2021年 14卷 第3期
2021, 14(3): 447-457.
doi: 10.37188/CO.2020-0199
摘要
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摘要:
智能制造不断向着精密化、微型化、集成化的方向发展，具有代表性的集成电路技术及其衍生出的MEMS等微型传感器技术等得以迅猛发展，快速精确地获取微型器件表面信息并进行缺陷检测对于集成电路和MEMS等产业发展具有重要意义。基于结构光的条纹投影技术具有非接触、高精度、高效率、全场测量等优点，在精密测量中发挥着重要的作用。近年来，显微条纹投影测量系统，包括其光学系统结构，系统标定，相位获取以及三维重建方法等各个方面取得了重大发展。本文回顾了显微条纹投影三维测量系统的结构原理，分析了不同于传统投射模型的小视场系统标定问题，介绍了显微投影系统结构发展过程，同时对由系统结构以及金属测量时造成的反光问题进行了分析，在此基础上，对显微条纹投影三维测量系统的发展前景进行了展望。
智能制造不断向着精密化、微型化、集成化的方向发展，具有代表性的集成电路技术及其衍生出的MEMS等微型传感器技术等得以迅猛发展，快速精确地获取微型器件表面信息并进行缺陷检测对于集成电路和MEMS等产业发展具有重要意义。基于结构光的条纹投影技术具有非接触、高精度、高效率、全场测量等优点，在精密测量中发挥着重要的作用。近年来，显微条纹投影测量系统，包括其光学系统结构，系统标定，相位获取以及三维重建方法等各个方面取得了重大发展。本文回顾了显微条纹投影三维测量系统的结构原理，分析了不同于传统投射模型的小视场系统标定问题，介绍了显微投影系统结构发展过程，同时对由系统结构以及金属测量时造成的反光问题进行了分析，在此基础上，对显微条纹投影三维测量系统的发展前景进行了展望。
2021, 14(3): 458-469.
doi: 10.37188/CO.2020-0180
摘要:
发光谱位于3~5 μm大气窗口处的中红外激光在医疗、工业加工、大气遥感、空间通讯、红外对抗等领域具有广泛的应用前景。以过渡金属（TM）掺杂Ⅱ~Ⅵ族硫化物晶体作为增益介质的激光器件可实现中红外激光输出，其中Fe2+:ZnSe激光器具有转换效率高、中红外波段可调谐范围宽、结构紧凑等优点，是中红外波段实现高功率、高能量、短脉冲的最有效途径之一。随着近些年材料技术的发展，Fe2+:ZnSe激光器发展迅速，逐渐成为热点之一。本文综述了以Fe2+:ZnSe激光器为代表的TM2+:Ⅱ~Ⅵ族激光器的发展历程，介绍并分析了Fe2+:ZnSe增益介质的制备方法，讨论了影响Fe2+:ZnSe激光器性能的泵浦源及因素，综合评述了Fe2+:ZnSe激光器的输出特性，总结了Fe2+:ZnSe激光器在室温和超短脉冲方向上的最新进展，并展望了Fe2+:ZnSe激光器后续可能的发展方向。
发光谱位于3~5 μm大气窗口处的中红外激光在医疗、工业加工、大气遥感、空间通讯、红外对抗等领域具有广泛的应用前景。以过渡金属（TM）掺杂Ⅱ~Ⅵ族硫化物晶体作为增益介质的激光器件可实现中红外激光输出，其中Fe2+:ZnSe激光器具有转换效率高、中红外波段可调谐范围宽、结构紧凑等优点，是中红外波段实现高功率、高能量、短脉冲的最有效途径之一。随着近些年材料技术的发展，Fe2+:ZnSe激光器发展迅速，逐渐成为热点之一。本文综述了以Fe2+:ZnSe激光器为代表的TM2+:Ⅱ~Ⅵ族激光器的发展历程，介绍并分析了Fe2+:ZnSe增益介质的制备方法，讨论了影响Fe2+:ZnSe激光器性能的泵浦源及因素，综合评述了Fe2+:ZnSe激光器的输出特性，总结了Fe2+:ZnSe激光器在室温和超短脉冲方向上的最新进展，并展望了Fe2+:ZnSe激光器后续可能的发展方向。
2021, 14(3): 470-486.
doi: 10.37188/CO.2020-0093
摘要:
作为一种新型快速的物质成分分析技术，激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）已经在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力。然而，由于野外作业或工业现场检测环境嘈杂恶劣，对仪器设备的尺寸和抗恶劣环境的能力提出了更高的要求。近年来，新型激光器的发展进一步促进了LIBS仪器化的进程，使得其逐渐从实验室迈向工业应用，同时也使得LIBS系统逐渐趋于仪器化、专业化、便携化。本文综述了便携式LIBS的发展历程，对各种激光光源（小型Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案）应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论，探讨了当前便携式LIBS存在的基本问题，并对其未来发展趋势进行了展望。
作为一种新型快速的物质成分分析技术，激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）已经在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力。然而，由于野外作业或工业现场检测环境嘈杂恶劣，对仪器设备的尺寸和抗恶劣环境的能力提出了更高的要求。近年来，新型激光器的发展进一步促进了LIBS仪器化的进程，使得其逐渐从实验室迈向工业应用，同时也使得LIBS系统逐渐趋于仪器化、专业化、便携化。本文综述了便携式LIBS的发展历程，对各种激光光源（小型Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案）应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论，探讨了当前便携式LIBS存在的基本问题，并对其未来发展趋势进行了展望。
2021, 14(3): 487-502.
doi: 10.37188/CO.2020-0134
摘要:
基于地雷独特机械特性和声-地震耦合原理的声-地震耦合探雷技术，在埋设地雷的安全有效探测方面具有广阔的应用前景，但针对实用工程探雷系统的研究还需要做大量工作。其中，声波耦合的地表振动信号非常微弱复杂，如何对其进行精确快速测量是一个关键难题。本文在声-地震耦合探雷技术原理的基础上，对地表振动的非接触激光测量技术（包括激光多普勒干涉技术、电子散斑干涉技术和激光自混合干涉技术）进行综述分析，并分析了电子剪切散斑干涉技术用于声-地震耦合探雷的可行性。
基于地雷独特机械特性和声-地震耦合原理的声-地震耦合探雷技术，在埋设地雷的安全有效探测方面具有广阔的应用前景，但针对实用工程探雷系统的研究还需要做大量工作。其中，声波耦合的地表振动信号非常微弱复杂，如何对其进行精确快速测量是一个关键难题。本文在声-地震耦合探雷技术原理的基础上，对地表振动的非接触激光测量技术（包括激光多普勒干涉技术、电子散斑干涉技术和激光自混合干涉技术）进行综述分析，并分析了电子剪切散斑干涉技术用于声-地震耦合探雷的可行性。
2021, 14(3): 503-515.
doi: 10.37188/CO.2020-0039
摘要:
基于电光晶体的偏振调制技术在激光三维成像领域起着越来越重要的作用。受限于铌酸锂（LN）材料的低视场和高半波电压，采用传统电光调制技术难以进一步提升三维成像性能。随着钙钛矿结构电光材料制备工艺的日趋成熟，基于新型材料的电光调制技术将成为突破激光三维成像探测精度的最佳手段，铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT）、锆钛酸镧铅（PLZT）和钽铌酸钾（KTN）3种典型材料具有优良的电光性能和介电性质；能够突破视场和半波电压的限制，但应用到电光调制领域时存在PMNT调制带宽较低、PLZT透过性能较差、KTN实际应用带宽较低等难题。未来的研究将着眼于将该调制技术的实用性，一方面通过掺杂改性等手段提升电光调制性能，另一方面通过建立性能表征模型优化系统的信噪比。
基于电光晶体的偏振调制技术在激光三维成像领域起着越来越重要的作用。受限于铌酸锂（LN）材料的低视场和高半波电压，采用传统电光调制技术难以进一步提升三维成像性能。随着钙钛矿结构电光材料制备工艺的日趋成熟，基于新型材料的电光调制技术将成为突破激光三维成像探测精度的最佳手段，铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT）、锆钛酸镧铅（PLZT）和钽铌酸钾（KTN）3种典型材料具有优良的电光性能和介电性质；能够突破视场和半波电压的限制，但应用到电光调制领域时存在PMNT调制带宽较低、PLZT透过性能较差、KTN实际应用带宽较低等难题。未来的研究将着眼于将该调制技术的实用性，一方面通过掺杂改性等手段提升电光调制性能，另一方面通过建立性能表征模型优化系统的信噪比。
2021, 14(3): 516-527.
doi: 10.37188/CO.2020-0051
摘要:
可见光通信（VLC）由于可以弥补射频通信的不足而成为研究热点，正交频分复用（OFDM）技术因其高数据速率和抗频率选择性衰落被广泛应用在VLC中。本文从能量效率、频谱效率、误码率、计算复杂度等方面对可见光通信系统中OFDM调制技术进行研究和比较，主要包括基于离散傅立叶变换的单极性方案、改进或增强型方案和混合型方案，基于哈特莱变换的光OFDM，以及基于LED索引调制的光OFDM。文中介绍了多种光OFDM调制技术的工作原理综合对比了频谱效率等性能；研究了光OFDM系统接收机改进方案；总结了可见光OFDM系统存在的问题和未来研究方向。本文对可见光OFDM系统进行归纳和总结，为提出更加高效的单极化调制技术、进一步提高系统频谱效率及可靠性提供了参考。
可见光通信（VLC）由于可以弥补射频通信的不足而成为研究热点，正交频分复用（OFDM）技术因其高数据速率和抗频率选择性衰落被广泛应用在VLC中。本文从能量效率、频谱效率、误码率、计算复杂度等方面对可见光通信系统中OFDM调制技术进行研究和比较，主要包括基于离散傅立叶变换的单极性方案、改进或增强型方案和混合型方案，基于哈特莱变换的光OFDM，以及基于LED索引调制的光OFDM。文中介绍了多种光OFDM调制技术的工作原理综合对比了频谱效率等性能；研究了光OFDM系统接收机改进方案；总结了可见光OFDM系统存在的问题和未来研究方向。本文对可见光OFDM系统进行归纳和总结，为提出更加高效的单极化调制技术、进一步提高系统频谱效率及可靠性提供了参考。
2021, 14(3): 528-535.
doi: 10.37188/CO.2019-0222
摘要:
采用高温固相法制备了金属离子Bi3+掺杂Lu1-xO3: x%Ho3+系列荧光粉，研究了不同浓度Bi3+掺杂Lu1-xO3: x%Ho3+荧光粉的晶体结构、Lu2O3基质中Bi3+→Ho3+的能量传递规律及合成粉体的发光性质。X射线衍射结果表明Bi3+、Ho3+掺杂对Lu2O3的立方相结构没有影响。在322 nm激发波长下发射出位于551 nm处Ho3+的5S2→5I8跃迁；在551 nm监测下，合成的Ho3+、Bi3+共掺杂Lu2O3荧光粉出现Bi3+的322 nm特征激发峰以及Ho3+的448 nm处的5I8→5F1跃迁。当Bi3+掺杂浓度为1.5%时，Bi3+对Ho3+的能量传递最有效，比单掺Ho3+样品发射强度提高了34.8倍。Lu98.5%−yO3:1.5%Ho3+, y%Bi3+(y=1，1.5，2)样品，随着Bi3+掺杂浓度增加，用980 nm激发比322 nm激发在551 nm处获得的光强分别提高了 13.3倍、16.8倍、14.2倍。通过计算得到Bi3+和Ho3+之间的能量传递临界距离为2.979 nm，且Bi3+与Ho3+之间的能量传递是通过偶极-四极相互作用实现的。
采用高温固相法制备了金属离子Bi3+掺杂Lu1-xO3: x%Ho3+系列荧光粉，研究了不同浓度Bi3+掺杂Lu1-xO3: x%Ho3+荧光粉的晶体结构、Lu2O3基质中Bi3+→Ho3+的能量传递规律及合成粉体的发光性质。X射线衍射结果表明Bi3+、Ho3+掺杂对Lu2O3的立方相结构没有影响。在322 nm激发波长下发射出位于551 nm处Ho3+的5S2→5I8跃迁；在551 nm监测下，合成的Ho3+、Bi3+共掺杂Lu2O3荧光粉出现Bi3+的322 nm特征激发峰以及Ho3+的448 nm处的5I8→5F1跃迁。当Bi3+掺杂浓度为1.5%时，Bi3+对Ho3+的能量传递最有效，比单掺Ho3+样品发射强度提高了34.8倍。Lu98.5%−yO3:1.5%Ho3+, y%Bi3+(y=1，1.5，2)样品，随着Bi3+掺杂浓度增加，用980 nm激发比322 nm激发在551 nm处获得的光强分别提高了 13.3倍、16.8倍、14.2倍。通过计算得到Bi3+和Ho3+之间的能量传递临界距离为2.979 nm，且Bi3+与Ho3+之间的能量传递是通过偶极-四极相互作用实现的。
2021, 14(3): 536-543.
doi: 10.37188/CO.2020-0206
摘要:
双色滤光片在其任意一个几何位置上，均能够有效透过两个精确控制的光谱通道，它可以提升光学探测装置对目标的识别能力。本文选用单晶Ge作为基片，Ge和ZnSe分别作为高低折射率膜层材料，研制了一种包含3.2~3.8 μm(通道1)和4.9~5.4 μm(通道2)两个通道的红外双色滤光片。在高真空中以热蒸发的方式镀制了滤光片的光学膜层，采用单波长的极值百分比光学监控(POEM)方法控制膜层的光学厚度。在100 K低温下，通道1的平均透射率为94.2%，顶部波纹幅度为5.7%；通道2的平均透射率为96.5%，顶部波纹幅度为0.6%。在两个通道之间(4.0~4.7 μm)的截止区域内，平均透射率小于0.16%。该红外双色滤光片具有良好的光学稳定性，有利于高速运动目标的识别。
双色滤光片在其任意一个几何位置上，均能够有效透过两个精确控制的光谱通道，它可以提升光学探测装置对目标的识别能力。本文选用单晶Ge作为基片，Ge和ZnSe分别作为高低折射率膜层材料，研制了一种包含3.2~3.8 μm(通道1)和4.9~5.4 μm(通道2)两个通道的红外双色滤光片。在高真空中以热蒸发的方式镀制了滤光片的光学膜层，采用单波长的极值百分比光学监控(POEM)方法控制膜层的光学厚度。在100 K低温下，通道1的平均透射率为94.2%，顶部波纹幅度为5.7%；通道2的平均透射率为96.5%，顶部波纹幅度为0.6%。在两个通道之间(4.0~4.7 μm)的截止区域内，平均透射率小于0.16%。该红外双色滤光片具有良好的光学稳定性，有利于高速运动目标的识别。
2021, 14(3): 544-551.
doi: 10.37188/CO.2020-0212
摘要:
为了减少短波蓝光对人眼的伤害，同时确保蓝光对人体节律的有益调节，精确控制400~500 nm的透射斜率在蓝光防护中尤为重要。本文提出非线性玻尔兹曼函数拟合长波通薄膜的方法，分别通过非线性及线性光谱目标值优化得到膜系结构(Z1)和(Z2)。通过对比(Z1)和(Z2)薄膜的光谱和导纳图，分析可知经非线性目标值优化后的薄膜具有可控的斜率和更好的通带光谱性能。采用电子束蒸发离子束辅助沉积方法制备了14层蓝光防护薄膜，其光谱性能满足新国标GB/T38120—2019的技术要求。结果表明，所制备的单面光学多层薄膜在紫外385~415 nm的平均透过率小于3.2%，高能蓝光415~445 nm的平均透过率小于30.88%，有益蓝光445~475 nm的透过率大于81.9%，在剩余可见光波段的透过率大于95.5%。该方法为蓝光防护提供了一个新的解决方案，对于视觉防护、移动终端、眼镜、电脑桌面、移动数字屏幕等有潜在应用价值。
为了减少短波蓝光对人眼的伤害，同时确保蓝光对人体节律的有益调节，精确控制400~500 nm的透射斜率在蓝光防护中尤为重要。本文提出非线性玻尔兹曼函数拟合长波通薄膜的方法，分别通过非线性及线性光谱目标值优化得到膜系结构(Z1)和(Z2)。通过对比(Z1)和(Z2)薄膜的光谱和导纳图，分析可知经非线性目标值优化后的薄膜具有可控的斜率和更好的通带光谱性能。采用电子束蒸发离子束辅助沉积方法制备了14层蓝光防护薄膜，其光谱性能满足新国标GB/T38120—2019的技术要求。结果表明，所制备的单面光学多层薄膜在紫外385~415 nm的平均透过率小于3.2%，高能蓝光415~445 nm的平均透过率小于30.88%，有益蓝光445~475 nm的透过率大于81.9%，在剩余可见光波段的透过率大于95.5%。该方法为蓝光防护提供了一个新的解决方案，对于视觉防护、移动终端、眼镜、电脑桌面、移动数字屏幕等有潜在应用价值。
2021, 14(3): 552-559.
doi: 10.37188/CO.2020-0110
摘要:
针对CO2激光修复熔石英表面损伤点后得到的修复点（简称损伤修复点）产生的光调制问题，重点研究损伤修复点在镀增透膜前后的形貌及光调制的变化规律，探讨修复点深度、宽度等形貌因素对SiO2胶体在修复点坑内沉积的影响，以及对光调制效应的影响。研究结果表明：胶体材料在损伤修复点坑内具有明显的富集效应，可有效改善损伤修复点的形貌尺寸，尤其是对深度的影响尤为明显。这虽然会导致损伤修复点镀膜后最大光调制位置的增大，但该最大光调制却远小于相应未镀膜损伤修复点引起的调制度。研究结果对进一步优化熔石英表面损伤点的修复工艺及光调制度控制提供参考。
针对CO2激光修复熔石英表面损伤点后得到的修复点（简称损伤修复点）产生的光调制问题，重点研究损伤修复点在镀增透膜前后的形貌及光调制的变化规律，探讨修复点深度、宽度等形貌因素对SiO2胶体在修复点坑内沉积的影响，以及对光调制效应的影响。研究结果表明：胶体材料在损伤修复点坑内具有明显的富集效应，可有效改善损伤修复点的形貌尺寸，尤其是对深度的影响尤为明显。这虽然会导致损伤修复点镀膜后最大光调制位置的增大，但该最大光调制却远小于相应未镀膜损伤修复点引起的调制度。研究结果对进一步优化熔石英表面损伤点的修复工艺及光调制度控制提供参考。
2021, 14(3): 560-565.
doi: 10.37188/CO.2020-0154
摘要:
为了开展激光吸收涂层性能研究，建立了激光加载吸收涂层样品模型，根据材料物性参数模拟了激光能量耦合过程，分析了不同参数激光加载条件下的温升情况。对铜基底表面碳氮化硅涂层开展了反射特性研究，并通过激光辐照实验，开展了涂层样品的抗激光损伤技术研究，得到了强激光辐照下涂层的温度阈值。本文的研究内容为激光能量测量装置涂层选材及参数设计提供了技术支持。
为了开展激光吸收涂层性能研究，建立了激光加载吸收涂层样品模型，根据材料物性参数模拟了激光能量耦合过程，分析了不同参数激光加载条件下的温升情况。对铜基底表面碳氮化硅涂层开展了反射特性研究，并通过激光辐照实验，开展了涂层样品的抗激光损伤技术研究，得到了强激光辐照下涂层的温度阈值。本文的研究内容为激光能量测量装置涂层选材及参数设计提供了技术支持。
2021, 14(3): 566-577.
doi: 10.37188/CO.2020-0085
摘要:
本文研究基于可见/近红外透射光谱技术的红提糖度和含水率的无损检测方法。采集360个红提样本，并分别利用标准正态变量变换（Standard Normal Variable transformation，SNV）、SavitZky-Golay卷积平滑处理法（SavitZky-Golay，S_G）等光谱预处理方法处理后的数据建立PLSR模型，分别采用一次降维（GA、SPA、CARS、UVE）和二次降维组合（CARS-SPA、UVE-SPA、GA-SPA）7种数据降维方法对光谱进行特征变量提取，分别建立红提糖度和含水率的偏最小二乘回归算法(Partial Least Squares Regression，PLSR)和最小二乘支持向量机（Least Squares Support Vector Machine，LSSVM）含量检测模型并对比分析模型的优劣。结果表明：红提糖度和含水率的最优PLSR模型波长提取方法为GA-SPA-PLSR，最优模型的预测集相关系数分别为0.958、0.938；红提糖度和含水率的最优LSSVM模型波长提取方法分别为CARS-SPA-LSSVM、UVE-SPA-LSSVM，最优模型的预测集相关系数分别为0.969、0.942；LSSVM所建模型的效果好于PLSR所建模型，但模型的运算时间较长。研究结果表明：基于可见/近红外技术无损检测红提糖度和含水率的方法可行，两种最优检测模型的预测精度均较高，都能满足检测要求。在不同应用下，可酌情选择不同模型，PLSR所建最优模型的运算时间较短，适合在线快速检测；LSSVM的检测性能最佳，可更加准确地检测红提糖度和含水率。
本文研究基于可见/近红外透射光谱技术的红提糖度和含水率的无损检测方法。采集360个红提样本，并分别利用标准正态变量变换（Standard Normal Variable transformation，SNV）、SavitZky-Golay卷积平滑处理法（SavitZky-Golay，S_G）等光谱预处理方法处理后的数据建立PLSR模型，分别采用一次降维（GA、SPA、CARS、UVE）和二次降维组合（CARS-SPA、UVE-SPA、GA-SPA）7种数据降维方法对光谱进行特征变量提取，分别建立红提糖度和含水率的偏最小二乘回归算法(Partial Least Squares Regression，PLSR)和最小二乘支持向量机（Least Squares Support Vector Machine，LSSVM）含量检测模型并对比分析模型的优劣。结果表明：红提糖度和含水率的最优PLSR模型波长提取方法为GA-SPA-PLSR，最优模型的预测集相关系数分别为0.958、0.938；红提糖度和含水率的最优LSSVM模型波长提取方法分别为CARS-SPA-LSSVM、UVE-SPA-LSSVM，最优模型的预测集相关系数分别为0.969、0.942；LSSVM所建模型的效果好于PLSR所建模型，但模型的运算时间较长。研究结果表明：基于可见/近红外技术无损检测红提糖度和含水率的方法可行，两种最优检测模型的预测精度均较高，都能满足检测要求。在不同应用下，可酌情选择不同模型，PLSR所建最优模型的运算时间较短，适合在线快速检测；LSSVM的检测性能最佳，可更加准确地检测红提糖度和含水率。
2021, 14(3): 578-586.
doi: 10.37188/CO.2020-0086
摘要:
高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向。本文针对在微弱光照射情况下，因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题，提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术。通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道，可在电子倍增CCD（EMCCD）微光器件上实现偏振和微光探测的集成。经试验验证，该技术获取的偏振信息准确度较高，且无偏振单元，使得器件的最低工作照度不被降低，器件同时具备微光-偏振探测功能，除可大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外，还具有加工难度低、成本低等优点。
高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向。本文针对在微弱光照射情况下，因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题，提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术。通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道，可在电子倍增CCD（EMCCD）微光器件上实现偏振和微光探测的集成。经试验验证，该技术获取的偏振信息准确度较高，且无偏振单元，使得器件的最低工作照度不被降低，器件同时具备微光-偏振探测功能，除可大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外，还具有加工难度低、成本低等优点。
2021, 14(3): 587-595.
doi: 10.37188/CO.2020-0165
摘要:
针对现有方法处理包含多个显著目标以及显著目标的某些区域与背景区域对比不明显的场景所得显著图不够精细，甚至会丢失某些显著性区域的不足，本文提出了一种结合相机阵列选择性光场重聚焦的显著性检测方法。选用光场数据集，利用同一场景的多幅视点图像，首先对中心视点图像进行结合超分辨率的重聚焦渲染；然后利用基于图的显著性检测方法提出结合全局和局部平滑度约束的传播模型以防止错误标签传播，得到的显著性粗图经过目标图的细化后最终输出精细的检测结果。另外，对于包含多个显著目标的场景，通过选择对场景中某一深度层进行重聚焦，同时对其他深度层产生不同程度的模糊，可以更精确、细致地检测出位于该深度层上的显著目标，一定程度上实现了可选择的显著性检测。在4D光场数据集上进行了实验，结果表明：本文提出的方法所得显著图与真值图之间的平均绝对误差的均值为0.212 8，较现有方法有所降低，检测结果包含更丰富的显著性目标信息，改善了现有显著性检测方法的不足。
针对现有方法处理包含多个显著目标以及显著目标的某些区域与背景区域对比不明显的场景所得显著图不够精细，甚至会丢失某些显著性区域的不足，本文提出了一种结合相机阵列选择性光场重聚焦的显著性检测方法。选用光场数据集，利用同一场景的多幅视点图像，首先对中心视点图像进行结合超分辨率的重聚焦渲染；然后利用基于图的显著性检测方法提出结合全局和局部平滑度约束的传播模型以防止错误标签传播，得到的显著性粗图经过目标图的细化后最终输出精细的检测结果。另外，对于包含多个显著目标的场景，通过选择对场景中某一深度层进行重聚焦，同时对其他深度层产生不同程度的模糊，可以更精确、细致地检测出位于该深度层上的显著目标，一定程度上实现了可选择的显著性检测。在4D光场数据集上进行了实验，结果表明：本文提出的方法所得显著图与真值图之间的平均绝对误差的均值为0.212 8，较现有方法有所降低，检测结果包含更丰富的显著性目标信息，改善了现有显著性检测方法的不足。
2021, 14(3): 596-604.
doi: 10.37188/CO.2020-0166
摘要:
基于正弦光栅条纹投影的三维测量技术是当前研究的热点问题。然而，受噪声的影响，采集到的光栅条纹图像质量降低，导致提取的相位发生扰动，而相位的提取结果直接决定着测量结果的准确性。实际测量中噪声未知，针对这一问题，本文提出了一种盲去噪方法。首先，根据残差模型，完成光栅条纹图像的真值图像与噪声图像的分离，然后，引入主成分分析技术估计出噪声图像的方差值。最后，根据噪声方差的估计值，利用基于相图的高斯滤波方法，将针对多帧光栅图像的噪声滤波转换到提取的相位图上完成。由实验结果可知，和对比方法相比，本文方法的均方根相位误差最高下降了88.5%，所提方法处理后的相位更加接近测量体的真值相位。本文方法可在最短的执行时间内实现对噪声导致的相位扰动进行抑制。所提方法能够快速处理光栅图像噪声引起的相位误差，在光栅投影测量中具有较强的实用性。
基于正弦光栅条纹投影的三维测量技术是当前研究的热点问题。然而，受噪声的影响，采集到的光栅条纹图像质量降低，导致提取的相位发生扰动，而相位的提取结果直接决定着测量结果的准确性。实际测量中噪声未知，针对这一问题，本文提出了一种盲去噪方法。首先，根据残差模型，完成光栅条纹图像的真值图像与噪声图像的分离，然后，引入主成分分析技术估计出噪声图像的方差值。最后，根据噪声方差的估计值，利用基于相图的高斯滤波方法，将针对多帧光栅图像的噪声滤波转换到提取的相位图上完成。由实验结果可知，和对比方法相比，本文方法的均方根相位误差最高下降了88.5%，所提方法处理后的相位更加接近测量体的真值相位。本文方法可在最短的执行时间内实现对噪声导致的相位扰动进行抑制。所提方法能够快速处理光栅图像噪声引起的相位误差，在光栅投影测量中具有较强的实用性。
2021, 14(3): 605-614.
doi: 10.37188/CO.2020-0170
摘要:
在眼科疾病检测中，为了对被检测者进行快速、准确、自动化的瞳孔定位，提出一种改进径向对称变换的瞳孔中心点定位算法。首先利用灰度积分投影法结合最大类间方差法，完成对人眼图像的粗分割，并根据多团块筛选条件提取出只包含瞳孔的感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)。然后对ROI采用最小外接矩形结合灰度级形态学线性滤波方法，完成搜索半径范围的设置。最后，利用改进的径向对称变换算法进行瞳孔中心点定位。实验结果表明：本文算法的定位误差在8 pixel以内，平均定位时间为0.366 s，能够适应人眼图像中噪声干扰、采集不完整等大量非理性状态，满足多种红外眼科疾病检测设备对瞳孔定位算法的要求。
在眼科疾病检测中，为了对被检测者进行快速、准确、自动化的瞳孔定位，提出一种改进径向对称变换的瞳孔中心点定位算法。首先利用灰度积分投影法结合最大类间方差法，完成对人眼图像的粗分割，并根据多团块筛选条件提取出只包含瞳孔的感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)。然后对ROI采用最小外接矩形结合灰度级形态学线性滤波方法，完成搜索半径范围的设置。最后，利用改进的径向对称变换算法进行瞳孔中心点定位。实验结果表明：本文算法的定位误差在8 pixel以内，平均定位时间为0.366 s，能够适应人眼图像中噪声干扰、采集不完整等大量非理性状态，满足多种红外眼科疾病检测设备对瞳孔定位算法的要求。
2021, 14(3): 615-624.
doi: 10.37188/CO.2021-0029
摘要:
为满足星敏镜头的标准化设计需求，建立了基于参数化建模的星敏镜头辅助设计系统，以缩短产品设计周期及提高镜头设计的工艺质量和可靠性。首先，梳理了光学定心取边工艺的星敏镜头结构设计参数及其相互关系，然后基于光学设计输入对镜片设计进行参数化建模，通过实时计算镜片的设计工艺性指标，辅助设计者合理调整透镜设计，将工艺保障落实到设计的全过程；对镜片结构部分进行基于尺寸链的回转体多段线参数化建模，对镜片组件的镜片安装方式、方位、结构尺寸等进行自动设计和图形呈现，替代了人工重复性的设计操作，通过装配图全局设计与镜片组件设计相结合，并实时反馈镜头重量等信息，辅助设计者合理设计空间布局、评估设计结果，从而快速迭代镜头设计。使用结果表明：9片透镜的星敏镜头的装配图设计用时从原来的约15小时降低到约3小时，极大地提高了设计效率，设计的工艺性和可靠性得到保障。本文设计方案满足星敏镜头的标准化设计需求，并为其他精密仪器的参数化建模提供思路。
为满足星敏镜头的标准化设计需求，建立了基于参数化建模的星敏镜头辅助设计系统，以缩短产品设计周期及提高镜头设计的工艺质量和可靠性。首先，梳理了光学定心取边工艺的星敏镜头结构设计参数及其相互关系，然后基于光学设计输入对镜片设计进行参数化建模，通过实时计算镜片的设计工艺性指标，辅助设计者合理调整透镜设计，将工艺保障落实到设计的全过程；对镜片结构部分进行基于尺寸链的回转体多段线参数化建模，对镜片组件的镜片安装方式、方位、结构尺寸等进行自动设计和图形呈现，替代了人工重复性的设计操作，通过装配图全局设计与镜片组件设计相结合，并实时反馈镜头重量等信息，辅助设计者合理设计空间布局、评估设计结果，从而快速迭代镜头设计。使用结果表明：9片透镜的星敏镜头的装配图设计用时从原来的约15小时降低到约3小时，极大地提高了设计效率，设计的工艺性和可靠性得到保障。本文设计方案满足星敏镜头的标准化设计需求，并为其他精密仪器的参数化建模提供思路。
2021, 14(3): 625-633.
doi: 10.37188/CO.2020-0133
摘要:
为了解决空间光电跟瞄系统在真空环境下的多光轴标校问题，本文首先根据空间光电跟瞄系统的多光轴一致性检测精度要求，设计了一套多光轴标校系统。接着，对多光轴标校系统各子系统进行了详尽的误差分析，并给出了关键子系统的误差影响抑制方法。然后，对通信技术试验卫星三号的空间光电跟瞄系统进行了实验室环境与真空环境下的技术测试，分析了多光轴标校系统在两种测试环境下的误差来源以及测试精度，并给出了测试结果。最后，对多光轴标校系统进行了精度验证。最终结果表明：本文设计的多光轴标校系统在实验室测试环境下的标校精度为0.998″，收发平行度标定误差为1.165″；在真空测试环境下的标校精度为1.219″，收发平行度标定误差为1.359″，完全满足空间光电跟瞄系统1.5″的多光轴检测精度要求，为相关工程应用提供了技术支持。
为了解决空间光电跟瞄系统在真空环境下的多光轴标校问题，本文首先根据空间光电跟瞄系统的多光轴一致性检测精度要求，设计了一套多光轴标校系统。接着，对多光轴标校系统各子系统进行了详尽的误差分析，并给出了关键子系统的误差影响抑制方法。然后，对通信技术试验卫星三号的空间光电跟瞄系统进行了实验室环境与真空环境下的技术测试，分析了多光轴标校系统在两种测试环境下的误差来源以及测试精度，并给出了测试结果。最后，对多光轴标校系统进行了精度验证。最终结果表明：本文设计的多光轴标校系统在实验室测试环境下的标校精度为0.998″，收发平行度标定误差为1.165″；在真空测试环境下的标校精度为1.219″，收发平行度标定误差为1.359″，完全满足空间光电跟瞄系统1.5″的多光轴检测精度要求，为相关工程应用提供了技术支持。
2021, 14(3): 634-642.
doi: 10.37188/CO.2020-0201
摘要:
本文分析了固定波长激光掩星差分吸收技术的优点和不足，介绍了可调谐激光直接吸收光谱技术测量原理。分析了最优波长透过率与信噪比的关系以及测量误差与背景光干扰的关系。根据高灵敏度探测器的工作波长范围，选择了6310.915 cm−1、6310.893 cm−1、6310.890 cm−1、6310.8834 cm−1作为吸收的工作波长，同时选择6310.15 cm−1作为参考波长，并对各波长的探测能力进行了仿真分析。通过仿真结果可知，在1 km垂直分辨率下，在5~35 km内CO2浓度探测误差优于0.9%，7~42 km范围内的探测误差优于0.4%。该技术降低了系统成本和复杂度，有利于星载产品的设计和实现。
本文分析了固定波长激光掩星差分吸收技术的优点和不足，介绍了可调谐激光直接吸收光谱技术测量原理。分析了最优波长透过率与信噪比的关系以及测量误差与背景光干扰的关系。根据高灵敏度探测器的工作波长范围，选择了6310.915 cm−1、6310.893 cm−1、6310.890 cm−1、6310.8834 cm−1作为吸收的工作波长，同时选择6310.15 cm−1作为参考波长，并对各波长的探测能力进行了仿真分析。通过仿真结果可知，在1 km垂直分辨率下，在5~35 km内CO2浓度探测误差优于0.9%，7~42 km范围内的探测误差优于0.4%。该技术降低了系统成本和复杂度，有利于星载产品的设计和实现。
2021, 14(3): 643-651.
doi: 10.37188/CO.2020-0179
摘要:
为了实现振镜旋转角度的高精度测量，设计了一种利用反射式圆形衍射光栅的角度测量系统，对该系统的测量原理、测量过程、测量精度等进行了相应的设计、仿真与验证。设计与振镜同轴的反射镜，搭配反射式圆光栅以及光敏检测器件，利用反射式圆光栅产生的±1级衍射光干涉，把振镜转角位移量转化为干涉条纹光强的变化，以实现振镜转角的测量。实验结果表明：该测量系统能实现振镜±10°的角度测量，测量精度为10″。实现了振镜旋转角度的高精度测量，并且该装置结构紧凑，满足扫描振镜的小巧化设计需求。
为了实现振镜旋转角度的高精度测量，设计了一种利用反射式圆形衍射光栅的角度测量系统，对该系统的测量原理、测量过程、测量精度等进行了相应的设计、仿真与验证。设计与振镜同轴的反射镜，搭配反射式圆光栅以及光敏检测器件，利用反射式圆光栅产生的±1级衍射光干涉，把振镜转角位移量转化为干涉条纹光强的变化，以实现振镜转角的测量。实验结果表明：该测量系统能实现振镜±10°的角度测量，测量精度为10″。实现了振镜旋转角度的高精度测量，并且该装置结构紧凑，满足扫描振镜的小巧化设计需求。
2021, 14(3): 652-660.
doi: 10.37188/CO.2020-0149
摘要:
在超声无损检测时，搭接激光窄焊缝接头尺寸较小，采用传统6 dB法对其界面处的熔宽判定存在较大的误差。为了提高检测精度，通过研究传统6 dB法的检测误差来源，采用有限元分析方法分析了激光焊接头内部入射超声波的传播规律和反射回波特性，构建了基于修正6 dB法的激光焊接头熔宽评估模型，并通过物理实验进行了验证。研究结果表明，上板底面的一次回波幅值可作为反映接头内部结构的特征值，当探头中心对应接头内部焊缝熔合线边缘位置时，一次回波幅值的衰减度随上板板厚而变化，据此可根据上板板厚选择衰减度值对传统6 dB法进行修正，从而定量计算接头内部板层接触面处的有效熔宽。实际激光焊接头的超声检测结果证实：采用修正6 dB法求解出的激光焊接头的熔宽与物理实验结果吻合良好，对实际生产中超声检测激光焊接头的精度提升提供了参考。
在超声无损检测时，搭接激光窄焊缝接头尺寸较小，采用传统6 dB法对其界面处的熔宽判定存在较大的误差。为了提高检测精度，通过研究传统6 dB法的检测误差来源，采用有限元分析方法分析了激光焊接头内部入射超声波的传播规律和反射回波特性，构建了基于修正6 dB法的激光焊接头熔宽评估模型，并通过物理实验进行了验证。研究结果表明，上板底面的一次回波幅值可作为反映接头内部结构的特征值，当探头中心对应接头内部焊缝熔合线边缘位置时，一次回波幅值的衰减度随上板板厚而变化，据此可根据上板板厚选择衰减度值对传统6 dB法进行修正，从而定量计算接头内部板层接触面处的有效熔宽。实际激光焊接头的超声检测结果证实：采用修正6 dB法求解出的激光焊接头的熔宽与物理实验结果吻合良好，对实际生产中超声检测激光焊接头的精度提升提供了参考。
2021, 14(3): 661-669.
doi: 10.37188/CO.2020-0143
摘要:
在测量系统中，CCD的非线性效应会影响复杂光学三维面形的测量精度，针对这一问题，提出采用双频光栅投影消除CCD的非线性效应以提高测量精度。首先，分析了CCD非线性效应对三维面形测量的影响，给出了该情况下出现频谱混叠的解析推导和物理解释。然后，讨论了CCD非线性效应下的双频光栅测量原理，分析了此时变形条纹的光强分布及其经傅立叶变换后得到混叠频谱的原理。最后，给出了由等效波长来衡量测量精度的方法，推出了使用双频光栅投影测量三维面形高度信息的基本公式，并进行了理论分析。对最大绝对值与平均绝对值分别为24.3181 mm和1.0839 mm的物体进行仿真分析，测量值与实际值之间的最大绝对高度误差与平均绝对高度误差分别为0.8950 mm和0.0622 mm，提高双频光栅基频后，其对应值分别减小为0.3710 mm和0.0232 mm；在实验结果显示，当双频光栅的基频都增加2.5倍后，频谱中的基频与高级频谱间分离较好，测量精度提高。因此，采用双频光栅投影消除CCD非线性效应具有较强的实用性和很好的发展前景。
在测量系统中，CCD的非线性效应会影响复杂光学三维面形的测量精度，针对这一问题，提出采用双频光栅投影消除CCD的非线性效应以提高测量精度。首先，分析了CCD非线性效应对三维面形测量的影响，给出了该情况下出现频谱混叠的解析推导和物理解释。然后，讨论了CCD非线性效应下的双频光栅测量原理，分析了此时变形条纹的光强分布及其经傅立叶变换后得到混叠频谱的原理。最后，给出了由等效波长来衡量测量精度的方法，推出了使用双频光栅投影测量三维面形高度信息的基本公式，并进行了理论分析。对最大绝对值与平均绝对值分别为24.3181 mm和1.0839 mm的物体进行仿真分析，测量值与实际值之间的最大绝对高度误差与平均绝对高度误差分别为0.8950 mm和0.0622 mm，提高双频光栅基频后，其对应值分别减小为0.3710 mm和0.0232 mm；在实验结果显示，当双频光栅的基频都增加2.5倍后，频谱中的基频与高级频谱间分离较好，测量精度提高。因此，采用双频光栅投影消除CCD非线性效应具有较强的实用性和很好的发展前景。
2021, 14(3): 670-684.
doi: 10.37188/CO.2020-0211
摘要:
在主动式自动光学检测系统中，获取高质量的图像具有重要意义。除相机外，光源热稳定性对获取的图像质量也会产生重要影响。为了确保光学检测系统光源的热稳定性以获取高质量的图像，论文提出了一种散热型LED阵列结构光源设计方法。首先，基于单个LED热阻特性建立单个LED的热阻模型。其次，以两个相邻的LED为例，分析同色光LED在单一阵列中的结温特性，并建立LED阵列结构光源的结温模型。最后，基于建立的结温模型，提出散热型LED阵列结构光源设计方法。特别地，论文提出了将散热型结构光源设计问题分解为两个相对简单子问题的方法，进而简化结构光源设计过程。实验结果表明，该设计方法的仿真结温偏差在−0.33%~0.33%之间，实验结温偏差为2.28%，验证了该方法的有效性。
在主动式自动光学检测系统中，获取高质量的图像具有重要意义。除相机外，光源热稳定性对获取的图像质量也会产生重要影响。为了确保光学检测系统光源的热稳定性以获取高质量的图像，论文提出了一种散热型LED阵列结构光源设计方法。首先，基于单个LED热阻特性建立单个LED的热阻模型。其次，以两个相邻的LED为例，分析同色光LED在单一阵列中的结温特性，并建立LED阵列结构光源的结温模型。最后，基于建立的结温模型，提出散热型LED阵列结构光源设计方法。特别地，论文提出了将散热型结构光源设计问题分解为两个相对简单子问题的方法，进而简化结构光源设计过程。实验结果表明，该设计方法的仿真结温偏差在−0.33%~0.33%之间，实验结温偏差为2.28%，验证了该方法的有效性。
2021, 14(3): 685-703.
doi: 10.37188/CO.2020-0136
摘要:
增益比定标误差是影响偏振激光雷达退偏比精度的主要因素之一，观测前必须进行准确的增益比定标。本文分析了现存多种增益比定标方法的基本原理，并通过实验对比了+45°法、±45°法、∆45°法、旋转拟合法与退偏器法等增益比定标方法的定标准确性与优缺点。实验结果表明：∆45°法、±45°法与旋转拟合法在对准偏失角较小的情况下定标相对准确，但±45°法与旋转拟合法操作较为繁琐。+45°法在无对准偏失角的情况下定标误差仍较大。退偏器法操作最简便，但会受到非理想退偏器的制约。通过理论分析与实验对比，本文给出了增益比定标方法的最佳选择，即在一般情况下采用∆45°法定标，在有高精度退偏器的情况下采用退偏器法定标。
增益比定标误差是影响偏振激光雷达退偏比精度的主要因素之一，观测前必须进行准确的增益比定标。本文分析了现存多种增益比定标方法的基本原理，并通过实验对比了+45°法、±45°法、∆45°法、旋转拟合法与退偏器法等增益比定标方法的定标准确性与优缺点。实验结果表明：∆45°法、±45°法与旋转拟合法在对准偏失角较小的情况下定标相对准确，但±45°法与旋转拟合法操作较为繁琐。+45°法在无对准偏失角的情况下定标误差仍较大。退偏器法操作最简便，但会受到非理想退偏器的制约。通过理论分析与实验对比，本文给出了增益比定标方法的最佳选择，即在一般情况下采用∆45°法定标，在有高精度退偏器的情况下采用退偏器法定标。
2021, 14(3): 704-716.
doi: 10.37188/CO.2020-0138
摘要:
激光光束在大气湍流传输过程中会受到环境的影响并导致其光学特性发生变化，而部分相干光相对于传统的完全相干光而言，能够减小大气湍流所带来的负面影响。本文选择携带扭曲相位的拉盖尔—高斯关联光束，并基于拓展的惠更斯—菲涅尔衍射积分理论、Wigner函数分布、扭曲相位的基本性质以及非柯尔莫哥洛夫湍流的功率谱模型，导出了该光束在大气湍流环境中传输的交叉谱密度函数和光束质量因子。本文使用构建的数学模型，数值模拟了在不同扭曲因子、横截面相干度和光束阶数的条件下大气湍流对光束的影响。理论结果表明，携带高扭曲因子、低截面向相干性的高阶拉盖尔—高斯关联光束能够有效抑制大气湍流的影响。
激光光束在大气湍流传输过程中会受到环境的影响并导致其光学特性发生变化，而部分相干光相对于传统的完全相干光而言，能够减小大气湍流所带来的负面影响。本文选择携带扭曲相位的拉盖尔—高斯关联光束，并基于拓展的惠更斯—菲涅尔衍射积分理论、Wigner函数分布、扭曲相位的基本性质以及非柯尔莫哥洛夫湍流的功率谱模型，导出了该光束在大气湍流环境中传输的交叉谱密度函数和光束质量因子。本文使用构建的数学模型，数值模拟了在不同扭曲因子、横截面相干度和光束阶数的条件下大气湍流对光束的影响。理论结果表明，携带高扭曲因子、低截面向相干性的高阶拉盖尔—高斯关联光束能够有效抑制大气湍流的影响。
