Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China
2 Centre for Optical and Electromagnetic Research, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Mode splitters that directly separate modes without changing their orders are highly promising to improve the flexibility of the mode-division multiplexing systems. In this paper, we design a high-performance mode splitter on the silicon-on-insulator platform with a compact footprint of 14 µm× 2.5 µm using an inverse design method based on shape optimization. The fabrication of this mode splitter requires only a single lithography step and exhibits good fabrication tolerances. The experimental results show that the proposed device exhibits state-of-the-art insertion loss (<0.9 dB) and cross talk (<-16 dB) over a broad bandwidth (1500–1600 nm). Furthermore, the shape optimization method used is implemented to design a dual-mode (de)multiplexer, and the experimental results fulfill the design objective, demonstrating the excellent generality of the design method in this paper.
integrated optics inverse design mode splitter Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011302
1 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072
2 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024
背景去除是从单幅条纹投影图中恢复相位的重要问题之一，提出了一种改进的模糊c均值（FCM）聚类算法来移除单幅条纹投影图中的背景。该方法使用改进的FCM算法将条纹分为黑、白条纹，并通过改进的FCM目标函数得到背景，从而从条纹投影图中去除背景。将该方法应用在两张模拟图和一张实验图上，并与傅里叶变换方法、基于形态学操作的二维经验模态分解方法、变分分解TV-Hilbert-L2模型进行了比较。实验结果表明，该方法提高了背景去除的能力和相位提取的精度。
成像系统 图像处理 条纹投影图 模糊c均值聚类 傅里叶变换 激光与光电子学进展
2022, 59(24): 2411002
合肥京东方光电科技有限公司，安徽 合肥 230012
根据异物晕不良形成原因及修复方法，分析了成盒盒厚及压头直径对不良修复成功率的影响因素。当面板盒厚大小不同时，在相同压力值下修复成功率存在差异，不同盒厚产品对应的修复最佳压力值大小并不相同。面板盒厚越小达到最佳修复效果所需的压力值越大，反之亦然。压头直径的变化直接影响作用在基板表面的压强，随着压强增加，修复成功率先增后减，碎屏率在一定压强后显著增加。研究表明，在实际生产中对异物晕不良进行按压修复时，需针对不同型号的产品盒厚找出合适的压力，并通过达到最佳效果所需的压强找出合适的压头，以保障良好的修复效果。
盒厚 压头直径 按压修复 成功率 cell gap diameter of head pressing repair effect of repair
1 北京信息科技大学 光电测试技术与仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
手术机器人的末端操作力测量是实现机器人精准控制的关键，对保证手术操作的安全性至关重要。文中针对微创手术软体机器人末端三维力测量的实际需求，提出一种基于光纤光栅的微创软体机器人末端三维力的测量方法。基于光纤光栅传感原理，分析光纤传感器植入在软体机器人中的传感特性，建立基于最小二乘法线性标定和基于伯恩斯坦多项式非线性补偿的软体机器人末端力解耦模型，研究光纤光栅中心波长漂移量和软体机器人末端三维力之间的关系。并通过实验测试和对比分析验证了基于线性标定和非线性解耦算法的光纤传感软体机器人末端力测量性能研究结果表明：光纤光栅传感的可重复性平均为1.5 pm，末端力在XYZ三个方向上的测量精度误差均低于满量程的5%，且残差分布大部分集中在可靠区间，具有良好的重复性。所提出的基于光纤光栅的软体机器人末端力解耦算法为微创手术软体机器人的末端力精确测量提供了有效的方法，在生物医学等软体机器人的末端力测量中具有应用前景。
光纤光栅 力传感器 软体机器人 fiber Bragg grating force sensor soft robot 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200386
华北电力大学(保定)环境科学与工程系, 河北 保定 071003
奶粉中蛋白质的含量是决定奶粉品质的重要指标。 奶粉可以通过掺杂三聚氰胺以虚假提高奶粉中蛋白质的检测值, 严重危害了消费者的身体健康。 采用傅里叶变换中红外光谱(FTIR)联合化学计量学的模式识别方法(模型)对奶粉中的三聚氰胺进行快速鉴别, 借助模式识别技术实现了对中红外光谱客观量化的解析, 克服了谱图比对鉴别的局限性、 复杂性及主观性。 分别配置纯奶粉样品和具有不同质量浓度(0.01‰~0.2%)三聚氰胺的掺伪奶粉样品。 扫描得到样品的中红外透射光谱数据后, 首先对原始光谱数据进行归一化预处理, 然后采用包括无监督(聚类)和有监督(判别)的多种模式识别(分类)方法进行综合分析比较。 其中, 传统的主成分分析(PCA)、 距离判别法(欧式距离和皮尔逊相关系数)和非负矩阵分解(NMF)无监督模式识别方法均无法准确鉴别出纯奶粉和掺三聚氰胺的奶粉样品; 采用有监督的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型识别掺伪奶粉样品时, 识别灵敏度与特异度也较低; 最后采用线性判别分析方法(LDA)和非相关线性判别分析方法(ULDA), 成功地实现了含三聚氰胺掺伪奶粉的鉴别, 识别灵敏度和特异度均达到100%。 尤其ULDA方法最大化了两类样本之间的距离, 筛选出包含最佳分类信息的特征变量, 仅用一个判别矢量便可对样本进行区分。 利用ULDA方法进行了红外光谱重要变量(特征波长)的筛选, 考察了保留变量与识别准确率的关系, 在保留较少变量数目下实现了纯奶粉与掺三聚氰胺奶粉的鉴别, 对于奶粉中三聚氰胺的定性识别浓度可低至0.01‰。 因此, 提出基于中红外光谱快捷、 准确地识别奶粉中掺入低含量三聚氰胺的模式识别模型, 相比传统的化学分析方法有优势, 为奶粉的掺伪识别与质量控制提供了有效的途径, 并可拓展应用到其他食品的真伪优劣的鉴别中。
奶粉 三聚氰胺 中红外光谱 模式识别 非相关线性判别分析 Milk powder Melamine Mid-infrared spectroscopy Pattern recognition Uncorrelated linear discriminant analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3235
1 天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
2 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连116024
提出了一种基于矢量分解和混沌随机相位掩模编码的光学非对称彩色图像加密方法。当输入图像是一幅实值图像时,矢量分解的引入使得第一块相位掩模也能作为密钥,进而使得加密系统成为非对称加密系统。用二维Henon混沌映射生成的两个混沌相位掩模替代双随机相位掩模,将混沌系统的初始值和控制参数作为密钥,增加密钥空间,为加密系统提供更多的安全性。对加密系统的密钥敏感性、图像相邻像素间的相关性、抗剪切攻击性、抗噪声攻击性、抗选择明文攻击性等进行测试,测试结果证明了所提加密系统的可行性和安全性。
图像处理 图像加密 矢量分解 Henon映射 混沌随机相位掩模 激光与光电子学进展
2020, 57(4): 041002
1 天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
2 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连116023
在散斑去噪过程中保持图像边缘纹理特征,是光学相干层析图像处理技术的难题。散斑去噪过程中的散斑残留和边缘纹理模糊是该难题的主要诱导因素。为解决这一难题,提出一种基于剪切波变换的改进全变分散斑去噪方法。该方法结合剪切波变换和传统全变分模型,对不同图像区域采用针对性的去噪策略,兼顾散斑去噪与纹理保留,提高了光学相干层析图像的噪声抑制效果。对不同生理、病理状态下的视网膜光学相干层析图像进行测试,结果表明:该方法通过采用区域针对性策略改进了噪声抑制能力,通过引入剪切波变换方法提高了边缘纹理保持能力,进而同时实现散斑去除和纹理保留。此外,与其他散斑去噪方法进行对比,验证了该方法的有效性。
图像处理 散斑去噪 边缘纹理保护 光学相干层析 剪切波变换 全变分 激光与光电子学进展
2020, 57(2): 021003
天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
提出了一种基于多尺度Retinex算法的光干涉条纹图像增强算法,论述了该算法的原理以及实现过程。选取了大、中、小三种不同尺度,结合各个尺度的优点,针对光学干涉条纹图的特点,对不同的尺度取不同的权重。与两种常用的光学图像增强方法进行对比实验,并通过主观和客观的评价进一步说明本方法的有效性。实验结果表明,对于对比度低且光照不均匀的光干涉条纹图像,所提算法可以显著提高图像的可视性,改善光照不均匀的问题,克服照度不均匀给条纹图后续处理带来的困难。
图像处理 图像增强 光干涉条纹图 照度不均匀 多尺度Retinex 激光与光电子学进展
2019, 56(24): 241006
1 天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
2 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024
提出了一种基于多尺度特征融合的全卷积神经网络的视网膜血管分割方法,无需手工设计特征和后处理过程。利用跳跃连接构建编码器-解码器结构全卷积神经网络,将高层语义信息和低层特征信息进行融合;利用残差块进一步学习细节和纹理特征;利用不同空洞率的空洞卷积构建多尺度空间金字塔池化结构,进一步扩大感受野,充分结合图像上下文信息;采用类别平衡损失函数解决正负样本不均衡问题。实验结果表明,在DRIVE(Digital Retinal Images for Vessel Extraction)和STARE (Structured Analysis of the Retina)数据集上的准确率分别为95.46%和96.84%,敏感性分别为80.53%和82.99%,特异性分别为97.67%和97.94%,受试者工作特征(ROC)曲线下的面积分别为97.71%和98.17%。所提方法相较于其他方法性能更优。
图像处理 图像识别 视网膜血管 全卷积神经网络 多尺度分割 监督学习
1 天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
2 天津大学理学院, 天津 300072
3 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024
介绍了变分图像分解图像处理方法的基本原理、常用的函数空间及变分图像分解模型。回顾了近几年变分图像分解图像处理方法在电子散斑干涉(ESPI)信息提取技术中的应用成果, 包括应用变分图像分解图像处理方法实现ESPI条纹图的滤波处理、ESPI条纹图方向和密度的计算和ESPI条纹图骨架线的提取。介绍了这些方法相较于传统方法的优势, 并进一步展望了变分图像分解图像处理方法在光测技术中的发展趋势。
遥感 条纹分析 变分图像分解 电子散斑干涉 骨架线
