当期目录

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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$640 \times 480$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:

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:

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:

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。