2022年 15卷 第2期
2022, 15(2): 161-186.
doi: 10.37188/CO.2021-0143
摘要
HTML全文
PDF 5743KB
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。
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。
2022, 15(2): 187-209.
doi: 10.37188/CO.EN.2021-0012
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。
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。
2022, 15(2): 210-223.
doi: 10.37188/CO.2021-0176
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。
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。
2022, 15(2): 224-232.
doi: 10.37188/CO.2021-0142
摘要:
本研究首次把预先制备好的Ag@SiO2纳米核壳结构成功地引进到碲化物发光玻璃70TeO2-25ZnO-5La2O3-0.5Er2O3体内，发现(A) Ag(1.6×10−6 mol /L)@SiO2(40 nm) @Er3+(0.5%):铒碲发光玻璃相对于样品(B) Er3+(0.5%)：铒碲发光玻璃的可见光与红外光的激发光谱强度的最大增强依次为149.0%与161.5%，可见光与红外光的发光光谱强度则依次最大增强了155.2%与151.6%，同时还发现样品(A)相对于样品(B)的寿命显著变长。由于Ag@SiO2的表面等离子体吸收峰恰好位于546.0 nm，它与铒离子的发光峰546.0 nm完全共振，因此，Ag@SiO2对铒碲发光玻璃的发光共振增强作用显著。由于银的纳米核壳结构与玻璃的制作具有分步实现的优点，它既能成功控制Ag@SiO2的尺寸，而且在Ag@SiO2@Er: 铒碲发光玻璃的制作过程中还具有可操作性强的优点，同时价格也更加便宜。在保证银不被氧化的前提下，还可控制稀土离子发光中心与银的表面等离子体之间的距离，因此能够成功地减少背向能量反传递。上述优点促成了Ag@SiO2纳米核壳结构表面等离子体有效加强了Ag@SiO2@Er3+:铒碲发光玻璃的常规光致发光强度。
本研究首次把预先制备好的Ag@SiO2纳米核壳结构成功地引进到碲化物发光玻璃70TeO2-25ZnO-5La2O3-0.5Er2O3体内，发现(A) Ag(1.6×10−6 mol /L)@SiO2(40 nm) @Er3+(0.5%):铒碲发光玻璃相对于样品(B) Er3+(0.5%)：铒碲发光玻璃的可见光与红外光的激发光谱强度的最大增强依次为149.0%与161.5%，可见光与红外光的发光光谱强度则依次最大增强了155.2%与151.6%，同时还发现样品(A)相对于样品(B)的寿命显著变长。由于Ag@SiO2的表面等离子体吸收峰恰好位于546.0 nm，它与铒离子的发光峰546.0 nm完全共振，因此，Ag@SiO2对铒碲发光玻璃的发光共振增强作用显著。由于银的纳米核壳结构与玻璃的制作具有分步实现的优点，它既能成功控制Ag@SiO2的尺寸，而且在Ag@SiO2@Er: 铒碲发光玻璃的制作过程中还具有可操作性强的优点，同时价格也更加便宜。在保证银不被氧化的前提下，还可控制稀土离子发光中心与银的表面等离子体之间的距离，因此能够成功地减少背向能量反传递。上述优点促成了Ag@SiO2纳米核壳结构表面等离子体有效加强了Ag@SiO2@Er3+:铒碲发光玻璃的常规光致发光强度。
2022, 15(2): 233-241.
doi: 10.37188/CO.2021-0205
摘要:
为了开发一种优异的用于光热治疗和光学相干层析成像的金纳米星诊疗剂，对金纳米星的制备、光热特性以及光热治疗和光学相干层析成像中的应用进行研究。利用尖端结构增强金纳米材料的局域表面等离子体共振特性，通过种子介导法制备了多枝化的金纳米星，多尖端的结构使其具有明显的光热效果，并探究了其作为光热治疗的诊疗剂和光学相干层析成像造影剂的效果。实验结果表明：多枝化的金纳米星诊疗剂相比于金纳米粒子具有较高的光热转换效率，达到42%；具有较好的生物兼容性，在100 μg/mL浓度下，人乳腺癌细胞存活率为82%；而且具有较好的癌细胞光热治疗效果，在100 μg/mL浓度下，经激光照射后，人乳腺癌细胞被有效杀死，其存活率降至37%；同时，金纳米星诊疗剂还具有较好的光学相干层析成像造影效果，可显著提高信号强度和造影深度。金纳米星诊疗剂既具有高效光热治疗能力，又具备优异光学相干层析成像造影成像能力，是一种非常有前景的多功能诊疗剂。
为了开发一种优异的用于光热治疗和光学相干层析成像的金纳米星诊疗剂，对金纳米星的制备、光热特性以及光热治疗和光学相干层析成像中的应用进行研究。利用尖端结构增强金纳米材料的局域表面等离子体共振特性，通过种子介导法制备了多枝化的金纳米星，多尖端的结构使其具有明显的光热效果，并探究了其作为光热治疗的诊疗剂和光学相干层析成像造影剂的效果。实验结果表明：多枝化的金纳米星诊疗剂相比于金纳米粒子具有较高的光热转换效率，达到42%；具有较好的生物兼容性，在100 μg/mL浓度下，人乳腺癌细胞存活率为82%；而且具有较好的癌细胞光热治疗效果，在100 μg/mL浓度下，经激光照射后，人乳腺癌细胞被有效杀死，其存活率降至37%；同时，金纳米星诊疗剂还具有较好的光学相干层析成像造影效果，可显著提高信号强度和造影深度。金纳米星诊疗剂既具有高效光热治疗能力，又具备优异光学相干层析成像造影成像能力，是一种非常有前景的多功能诊疗剂。
2022, 15(2): 242-250.
doi: 10.37188/CO.2021-0160
摘要:
随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展，研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义。为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理，本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究，测定了损伤阈值，明确了损伤机理，探讨了低通量下的脉冲累积效应。首先，利用波长为532 nm、脉冲宽度为30 ps的激光器和金相显微镜，基于1-on-1的激光损伤测试方法，测定了单晶硅的零损伤概率阈值为0.52 J/cm2；其次，研究了皮秒激光辐照单晶硅在不同激光能量密度下的损伤形貌，发现532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤表现为热影响损伤和等离子体冲击损伤，随着激光能量密度的增大，按主要的损伤机制可将损伤程度分为：热影响（0.52~3 J/cm2）、热烧蚀（3~50 J/cm2)和等离子烧蚀（>50 J/cm2），且不同情况下，损伤面积随激光能量密度分别对应不同的增长规律；最后，研究了低通量下多脉冲的累积效应，发现在0.52 J/cm2的激光能量密度下，连续辐照16个脉冲时表面形成热影响区，验证了多脉冲的累积效应可以降低单晶硅的激光损伤阈值。
随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展，研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义。为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理，本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究，测定了损伤阈值，明确了损伤机理，探讨了低通量下的脉冲累积效应。首先，利用波长为532 nm、脉冲宽度为30 ps的激光器和金相显微镜，基于1-on-1的激光损伤测试方法，测定了单晶硅的零损伤概率阈值为0.52 J/cm2；其次，研究了皮秒激光辐照单晶硅在不同激光能量密度下的损伤形貌，发现532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤表现为热影响损伤和等离子体冲击损伤，随着激光能量密度的增大，按主要的损伤机制可将损伤程度分为：热影响（0.52~3 J/cm2）、热烧蚀（3~50 J/cm2)和等离子烧蚀（>50 J/cm2），且不同情况下，损伤面积随激光能量密度分别对应不同的增长规律；最后，研究了低通量下多脉冲的累积效应，发现在0.52 J/cm2的激光能量密度下，连续辐照16个脉冲时表面形成热影响区，验证了多脉冲的累积效应可以降低单晶硅的激光损伤阈值。
2022, 15(2): 251-258.
doi: 10.37188/CO.2021-0158
摘要:
受电子器件工作频率及功率的限制，传统电子学方法产生的噪声源的超噪比通常小于20 dB，针对这一问题，本文提出了一种基于非相干光拍频产生高超噪比宽带毫米波噪声技术。首先，用两个光滤波器对宽带放大自发辐射光源进行滤波整形。将获得的两束频率不同的放大自发辐射光耦合进入光电探测器进行拍频，从而产生电噪声信号。理论分析发现，通过调节拍频光的光谱线型、线宽与功率，在当前的高速光电探测器响应水平下，可获得超过50 dB的高超噪比毫米波噪声源。在利用数值方法分析影响噪声源超噪比主要因素的基础上，通过实验方法产生了超噪比大于50 dB的毫米波噪声信号。如果采用更高速的光电探测器，这一技术可在毫米波乃至太赫兹波段构建大超噪比的噪声源。
受电子器件工作频率及功率的限制，传统电子学方法产生的噪声源的超噪比通常小于20 dB，针对这一问题，本文提出了一种基于非相干光拍频产生高超噪比宽带毫米波噪声技术。首先，用两个光滤波器对宽带放大自发辐射光源进行滤波整形。将获得的两束频率不同的放大自发辐射光耦合进入光电探测器进行拍频，从而产生电噪声信号。理论分析发现，通过调节拍频光的光谱线型、线宽与功率，在当前的高速光电探测器响应水平下，可获得超过50 dB的高超噪比毫米波噪声源。在利用数值方法分析影响噪声源超噪比主要因素的基础上，通过实验方法产生了超噪比大于50 dB的毫米波噪声信号。如果采用更高速的光电探测器，这一技术可在毫米波乃至太赫兹波段构建大超噪比的噪声源。
2022, 15(2): 259-266.
doi: 10.37188/CO.2021-0232
摘要:
高超声速飞行器大攻角机动时，其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰，流场情况复杂，流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件。本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况，采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场，采用逐线积分法得到气体红外辐射特性，结合反向蒙特卡洛方法计算得到飞行器在94公里飞行高度下，无来流、不同来流攻角、不同来流速度下的尾焰流场红外辐射特性，并针对低轨卫星的可观测性进行了评估。仿真结果表明，对于给定观测位置，在无风条件下，红外辐射在各个波段下的强度较低，最大值在10−9 W/m2量级。而在来流攻角影响下，流场红外信号强度显著上升，且来流攻角、来流速度越大，强度越大，最大值在10−6 W/m2量级。大气衰减效应对不同观测位置的可观测性影响较大。本文结果可为高超声速飞行器红外预警和反导提供参考。
高超声速飞行器大攻角机动时，其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰，流场情况复杂，流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件。本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况，采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场，采用逐线积分法得到气体红外辐射特性，结合反向蒙特卡洛方法计算得到飞行器在94公里飞行高度下，无来流、不同来流攻角、不同来流速度下的尾焰流场红外辐射特性，并针对低轨卫星的可观测性进行了评估。仿真结果表明，对于给定观测位置，在无风条件下，红外辐射在各个波段下的强度较低，最大值在10−9 W/m2量级。而在来流攻角影响下，流场红外信号强度显著上升，且来流攻角、来流速度越大，强度越大，最大值在10−6 W/m2量级。大气衰减效应对不同观测位置的可观测性影响较大。本文结果可为高超声速飞行器红外预警和反导提供参考。
2022, 15(2): 267-275.
doi: 10.37188/CO.2021-0170
摘要:
针对红外图像中弱小目标检测虚警率高、实时性差的问题，提出了一种基于视觉显著性和局部熵的红外弱小目标检测方法。该方法将红外弱小目标的检测问题由粗到精分步实现，首先利用融合局部熵的方法提取包含目标的感兴趣区域，对红外弱小目标实现粗定位。然后再利用改进的视觉显著性检测方法在感兴趣区域计算局部对比度，获得感兴趣区域的显著图。最后利用阈值法分割显著图像提取红外弱小目标，实现红外弱小目标的检测。通过与TOPHAT算法及LCM算法进行对比试验，验证了该方法在检测性能上优于TOPHAT算法以及LCM算法，虚警率分别下降了62.5%和33.3%；检测实时性方面，算法耗时为LCM的38.6%。该方法能够实现复杂背景下红外弱小目标的准确检测，在一定程度上解决了目标检测虚警率高、实时性差的问题。
针对红外图像中弱小目标检测虚警率高、实时性差的问题，提出了一种基于视觉显著性和局部熵的红外弱小目标检测方法。该方法将红外弱小目标的检测问题由粗到精分步实现，首先利用融合局部熵的方法提取包含目标的感兴趣区域，对红外弱小目标实现粗定位。然后再利用改进的视觉显著性检测方法在感兴趣区域计算局部对比度，获得感兴趣区域的显著图。最后利用阈值法分割显著图像提取红外弱小目标，实现红外弱小目标的检测。通过与TOPHAT算法及LCM算法进行对比试验，验证了该方法在检测性能上优于TOPHAT算法以及LCM算法，虚警率分别下降了62.5%和33.3%；检测实时性方面，算法耗时为LCM的38.6%。该方法能够实现复杂背景下红外弱小目标的准确检测，在一定程度上解决了目标检测虚警率高、实时性差的问题。
2022, 15(2): 276-285.
doi: 10.37188/CO.2021-0157
摘要:
为了在非接触条件下检测受试者的各项生理参数，本文设计了一种基于成像式光电容积描记技术，从手机录制的人脸视频中估算生理参数的方法。首先，提出了“小波变换-主成分分析-盲源分离”算法，用于提取出高信噪比的RGB三通道脉搏波信号。然后，分别从频域和时域角度对绿色通道信号进行处理，估算出心率值和呼吸率值；对红蓝通道的脉搏波信号进行处理，并结合血氧仪检测的血氧饱和度结果，进行数据拟合，从而找到从面部视频中估算血氧饱和度值的最佳线性方程。最后，对比了自然光下各生理参数的估算结果误差，分析了在3种光照环境下各参数的估算结果。结果表明：3种光照环境下得到的心率平均误差为0.5512次/min，呼吸率平均误差为−0.6321次/min，血氧饱和度平均误差为−0.2743%。综上，本文提出的非接触式生理参数估算方法精度高，具有普适性和稳定性，估算结果同标准仪器的测量结果具有高度一致性，可满足日常生理参数测量的需求。
为了在非接触条件下检测受试者的各项生理参数，本文设计了一种基于成像式光电容积描记技术，从手机录制的人脸视频中估算生理参数的方法。首先，提出了“小波变换-主成分分析-盲源分离”算法，用于提取出高信噪比的RGB三通道脉搏波信号。然后，分别从频域和时域角度对绿色通道信号进行处理，估算出心率值和呼吸率值；对红蓝通道的脉搏波信号进行处理，并结合血氧仪检测的血氧饱和度结果，进行数据拟合，从而找到从面部视频中估算血氧饱和度值的最佳线性方程。最后，对比了自然光下各生理参数的估算结果误差，分析了在3种光照环境下各参数的估算结果。结果表明：3种光照环境下得到的心率平均误差为0.5512次/min，呼吸率平均误差为−0.6321次/min，血氧饱和度平均误差为−0.2743%。综上，本文提出的非接触式生理参数估算方法精度高，具有普适性和稳定性，估算结果同标准仪器的测量结果具有高度一致性，可满足日常生理参数测量的需求。
2022, 15(2): 286-296.
doi: 10.37188/CO.2021-0152
摘要:
激光散斑被广泛应用于生物医学，成像探测以及无损检测等应用中，为了提升目标在环系统中基于散斑统计特性反馈远场激光聚焦光斑质量的评价效率和精度。提出了多通道协同探测的方法获得回波散斑信号的时间空间融合评价因子，并对散斑场统计理论、多点协同探测系统模型和散斑时间与空间频谱融合统计特性展开深入研究。首先，利用单点探测器探测动态散斑的强度波动信号，对其进行滤波、自相关和傅立叶变换后获得散斑场的功率谱，再乘以权重获得散斑评价因子，探究该评价因子监视远场光斑的可行性。然后，提出对探测面不同空间位点获得的时间信号进行拼接的方法，并列举实现该方法的先决条件。最后，通过仿真与实验验证利用散斑场融合频谱获得评价因子的有效性。结果表明，动态散斑评价因子随目标光斑尺寸的增加而减小，当探测面上4通道协同获取的信号不相关时，评价因子取平均可使精度提高2倍，而时间空间融合频谱获得的评价因子可保证精度的同时使系统带宽提高4倍。综上所述，多点协同获取的散斑评价因子可以更快速的监视远距离运动目标的光斑变化。
激光散斑被广泛应用于生物医学，成像探测以及无损检测等应用中，为了提升目标在环系统中基于散斑统计特性反馈远场激光聚焦光斑质量的评价效率和精度。提出了多通道协同探测的方法获得回波散斑信号的时间空间融合评价因子，并对散斑场统计理论、多点协同探测系统模型和散斑时间与空间频谱融合统计特性展开深入研究。首先，利用单点探测器探测动态散斑的强度波动信号，对其进行滤波、自相关和傅立叶变换后获得散斑场的功率谱，再乘以权重获得散斑评价因子，探究该评价因子监视远场光斑的可行性。然后，提出对探测面不同空间位点获得的时间信号进行拼接的方法，并列举实现该方法的先决条件。最后，通过仿真与实验验证利用散斑场融合频谱获得评价因子的有效性。结果表明，动态散斑评价因子随目标光斑尺寸的增加而减小，当探测面上4通道协同获取的信号不相关时，评价因子取平均可使精度提高2倍，而时间空间融合频谱获得的评价因子可保证精度的同时使系统带宽提高4倍。综上所述，多点协同获取的散斑评价因子可以更快速的监视远距离运动目标的光斑变化。
2022, 15(2): 297-305.
doi: 10.37188/CO.2021-0162
摘要:
水体对光线的散射是水下图像质量劣化的重要因素，为了定量分析在特定光源照射下水体散射的影响，建立了光线水下传输的散射模型，以此为基础推导出求解水下光场分布的Fredholm积分方程。在水中光线能量随距离的增大呈指数规律衰减，基于此，在水体体散射函数为常数的情况下，给出了有边界条件时该积分方程的数值迭代求解方法，得到高精度的水下光场分布。以太阳、均匀亮度天空、水下点光源以及空中点光源为例，分别给出了水面平静时的水下光场的计算结果。该求解方法可推广应用于任意光源配置、任意边界条件下的水下光场分布，为严格推导水体点扩展函数及调制传递函数奠定了基础。
水体对光线的散射是水下图像质量劣化的重要因素，为了定量分析在特定光源照射下水体散射的影响，建立了光线水下传输的散射模型，以此为基础推导出求解水下光场分布的Fredholm积分方程。在水中光线能量随距离的增大呈指数规律衰减，基于此，在水体体散射函数为常数的情况下，给出了有边界条件时该积分方程的数值迭代求解方法，得到高精度的水下光场分布。以太阳、均匀亮度天空、水下点光源以及空中点光源为例，分别给出了水面平静时的水下光场的计算结果。该求解方法可推广应用于任意光源配置、任意边界条件下的水下光场分布，为严格推导水体点扩展函数及调制传递函数奠定了基础。
2022, 15(2): 306-317.
doi: 10.37188/CO.2021-0130
摘要:
自适应光学校正技术可有效提升固体板条激光器的光束质量，但随着激光器输出功率的提升，输出光束口径逐渐增加，系统体积逐渐增大，自适应光学校正系统的设计难度也增加了。因此，在满足自适应光学校正系统中共轭探测等需求的前提下，统筹优化系统的尺寸参数，同时实现波前相位、光束质量评估等多参数的检测具有一定的研究意义。本文在系统整体尺寸为350 mm×180 mm×220 mm（长×宽×高）的条件下，研究实现了板条激光器输出160 mm×120 mm矩形光束多参数的检测。针对探测口径大、筒长限制、长出瞳距等技术要求，首先，利用双高斯初始结构的消像差特点，结合非球面技术，采用大倍率光束压缩后分光探测的设计方案，实现多参数的同时探测。其次，基于摄远成像和共轭成像等原理，确定系统初始参数。接着，建立仿真模型分析系统的成像质量和公差，为实验的搭建提供依据。最后，搭建实验平台验证设计结果。结果表明：所设计系统可在满足物像共轭、尺寸约束等条件下，实现对大口径矩形光束的共轭波前探测、光强均匀度检测和光束质量评估。实验测得被测光束β因子为1.24倍衍射极限，均匀度为73.8%，满足技术指标要求。
自适应光学校正技术可有效提升固体板条激光器的光束质量，但随着激光器输出功率的提升，输出光束口径逐渐增加，系统体积逐渐增大，自适应光学校正系统的设计难度也增加了。因此，在满足自适应光学校正系统中共轭探测等需求的前提下，统筹优化系统的尺寸参数，同时实现波前相位、光束质量评估等多参数的检测具有一定的研究意义。本文在系统整体尺寸为350 mm×180 mm×220 mm（长×宽×高）的条件下，研究实现了板条激光器输出160 mm×120 mm矩形光束多参数的检测。针对探测口径大、筒长限制、长出瞳距等技术要求，首先，利用双高斯初始结构的消像差特点，结合非球面技术，采用大倍率光束压缩后分光探测的设计方案，实现多参数的同时探测。其次，基于摄远成像和共轭成像等原理，确定系统初始参数。接着，建立仿真模型分析系统的成像质量和公差，为实验的搭建提供依据。最后，搭建实验平台验证设计结果。结果表明：所设计系统可在满足物像共轭、尺寸约束等条件下，实现对大口径矩形光束的共轭波前探测、光强均匀度检测和光束质量评估。实验测得被测光束β因子为1.24倍衍射极限，均匀度为73.8%，满足技术指标要求。
2022, 15(2): 318-326.
doi: 10.37188/CO.2021-0106
摘要:
为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量，提升大口径望远镜系统的像质，本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先，对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着，对绝对检测算法进行了理论研究，利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差，从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度，本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算，实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域，采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测，并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明，利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离，绝对检测结果的残差图RMS（Root-mean square）值为0.29 nm，证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。
为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量，提升大口径望远镜系统的像质，本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先，对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着，对绝对检测算法进行了理论研究，利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差，从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度，本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算，实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域，采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测，并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明，利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离，绝对检测结果的残差图RMS（Root-mean square）值为0.29 nm，证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。
2022, 15(2): 327-338.
doi: 10.37188/CO.2021-0144
摘要:
为了校正玻璃介质在高温变形测量中引起的测量误差，本文将玻璃介质作为相机标定模型的一部分，基于摄影测量技术和数字图像相关法，提出一种复杂环境下的双目相机标定方法，将其应用在高温变形测量中。首先，针对复杂环境下图像质量差引起的标定困难问题，采用带畸变校正的相机成像模型，通过捆绑调整的相机标定方法完成双目相机标定，提高了标定成功率和稳定性。其次，针对复杂环境下双目相机标定精度低的问题，分析镜头焦距、环境光干扰和玻璃与相机距离等因素对标定结果的影响，给出最佳标定参数，使得标定重投影误差由0.832个像素减少到0.132个像素。最后，采用有玻璃介质的测量环境，比较标定时有无玻璃两种情况下的测量误差，结果表明：本文方法能大幅减少测量误差。试验结果表明，该方法能够有效减少高温环境下玻璃介质导致的位移场测量误差，X，Y和Z轴位移场平均测量误差分别减少70.16%，76.51%和40.05%。本文方法能够实现复杂环境下相机高精度标定，标定稳定性好，是实现高温变形准确测量的有效途径。
为了校正玻璃介质在高温变形测量中引起的测量误差，本文将玻璃介质作为相机标定模型的一部分，基于摄影测量技术和数字图像相关法，提出一种复杂环境下的双目相机标定方法，将其应用在高温变形测量中。首先，针对复杂环境下图像质量差引起的标定困难问题，采用带畸变校正的相机成像模型，通过捆绑调整的相机标定方法完成双目相机标定，提高了标定成功率和稳定性。其次，针对复杂环境下双目相机标定精度低的问题，分析镜头焦距、环境光干扰和玻璃与相机距离等因素对标定结果的影响，给出最佳标定参数，使得标定重投影误差由0.832个像素减少到0.132个像素。最后，采用有玻璃介质的测量环境，比较标定时有无玻璃两种情况下的测量误差，结果表明：本文方法能大幅减少测量误差。试验结果表明，该方法能够有效减少高温环境下玻璃介质导致的位移场测量误差，X，Y和Z轴位移场平均测量误差分别减少70.16%，76.51%和40.05%。本文方法能够实现复杂环境下相机高精度标定，标定稳定性好，是实现高温变形准确测量的有效途径。
2022, 15(2): 339-347.
doi: 10.37188/CO.2021-0132
摘要:
为了获得数字微镜器件（DMD）的真实光学特性，提出了微镜单元杂散光分布测试方法，并搭建实验装置对2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况进行测试。提出了一种杂散光测试方法，并针对微镜单元尺寸小、配置方式灵活的特点，设计了汇聚光斑大小连续可调的照明系统以及可以对微镜单元清晰成像的成像系统。通过实验得到了2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况。测试结果表明，单个微镜单元中心孔道位置附近反射的能量较强，靠近边缘位置反射的能量则相对较弱。此外，测试区域之外的微镜单元也会反射一部分能量，测试区域内微镜单元杂散光绝对强度最大值出现在中心孔道附近，其灰度值为6.86，紧邻测试区域微镜单元杂散光绝对强度最大值同样也出现在中心孔道附近，其灰度值为4.01，由此可以说明中心孔道位置附近的杂散光较强；测试区域内微镜单元的杂散光相对强度相对较弱，从测试区域边缘开始急剧增大，经过大约两个微镜单元后达到峰值，数值为293.5%，此后开始急剧下降。
为了获得数字微镜器件（DMD）的真实光学特性，提出了微镜单元杂散光分布测试方法，并搭建实验装置对2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况进行测试。提出了一种杂散光测试方法，并针对微镜单元尺寸小、配置方式灵活的特点，设计了汇聚光斑大小连续可调的照明系统以及可以对微镜单元清晰成像的成像系统。通过实验得到了2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况。测试结果表明，单个微镜单元中心孔道位置附近反射的能量较强，靠近边缘位置反射的能量则相对较弱。此外，测试区域之外的微镜单元也会反射一部分能量，测试区域内微镜单元杂散光绝对强度最大值出现在中心孔道附近，其灰度值为6.86，紧邻测试区域微镜单元杂散光绝对强度最大值同样也出现在中心孔道附近，其灰度值为4.01，由此可以说明中心孔道位置附近的杂散光较强；测试区域内微镜单元的杂散光相对强度相对较弱，从测试区域边缘开始急剧增大，经过大约两个微镜单元后达到峰值，数值为293.5%，此后开始急剧下降。
2022, 15(2): 348-354.
doi: 10.37188/CO.2021-0119
摘要:
针对高光谱成像需求，设计了一套可见/近红外实时成像光谱仪。光谱仪基于声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter , AOTF）分光器件进行设计，光谱带宽为1.3 μm，其中可见光相机工作在400~1000 nm波段，近红外相机工作在1000~1700 nm波段。光谱仪控制系统以现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）为核心处理单元，使用Cameralink接口采集相机数据，使用RS422串口对AOTF进行频率控制，通过AOTF同步信号与相机外触发信号相结合，实现了连续图像与多波长循环采集的一一对应，图像数据最后经过USB3.0接口传输到上位机进行实时显示。经外场测试，光谱仪成像质量良好，系统工作稳定，针对1024×1024分辨率图像，图像实时传输速率最高可达120 frame/s，满足设计要求。在实际工程应用中，该控制系统接口丰富，且可靠性高、灵活性好，具有较强的可扩展性。
针对高光谱成像需求，设计了一套可见/近红外实时成像光谱仪。光谱仪基于声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter , AOTF）分光器件进行设计，光谱带宽为1.3 μm，其中可见光相机工作在400~1000 nm波段，近红外相机工作在1000~1700 nm波段。光谱仪控制系统以现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）为核心处理单元，使用Cameralink接口采集相机数据，使用RS422串口对AOTF进行频率控制，通过AOTF同步信号与相机外触发信号相结合，实现了连续图像与多波长循环采集的一一对应，图像数据最后经过USB3.0接口传输到上位机进行实时显示。经外场测试，光谱仪成像质量良好，系统工作稳定，针对1024×1024分辨率图像，图像实时传输速率最高可达120 frame/s，满足设计要求。在实际工程应用中，该控制系统接口丰富，且可靠性高、灵活性好，具有较强的可扩展性。
2022, 15(2): 355-363.
doi: 10.37188/CO.2021-0089
摘要:
微细铣刀在主轴上存在装夹偏角时，会加剧刀刃磨损，降低刀具使用寿命。为了精确观测微细铣刀在机倾斜状态，提出了基于景深的微细铣刀三维位姿重建方法。利用激光同轴数字全息实验装置得到微细铣刀全息图，并通过菲涅尔再现算法获得再现像。在再现像中提取刀具边缘点作为关键点，采用小波变换局部方差算子求出关键点的聚焦程度，确定铣刀对应的轴向位置。利用最小二乘法对关键点拟合修正重建误差，实现微细铣刀的三维位姿重建。实验结果表明,基于景深的微细铣刀三维位姿重建方法获得的微细铣刀重建误差优于0.1°。该方法能够精确测量微细铣刀三维位姿，可为后续的微细铣刀装夹精度修正提供参考依据。
微细铣刀在主轴上存在装夹偏角时，会加剧刀刃磨损，降低刀具使用寿命。为了精确观测微细铣刀在机倾斜状态，提出了基于景深的微细铣刀三维位姿重建方法。利用激光同轴数字全息实验装置得到微细铣刀全息图，并通过菲涅尔再现算法获得再现像。在再现像中提取刀具边缘点作为关键点，采用小波变换局部方差算子求出关键点的聚焦程度，确定铣刀对应的轴向位置。利用最小二乘法对关键点拟合修正重建误差，实现微细铣刀的三维位姿重建。实验结果表明,基于景深的微细铣刀三维位姿重建方法获得的微细铣刀重建误差优于0.1°。该方法能够精确测量微细铣刀三维位姿，可为后续的微细铣刀装夹精度修正提供参考依据。
2022, 15(2): 364-372.
doi: 10.37188/CO.EN.2021-0010
摘要:
本文研究了部分相干啁啾光学相干涡旋晶格在生物组织湍流中的平均光强和光谱位移，详细探讨了单色光场中的光学晶格结构和多色光场中的光谱快速跃迁特性。研究表明：在生物组织湍流中，光束从具有涡旋核的环形结构演变为具有暗区的周期阵列结构，最后呈类高斯图样。尽管晶格常数能调制光束结构，但它不影响光束在生物组织湍流中的光谱跃迁行为。光束在生物组织中的传输距离越小越有利于光谱快速跃迁，并且随着啁啾参数增大和脉冲持续时间的减小会导致发生光谱快速跃迁的横坐标减小。光谱跃迁和光谱位移会受到生物组织湍流的长距离累积效应的压制，并且湍流越强，其光谱位移越小。本文所得结果对生物组织中的图像识别、医疗器械和无损光学诊疗技术具有潜在应用。
本文研究了部分相干啁啾光学相干涡旋晶格在生物组织湍流中的平均光强和光谱位移，详细探讨了单色光场中的光学晶格结构和多色光场中的光谱快速跃迁特性。研究表明：在生物组织湍流中，光束从具有涡旋核的环形结构演变为具有暗区的周期阵列结构，最后呈类高斯图样。尽管晶格常数能调制光束结构，但它不影响光束在生物组织湍流中的光谱跃迁行为。光束在生物组织中的传输距离越小越有利于光谱快速跃迁，并且随着啁啾参数增大和脉冲持续时间的减小会导致发生光谱快速跃迁的横坐标减小。光谱跃迁和光谱位移会受到生物组织湍流的长距离累积效应的压制，并且湍流越强，其光谱位移越小。本文所得结果对生物组织中的图像识别、医疗器械和无损光学诊疗技术具有潜在应用。
2022, 15(2): 373-386.
doi: 10.37188/CO.2021-0149
摘要:
基于碳纳米材料/体半导体范德华（vdW）异质结的光电器件可以同时实现碳纳米材料的超高载流子迁移率以及体半导体的优异光电性能，且具有结构简单、工艺简便、易于调控界面等优点。尤其是通过调控单壁碳纳米管（SWCNT）的直径/手性、费米能级等可以与体半导体形成能带匹配、具有原子级界面的新型混合维度vdW异质结。本文报道了一种基于（6，5）手性为主的SWCNT薄膜与n型GaAs所形成的pn结的宽光谱自驱动光电探测器，并利用石墨烯降低SWCNT薄膜内载流子的复合几率和促进载流子传输。实验结果表明，器件对405~1064 nm波段光子表现出高灵敏的光电响应，零偏压条件下最大光电响应度和比探测率分别可达1.214 A/W和2×1012 Jones。
基于碳纳米材料/体半导体范德华（vdW）异质结的光电器件可以同时实现碳纳米材料的超高载流子迁移率以及体半导体的优异光电性能，且具有结构简单、工艺简便、易于调控界面等优点。尤其是通过调控单壁碳纳米管（SWCNT）的直径/手性、费米能级等可以与体半导体形成能带匹配、具有原子级界面的新型混合维度vdW异质结。本文报道了一种基于（6，5）手性为主的SWCNT薄膜与n型GaAs所形成的pn结的宽光谱自驱动光电探测器，并利用石墨烯降低SWCNT薄膜内载流子的复合几率和促进载流子传输。实验结果表明，器件对405~1064 nm波段光子表现出高灵敏的光电响应，零偏压条件下最大光电响应度和比探测率分别可达1.214 A/W和2×1012 Jones。
2022, 15(2): 387-403.
doi: 10.37188/CO.2021-0174
摘要:
本文提出了一种宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器。在超材料吸收器的结构中，引入了相变材料二氧化钒（VO2），仅利用单个可切换超表面就能实现不同的功能，其不同功能之间的相互转换通过VO2绝缘态和金属态之间的可逆相变特性实现。当VO2处于金属态时，设计的结构可以看作一个超材料宽带吸收器。仿真结果表明，在1.55THz至2.21THz的宽带频率范围内，吸收率超过98%。当VO2处于绝缘态时，该结构作为窄带吸收器，在共振频率2.54THz、2.93THz和3.34THz处的吸收率在95%以上，实现了完美吸收。此外，还讨论了几何参数对超材料吸收器吸收率性能的影响。由于单元结构的对称性，该吸收器在电磁波垂直入射时具有极化不敏感特性，并且在大入射角范围内仍能保持良好的吸收性能。因此，本文提出的可切换双功能超材料吸收器可广泛应用于太赫兹调制、热发射器和电磁能量采集等各种领域。
本文提出了一种宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器。在超材料吸收器的结构中，引入了相变材料二氧化钒（VO2），仅利用单个可切换超表面就能实现不同的功能，其不同功能之间的相互转换通过VO2绝缘态和金属态之间的可逆相变特性实现。当VO2处于金属态时，设计的结构可以看作一个超材料宽带吸收器。仿真结果表明，在1.55THz至2.21THz的宽带频率范围内，吸收率超过98%。当VO2处于绝缘态时，该结构作为窄带吸收器，在共振频率2.54THz、2.93THz和3.34THz处的吸收率在95%以上，实现了完美吸收。此外，还讨论了几何参数对超材料吸收器吸收率性能的影响。由于单元结构的对称性，该吸收器在电磁波垂直入射时具有极化不敏感特性，并且在大入射角范围内仍能保持良好的吸收性能。因此，本文提出的可切换双功能超材料吸收器可广泛应用于太赫兹调制、热发射器和电磁能量采集等各种领域。
