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2018年  11卷  第5期

综述
平板显示技术比较及研究进展
李继军, 聂晓梦, 李根生, 王安祥, 张伟光, 郎风超, 杨连祥
2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
摘要:
平板显示因具有体积小、重量轻、功耗低、画质好等优点,已被广泛应用于电子仪表显示、车载显示、数码相机、智能手机、个人电脑、电视产品等领域之中。本文介绍了薄膜晶体管液晶显示(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD)、有机发光二极管Organic Light Emitting Diode(OLED)显示、量子点发光二极管Quantum Dot Light Emitting Diode(QLED)显示及微发光二极管(Micro-LED)显示这几种平板显示技术的结构及原理。从结构、材料、性能、应用几方面对这几种平板显示技术进行了比较。最后给出了这几种平板显示技术的最新研究进展。LCD显示经过多年发展,技术成熟,成本低廉,仍然在显示市场占据主流地位。OLED显示技术摆脱了传统LCD的背光源,开创了自发光显示的未来发展方向。在相当一段时期内,LCD和OLED仍将会共存于市场中,相互竞争和补充。QLED显示和Micro-LED显示这两种显示技术,在理论上较OLED显示具有更好的颜色表现、更长的工作寿命等优势,具有非常广阔的发展前景,将为未来显示行业提供更多更好的选择。
无扫描激光三维成像雷达研究进展及趋势分析
卜禹铭, 杜小平, 曾朝阳, 赵继广, 宋一铄
2018, 11(5): 711-727. doi: 10.3788/CO.20181105.0711
摘要:
无扫描激光三维成像雷达具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度和对动态目标无失真成像等优点,目前已成为许多国家研究的重点和热点。本文阐述了闪光式、光子计数、增益调制型等7种无扫描激光三维成像雷达体制和距离选通成像技术的基本原理,追踪并归纳了其研究进展,对比分析了各体制的技术优劣,并从核心器件角度分析了发展趋势。结论如下:采用2D传感器在光学层面进行时间信息转换实现三维成像的方法具有高分辨率、高能量利用率和高信噪比等特点,在航天、测绘、军事、民用等领域具有突出优势和应用前景。
光学仪器与测试
基于线结构光传感器的轨道板几何形貌检测方法
祝祥, 邵双运, 宋志军
2018, 11(5): 841-850. doi: 10.3788/CO.20181105.0841
摘要:
轨道板的外形尺寸精度对于保证高速铁路轨道质量起着至关重要的作用,针对现有轨道板检测方法存在的问题,本文建立了一种基于线结构光传感器的轨道板测量系统并提出了基于轨道板点云数据的几何参数测量方法。线结构光传感器按照固定间隔扫描CRTS Ⅲ型轨道板,获得点云数据;利用轨道板中特殊位置点云数据对整个点云数据进行位置和姿态的校正;最后根据特征参数定义,实现轨道板四项关键几何参数的快速非接触测量。实验结果表明,本文提出的测量方法测量精度可达0.2 mm,满足轨道板的在线检测要求
离焦对激光通信接收视场的影响分析
许燚赟, 董科研, 安岩, 朱天元, 颜佳
2018, 11(5): 822-831. doi: 10.3788/CO.20181105.0822
摘要:
为了降低自由空间激光通信中对准难度,本文提出了采用离焦的方法以增大接收视场角。以满足通信所需最低能量(-35 dBm)为基准,理论推导了探测器接收能量、接收视场角(FOV)、离焦接收能量及离焦量之间的相互关系,并通过Matlab仿真,分析对比了离焦接收能量和离焦量对接收视场角的影响。结果显示,当离焦量为0.5 mm时,离焦接收能量从-20.9 dBm提高到-4.1 dBm,接收视场角能增大0.27 mrad;当离焦接收能量为-4.1 dBm时,离焦量从0.2 mm扩大到1.0 mm,视场角能增大1.75 mrad。通过对比表明,提高离焦接收能量以及扩大离焦量都可以增加接收视场角,且扩大离焦量的效果相对比较明显,这对后续离焦系统的设计提供了理论指导依据。
基于无人机遥感的不同施氮水稻光谱与植被指数分析
裴信彪, 吴和龙, 马萍, 严永峰, 彭程, 郝亮, 白越
2018, 11(5): 832-840. doi: 10.3788/CO.20181105.0832
摘要:
卫星遥感空间分辨率低且易受大气、云层、雨雪等因素的影响。本文使用共轴十二旋翼无人机搭载光谱仪构成农情遥感系统。首先,给出自主设计的无人机结构和飞行控制系统,围绕飞行平台、控制系统、遥感载荷构建了多环节数据备份的无人机遥感数据采集系统;然后,试验测试4种施氮水平水稻的光谱指数变化规律;最后,通过试验数据分析可得:在可见光区水稻冠层光谱反射率随氮素水平增加而减小,在近红外区,光谱反射率一开始随氮素水平增加而增大,但氮素水平增大到一定程度后再增加氮素导致反射率降低。在4种氮素水平下,水稻植被指数RVI和NDVI由分蘖期到拔节期先增大,然后至抽穗期又逐渐减小,且抽穗期RVI和NDVI值小于其分蘖期RVI和NDVI值。试验表明以多旋翼无人机为平台搭载光谱仪器构成农情遥感监测系统用于反演作物植被指数方面是可行的。本文设计的无人机遥感数据采集系统能够有效、实时获取遥感信息,其获取的高空间分辨率和光谱分辨率的农田实时信息能够为作物长势的分析、健康状况的监测提供必要的数据支持。
Quantative measuring technique for the temperature of flow fields in schlieren systems
ZHANG Xiong-xing, WANG Wei, LIU Guang-hai, GUO Zi-long, HU Rui
2018, 11(5): 860-873. doi: 10.3788/CO.20181105.0860
摘要:
In order to study temperature field measurement techniques of Schlieren systems, the principle of Schlieren quantitative measuring techniques is expounded. Based on the relationship between the grayness of a Schlieren image, along with the area of a light source, we propose an algorithm that is dependent on Schlieren to calculate flow field temperature. Firstly, a transmission Schlieren system is built on an optical platform and a hot plate is placed in the test area. Schlieren images are then captured by using a CCD camera, which are uploaded and stored on a computer for image processing. Finally, the algorithm is used to get the measured values of the temperature field, which then are compared with those by thermocouple measurement. The experimental results show that, when the temperature of the hot plate is set at 50℃ or 90℃, the relative errors of the flow field temperature measurement are less than 10%, the reliability of the algorithm is therefore proved and the quantitative measurement of temperature fields based on Schlieren techniques is realized.
基于红外辐射特性系统实现对面目标测量
乔铁英, 蔡立华, 李宁, 李周, 李成浩
2018, 11(5): 804-811. doi: 10.3788/CO.20181105.0804
摘要:
地基红外经纬仪是测量空间军事和科学目标红外数据的重要手段之一。随着现代武器技术在隐身上方面的快速发展,面源体测量越显重要,而辐射亮度是面源红外作战的关键性指标。因此研究可靠的面积分析方法和辐射亮度计算方法对测试航空目标的隐身性能以及研制面源红外假目标具有重要的意义。本文提出一种简单可靠的面目标的提取方法,并利用该面源提取方法在某ϕ600 mm口径的红外经纬仪上进行辐射测量,测量数据经大气修正后将与标准亮度值进行比较。实验结果表明,利用本文提出的方法反演的辐射亮度的最大误差为11.38%,均方根误差为7.36%。
太阳辐射计的衍射效应修正
刘国栋, 方伟, 宋宝奇, 叶新, 王凯
2018, 11(5): 851-859. doi: 10.3788/CO.20181105.0851
摘要:
太阳辐射测量是研究太阳活动与地球气候演变的重要方式之一,对人类社会的可持续发展具有重要意义。衍射效应作为测量过程中系统误差的主要来源之一,有必要进行精确的修正,从而提高测量数据的精度。首先,对衍射效应理论进行研究,从Kirchhoff衍射理论出发,在高斯光学近似下,逐步确定点与点,点与面,面与面之间的能量传输关系,推导出了衍射效应的一般公式;接着,根据衍射效应的渐近性质,得到了一种简化的计算方法;然后,用简化的方法计算太阳辐照绝对辐射计(SIAR)的衍射效应以及衍射修正因子,最后,根据衍射修正结果,计算相对于世界辐射基准(WRR)的定标系数。结果显示:SIAR的衍射效应以及衍射修正因子分别约为1.002 742和0.997 265。经过衍射修正后,SIAR对WRR的定标系数更接近于1,表明衍射修正降低了系统误差,提高了辐射测量的准确度。
无人机侦察多目标实时定位技术研究
蔡明兵, 刘晶红, 徐芳
2018, 11(5): 812-821. doi: 10.3788/CO.20181105.0812
摘要:
目标定位是无人机侦察系统中至关重要一步。为增强无人机侦察目标定位的实时性、提高定位精度及侦察效率,提出一种多目标实时定位的方法,建立主次目标定位几何关系及坐标转换模型,结合已知数据信息求取各目标大地坐标,并用蒙特卡洛法分析目标定位误差。最后,基于即将组网成功"北斗二代"卫星导航系统对无人机空中定位,同时采用递归最小二乘算法滤波处理,提高了目标定位精度。研究及实验结果表明,北斗导航定位能够有效提高无人机空中定位精度,且有望达到厘米级精度,同时采用RLS滤波处理能使目标定位精度提高10 m左右。该方法能够有效增强无人机定位实时性,提高定位精度及侦察效率。
激光技术与应用
200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究
康治军, 张鸿博, 闫晓超, 郎野, 白振岙, 樊仲维
2018, 11(5): 736-744. doi: 10.3788/CO.20181105.0736
摘要:
受激布里渊散射(SBS)脉宽压缩是实现高峰值功率、短脉冲激光输出的重要途径之一,然而,目前SBS脉宽压缩仅限于1~10 Hz低重复频率激光器,限制了高重频短脉冲激光器在激光雷达、空间碎片探测以及目标成像等领域的应用。基于此,开展了高重复频率下的SBS脉宽压缩实验研究。设计搭建了高重复频率的主振荡放大激光器,开展了SBS二次级联脉宽压缩和SBS振荡放大双池脉宽压缩实验。通过SBS二次级联压缩实现了脉冲宽度从~32 ns压缩到~1.9 ns,脉宽压缩比达16倍;而通过SBS振荡放大双池结构实现了脉冲宽度从~4 ns压缩到376 ps,脉宽压缩比达10倍。实验结果表明,采用该超净封闭型SBS相位共轭镜,在Stokes光输出能量达50 mJ时,无光学击穿现象,实现了在200 Hz高重复频率下的SBS脉宽压缩。
信息光学
高温下数字图像相关散斑最优成像探究
胡悦, 王永红, 鲍思源, 胡慧然, 闫佩正
2018, 11(5): 728-735. doi: 10.3788/CO.20181105.0728
摘要:
为了测量材料在高温甚至超高温下的力学性能,采用数字图像相关方法,并研究其在高温下的最优成像。采取不同的散斑制作方法,同时加入不同颜色的高温漆,在不同的温度节点,外加不同光源及相应的滤波片,采集并观察图像是否具有良好的对比度。普通的单色光源在800℃以后会逐渐失效,无法获取图像,而紫外光在1 200℃时依然可以获取较好的图像,且直接利用试件本身颜色作为底色效果更佳。采用紫外光照明可以实现DIC在高温环境下的测量。同时利用黑色或者蓝色散斑直接喷涂在试件上有着最佳的对比度,要优于常规的散斑制作方法。
光学功能材料
酞菁化合物合成及光谱性能研究
许浩, 刘珩
2018, 11(5): 765-772. doi: 10.3788/CO.20181105.0765
摘要:
为有效对抗高、超光谱成像侦察威胁,实现迷彩绿色涂料与植物的"同谱同色",本文基于酞菁与叶绿素卟啉结构的相似性,开展酞菁化合物合成及植物光谱特征拟合研究。构建吸电子取代基团和二价过渡族中心离子的平面酞菁结构,采用DBU催化法和自制合成装置合成酞菁化合物,探究最佳合成条件和提纯方法,采用分光光度计测试产物的吸收光谱和反射光谱,研究中心离子与聚集方式对酞菁化合物光谱性能的影响。实验结果表明,在催化剂作用下,四硝基金属酞菁在240~250℃时反应时间最短;钴酞菁比铁、锌、铜等作为中心取代离子形成的酞菁产物具有更尖锐的吸收峰,与绿色植物光谱曲线更相似;酞菁化合物的光谱反射曲线随温度、纯度及分散状态对产物聚集状态影响而产生移动。在220~240℃下合成20~30 min的四-硝基钴酞菁吸收光谱符合酞菁化合物Q带吸收特征,且其峰值波长与植物光谱相拟合,为酞菁类颜料在军事、纺织、染料、仿生等领域的应用提供了新方法和新途径。
Optical coatings for projection objective immersion lithography
BI Dan-dan, ZHANG Li-chao, SHI Guang
2018, 11(5): 745-764. doi: 10.3788/CO.20181105.0745
摘要:
The deep ultraviolet lithography is currently a main method for integrated circuit manufacture. The immersive projection objective must be used to increase resolution of the optical system for realization of smaller component feature dimensions. Therefore a number of rigorous requirements for optical coating component are put forward. In this paper we present designs of the film material and film system applicable to immersive lithographical system as well as the large angle polarization-maintaining film system required for optical systems at high NA. Key issues about immersion environment adaptability, hydrophobicity and anti-contamination of the immersion coating most critical to the objective are discussed. Laser irradiation lifetime of the coated components especially in the immersion environment that is an important factor to evaluate performance of the immersive lithographical system is analyzed.
纳米壳聚糖复合材料的制备与性能研究
董丽丹, 魏长平, 李中田, 汪凤明
2018, 11(5): 773-778. doi: 10.3788/CO.20181105.0773
摘要:
为了提高壳聚糖的水溶性及其止血方面的性能,将壳聚糖(CS)纳米化,并引入具有抗菌作用的Ag+离子和凝血辅助作用的Ca2+离子,制备出纳米壳聚糖金属离子复合止血材料。首先,采用离子交换法制备纳米壳聚糖(nmCS),再分别加入AgNO3和饱和CaCl2溶液,制得nmCS-Ag、nmCS-Ca、nmCS-Ag-Ca复合材料。然后,采用FTIR、XRD、SEM等手段对复合材料的结构进行表征。最后,对复合物的凝血、止血性能进行了测试。实验结果表明:改性后的壳聚糖IR图谱在1 647 cm-1和1 560 cm-1处出现了纳米壳聚糖钠盐的特征吸收峰;复合了金属离子的纳米壳聚糖在XRD图谱中表现出了Ag+、Ca2+的晶型特征;扫描电镜显示nmCS-Ag中Ag+有部分析出而nmCS-Ca的复合效果较好;nmCS-Ag-Ca的凝血、止血效果要优于nmCS-Ag和nmCS-Ca,同时nmCS-Ag和nmCS-Ca的凝血、止血效果要优于nmCS。测试结果表明,成功制备了纳米壳聚糖金属离子复合止血材料。
光学设计与工艺
移动地面站宽温度跟瞄系统信标接收镜头
李响, 柳鸣, 王超, 李小明, 张家齐, 白杨杨, 孟立新, 张立中
2018, 11(5): 790-797. doi: 10.3788/CO.20181105.0790
摘要:
为了保证移动地面站光电跟瞄系统在野外复杂环境下具有稳定的跟踪精度,针对-20~40℃宽工作温度范围下信标接收镜头成像光斑弥散的问题,进行了光学系统与光机结构的设计,提出了一种以步进电机驱动补偿镜组的温度补偿方案。分析了极限温度条件下光学系统性能的改变以及不同温度补偿方案的效果,针对光电跟瞄系统的指标要求,设计了光机结构并进行了力学、光学性能的分析。分析结果表明,系统一阶模态为370 Hz;补偿镜组向前移动0.695 mm能够补偿-20℃时光学系统成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由73 m降为3.2 m,边缘视场光斑尺寸由77 m降为15.7 m;向后移动0.885 6 mm能够补偿40℃时成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由94 m降为3.9 m,边缘视场光斑尺寸由96 m降为21.8 m;使用ZYGO干涉仪对光学系统的像质进行检测,波像差RMS值(均方根值)为0.061(=632.8 nm),PV值(峰谷值)为0.466,能够满足跟瞄系统指标要求。
非零位凸非球面子孔径拼接检测技术研究
闫公敬, 张宪忠
2018, 11(5): 798-803. doi: 10.3788/CO.20181105.0798
摘要:
为了实现大口径凸非球面镜的高精度检测,本文研究了凸非球面非零位子孔径拼接检测技术,并建立了一套非零位拼接检测算法模型,模型中分别针对同轴子孔径与离轴子孔径非零位检测时所引入的测试误差进行了建模分析,同时对测试误差剔除、拼接系数求解、全口径面形获得等问题进行了研究。最后,结合工程实例,对一口径为130 mm的凸双曲面进行了拼接检测,分析了该非球面各测试子孔径非零位检测误差形式,同时进行了误差剔除、全口径面形获取等工作。从拼接结果中可以看出,拼接结果光滑、连续、无拼接痕迹。为了进一步验证拼接精度,我们将拼接结果与子孔径检测结果进行对比,引入了自检验子孔径评价方法,计算得到自检验子孔径与拼接结果在自检验子孔径范围内的残差图,二者残差图的PV值与RMS值分别为0.016λ与0.003λ,由上述结果可以得到自检验子孔径的测试结果与拼接结果在自检验子孔径范围内是一致的,从而验证了本文算法的拼接精度。
步进电机驱动的直线变倍成像系统研究
李铮, 戴明, 李嘉全
2018, 11(5): 779-789. doi: 10.3788/CO.20181105.0779
摘要:
为了满足无人机光电载荷的体积和重量要求,并有效解决传统凸轮机构加工精度要求高、系统易产生机械振荡等问题,提高系统的响应速度和变焦精度,对基于步进电机驱动实现连续变焦的直线变倍成像系统进行研究。采用二相混合式步进电机驱动实现机械补偿式变焦系统的变焦聚焦功能。首先,本文研究了基于步进电机的直线变倍成像系统的工作原理与构成,完成硬件平台的搭建,利用单片机控制实现步进电机的加减速过程。然后构造适合本系统的图像清晰度评价函数,并采用扫描反馈搜索算法完成对镜头焦距值的标定,将标定结果载入聚焦算法。最后,完成系统的性能测试。测试结果显示,采用速度控制模型后,步进电机的定位误差显著降低,范围在0.010 mm以下,整个系统的变焦精度远远小于1%,而且光学性能和外场拍摄性能较好。该基于步进电机的直线变倍成像系统满足无人机光电载荷的适用性要求。