014, 7(3): 476-482. doi: 10.3788/CO.20140703.0476
摘要:
为了实现蔗糖溶液浓度与温度的同步精确测量,采用组合式光纤光栅,通过线性折射率分区,构成相应的系数矩阵。首先,基于模式耦合理论,采用光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPBG)形成组合式光纤光栅,实现了双参数测量的光学传感器。此组合式光纤光栅结构中,FBG响应温度测量,LPFG同时响应蔗糖溶液浓度和温度测量。然后,在两个线性折射率范围,即1.33~1.42和1.42~1.44中,校正温度和蔗糖溶液浓度的相关系数。最后,构成两个敏感系数矩阵,来讨论蔗糖溶液浓度和温度同时测量的方法。实验结果表明:蔗糖溶液浓度测量灵敏度达到-213.5 pm/RIU,温度测量灵敏度达到117.9 pm/K。因此,组合式光纤光栅传感器作为光化学传感器具有高灵敏度的特性。
光栅光谱仪光谱响应误差校正
施建华, 伏思华, 谢文科
2014, 7(3): 483-490. doi: 10.3788/CO.20140703.0483
摘要:
针对由器件光谱特性引起的光栅光谱仪测量误差问题,提出了一种误差校正方法,并对该技术中的理论模型、数值提取算法和精度、误差校正精度进行了研究。首先,在深入剖析光栅光谱仪工作原理的基础上,建立了光谱误差校正的理论模型;其次,在研究光栅、探测器、反射镜等核心器件光谱特性曲线典型特征的基础上,提出了器件光谱响应参数提取算法,并对该算法的精度进行了实验研究;最后利用本文所建立的理论模型和数值提取算法对光栅光谱仪测得的溴钨灯光谱进行了校正,并将校正后的结果与溴钨灯标准谱线进行了比较。实验结果表明,本文所提出的数值提取算法的平均误差为0.39%,校正后的光谱曲线与溴钨灯标准光谱曲线一致,说明本文所提出的校正技术能够有效消除器件光谱特性引入的误差。
科普教学
激光武器—谬论与展望
APOLLONOV V V
2014, 7(3): 491-498. doi: 10.3788/CO.20140703.0491
摘要:
过去几年总结的战略激光系统的设计经验和实现高能激光武器发展目标的强大信念有助于加快新技术领域的工作步伐。World press博客平台最近发布的文章表明,反导机载激光器项目遇到了成本超支和拖期的问题,可能会成为削减预算的牺牲品。随后,大众媒体立即报道了五角大楼拒绝研制作战激光器。因此,出现了一些关于作战激光器的谬论。本文旨在通过充分的论证与分析来反对这些谬论。
光导在折射率引导光纤、多孔光纤、光子带隙光纤和纳米线中的简要定性解释
LOVE John
2014, 7(3): 499-508. doi: 10.3788/CO.20140703.0499
摘要:
本文是一篇教学论文,旨在通过对具体实例中不同物理过程的分析来定性解释光导拓宽固体材料折射率引导光纤光谱、多孔光纤光谱、光子带隙光纤光谱和纳米线光谱的原理。