西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为了解决现有的光学系统在机载等领域中的局限性，引入自由度比较丰富的光学自由曲面，设计了一个小 F 数、大视场、较轻便的机载中波红外离轴两反光学系统。采用反射式的光学系统并通过离轴方式消除光线遮拦，通过 XY 多项式表达的自由曲面，运用前 6 阶项有效地平衡了高级像差。最终得到一款焦距为 240 mm，视场角为 3.8°，F 数为 3 的中波红外光学系统，在全视场范围内系统的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）接近衍射极限，各视场的弥散斑均方根（Root Mean Square，RMS）半径在单个探测器像元尺寸15 μm 以内，整体物理尺寸小于 130 mm（X）×180 mm（Y）×240 mm（Z）。最终结果表明，该系统在满足成像质量的同时，其结构简单，轻便性较好，可广泛应用于机载对地侦察成像等领域中。
机载 离轴两反 自由曲面 小F数 XY多项式 airborne off-axis two-mirror freeform surfaces small F number XY polynomials
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
针对机器视觉检测光学镜片表面疵病时，在单一的照明环境下疵病图像对比度低，检测方法疵病识别率低等问题，提出了一种双光源下光学镜片表面疵病视觉检测方法。根据散射成像原理，在前照光和背照光两种不同的照明方式下，使用图像传感器得到含有疵病的被测光学镜片图像；再将多幅图像通过图像融合算法融合为一幅图像；最后，利用识别算法获得光学镜片表面的疵病尺寸信息。对两种不同的疵病（划痕、麻点）进行检测，将本系统的测试结果与ZYGO干涉仪的处理结果进行对比，结果表明，所提方法测量的麻点误差不超过2.7%，划痕误差不超过0.8%，检测效率比干涉仪提高了98.24%，缩短了检测时间。与单一照明环境下的检测方法和人工检测相比，所提方法对疵病的识别准确率与精度更高。
疵病检测 双光源 机器视觉 散射成像 图像融合 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1012004
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
针对太赫兹频率选择表面（FSS）单元结构复杂、参数繁多、优化耗时等问题，基于卷积神经网络（CNN）并结合遗传算法，提出一种FSS智能化融合设计方法，并将其应用于典型滤波FSS的性能优化设计。将FSS周期单元拓扑编码为16×16的“0/1”旋转对称序列，收集26000组0.5~3 THz的透反射光谱作为数据集，利用19层CNN实现光谱预测，对测试集的平均绝对误差低至0.06。利用预测光谱与目标光谱的差值，给出各类典型FSS设计的通用目标函数，结合遗传算法，设计实现了带宽为0.1 THz的单频带通和带阻FSS、带宽为0.5 THz的单频带通和带阻FSS、带宽为0.2 THz的双频带通FSS，且均具有良好极化稳定性。计算结果表明，通过优化设计FSS的拓扑编码，可以简洁高效地实现各类典型带通带阻FSS。
频率选择表面 拓扑编码 卷积神经网络 遗传算法 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0424001
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为了表征伪装涂层表面的辐射偏振特性，以Priest Germer（P‐G）模型为基础，针对镜面反射和漫反射，建立一种基于几何衰减效应的二分量偏振双向反射分布函数（pBRDF）模型，引入镜面反射系数和漫反射系数，推导出红外辐射线偏振度模型，并对此模型进行校验，结果与实验数据吻合较好。数值分析涂层表面粗糙度、几何衰减效应及漫反射效应对红外线偏振度的影响，结果表明，涂层表面粗糙度越大，由粗糙度引起的遮蔽阴影效应越明显，对应涂层的红外线偏振度越小，且目标涂层的环境辐射与其红外线偏振度呈负相关。上述结果为实现**伪装和反伪装、目标识别等提供了理论支撑和技术支持。
激光光学 红外偏振 几何衰减效应 漫反射效应 偏振双向反射分布函数 伪装涂层 中国激光
2023, 50(13): 1304007
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西 西安 710071
3 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021
When the collimator is placed horizontally and installed obliquely, its optical parameters will be greatly different due to different stress states. In order to accurately evaluate the focal length of collimator, according to the mapping relationship between the point on the focal plane of the collimator and the angle of the total station, an accurate mathematical model of the relationship between the focal length and the angle of the total station under the condition of oblique installation is established, the principle projection error caused by the rotation of the vertical axis of the total station is corrected. Several groups of data are collected by total station and experimental verification is carried out. After correcting the distortion, the focal length calculated by each testing point when the line segment is parallel to the vertical wire are 1 980.03 mm, 1 983.45 mm, 1 982.79 mm, the average focal length, i.e. the true value, is 1 982.09 mm. When the distortion is corrected but the projection error is not corrected, the focal length calculated from each testing point when the line segment is parallel to the horizontal wire of the reticle is 996.42 mm, 995.23 mm, 995.22 mm, the relative error of the average focal length is 50.2%. The range of focal length calculated by each testing point when the line segment is located in different quadrants and parallel to the horizontal wire of the reticle is 4.74 mm after correcting the projection error and distortion, the average focal length of all testing points is 1982.69 mm, the difference between the average value and the true value is 0.6 mm. The maximum relative error between the extended uncertainty of the focal length calculated by different testing point and the true value of the focal length is 0.36%. This value is far less than the stipulation in GB/T 9917.1-2002 that the relative error between the measured focal length and the nominal focal length in the photographic lens does not exceed ±5%. The experimental results show that the model has universality and high accuracy, the phase of the target slit in the reticle is allowed to be a random value, there is no need to adjust the slit to be strictly parallel to the vertical wire of the total station, the model has great engineering application value for the in-situ detection of the focal length of the collimator under the condition of oblique installation.
焦距 畸变 投影误差 原位标定 随机相位 focal length distortion projection error in-situ calibration random phase 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220124
1 1. 西安工业大学 光电工程学院, 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 西安 710021
2 2. 西安交通大学 前沿技术研究院, 西安 710049
铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3, KNN)基陶瓷具有充放电速度快、透明度高、应用温度范围宽、使用寿命长等优点, 在脉冲功率器件等领域具有广阔的应用前景。通过改性技术提高铌酸钾钠基陶瓷的电、光性能是该方向的研究热点。本研究采用固相法制备0.825(K0.5Na0.5)NbO3-0.175Sr1-3x/2Lax(Sc0.5Nb0.5)O3(x=0, 0.1, 0.2, 0.3)陶瓷(简称0.825KNN- 0.175SLSN), 研究La2O3掺杂对其相结构、微观形貌、光学、介电、铁电及储能性能的影响。研究结果表明: 0.825KNN- 0.175SLSN陶瓷具有高对称性的伪立方相结构; 随着La2O3掺杂量增大, 陶瓷的平均晶粒尺寸减小, 相变温度(Tm)及饱和极化强度(Pmax)增大, 达到峰值后下降。在x=0.3时, 该体系陶瓷表现出优异的透明性, 在可见光波长(780 nm)及近红外波长(1200 nm)范围内透过率分别达65.2%及71.5%, 同时实现了310 kV/cm的击穿场强和1.85 J/cm 3的可释放能量密度。
铌酸钾钠 无铅透明陶瓷 透过率 储能性能 potassium sodium niobate lead-free transparent ceramics transmittance energy storage property
西安工业大学光电工程学院，陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021
光学元件的激光诱导损伤阈值是衡量其抗激光损伤能力的重要指标。周期性表面光学元件具有良好的光学特性，在高功率激光系统中也有着潜在的应用，准确测定其激光诱导损伤阈值尤为关键。本文分析了激光诱导损伤阈值不确定度的主要来源，建立了激光诱导损伤阈值不确定度的计算公式，给出了减小激光损伤阈值不确定度的处理方法。结果表明：当激光的标定光斑半径为400 μm、误差为10 μm、激光能量误差为5%时，能量密度引入的不确定度为0。则激光损伤阈值的不确定度主要来源为损伤几率不确定度和线性拟合不确定度。通过增加每一能量级的测量次数，可以进一步减小激光损伤阈值的不确定度。
光学元件 周期性表面 激光诱导损伤阈值 不确定度 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2320001
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西 西安 710071
为精准高效调校并检测微纳超构表面，基于时域多分辨分析（MRTD）方法研究了栅格微纳超构表面与掩埋微缺陷的耦合散射问题。从Maxwell方程出发，引入多分辨概念，建立耦合散射模型，推导出散射场，并与时域有限差分（FDTD）方法的计算结果进行比对，以验证MRTD方法的正确性并分析其优点。结合含微缺陷的栅格超构表面场分布，给出研究缺陷各参数对超构光学系统影响的必要性。通过数值计算分析缺陷尺寸、掩埋深度及相对方位等因素对耦合光散射特性的影响。上述结果为功能性表面设计、超灵敏检测、散射峰值方向及频率选择等领域和方向提供技术支持。
散射 栅格超构表面 微缺陷 场分布 耦合 光学学报
2022, 42(16): 1629001
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
基于传统谐振开口圆环频率选择表面（FSS），在有限元方法和半谐振圆环周期孔径结构的基础上，利用Floquent周期条件模拟无限空间单元，通过频域求解器得到该结构的散射参数和带通特性。将该结构单元的形状拓展成上下表面为反向开口的月牙形双层结构并优化出顶部传输通带平坦的多层半谐振环耦合结构FSS。仿真结果表明，横磁波垂直入射时，半谐振环结构的谐振频率稳定在9 THz，中心频率处的回波损耗为-22 dB，且具有较好的角度稳定性。双层月牙形结构在谐振点5.9 THz、10 THz和11.7 THz处可实现多窄带带通，多层FSS结构在6.35~9.35 THz频段内的传输系数低于-3 dB，具有良好的极化稳定性，为FSS在太赫兹无损检测、通信及传感等领域内的应用提供了理论依据和技术支撑。
物理光学 频率选择表面 带通特性 太赫兹 有限元方法 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0726002
西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
激光诱导薄膜损伤阈值的准确测量是判别光学薄膜抗激光损伤能力的重要依据。采用单因素控制变量法, 建立了激光能量误差、聚焦光斑尺寸误差与损伤阈值误差的数值模型, 理论分析了能量误差、聚焦光斑尺寸误差对薄膜损伤阈值的影响, 通过搭建实验平台测量了辐照在薄膜表面的实际能量和聚焦光斑尺寸, 根据实验结果采用统计学原理评估了薄膜损伤阈值不确定度。研究结果表明: 随着能量误差、聚焦光斑尺寸误差的增大, 损伤阈值误差也增大。单层膜样品实例分析, 损伤阈值测量合成不确定度为0.87 J/cm2。因此, 研究能量和聚焦光斑尺寸误差对损伤阈值的影响, 为获得准确的薄膜损伤阈值测试结果提供了方向。
脉冲激光输出参数 薄膜损伤阈值 不确定度 单因素控制变量法 pulsed laser output parameters film damage threshold uncertainty single factor control variable method
