1 华北水利水电大学 物理与电子学院，河南郑州4500
2 中国移动通信集团公司，北京100033
针对水体浑浊所造成水下图像退化和多介质引起的光线路径改变等问题，提出了基于径向多线结构光的水下视觉测量方法。首先，建立了基于折射的水下视觉测量模型，在投影仪垂直于折射平面投射且光平面经过投射光轴的条件下，陆上光平面和水下光平面共面，陆上标定可代替水下标定；采用蒙特卡洛模拟方法，分析了像点误差对点云计算精度的影响。其次，设计了黑白交错的中心旋转径向多线编码光模式；采用黑白条纹边缘作为测量点，减弱了编码光解码对图像质量的依赖性；通过中心旋转的方式，提高了表面的测量分辨率。最后，在1 m×1.2 m×0.8 m的水体中加入泥沙模拟自然河流水体环境，实验分析了浑浊水体对条纹提取、编码光解码和三维视觉测量精度的影响。实验结果表明，该方法在1 500 mm的测量距离上，对清水条件下的瓷瓶进行了不规则表面的三维表面测量；对清水、含有40，60和90 g泥沙的浑水中规则物体进行三维表面测量，获得了平面残差分别为0.95，1.93，5.43和21.43 mm的测量结果；当泥沙量超过某数值（如60 g）时，条纹提取精度急剧恶化，泥沙量为40和90 g的浑水中测量平面拟合残差从1.93 mm增加到21.43 mm。
三维视觉测量 河流水下测量 结构光 径向多线投影模式 3D vision measurement underwater vision measurement of river structured light system radial multi-stripe model 光学 精密工程
2021, 29(10): 2465
华北水利水电大学物理与电子学院, 河南 郑州 450011
针对折射现象对水下视觉系统的影响并为了实现视觉系统的便携性,本文构建了基于光平面约束的水下视觉测量系统。首先,建立了基于光平面约束的水下结构光测量模型,并从理论上证明了当投影仪垂直于折射平面投射且光平面经过投射光轴时,陆上投射光线与投影光轴构成的空气中的光平面以及水下折射光线与折射平面法向量构成的水下光平面为同一平面,这样从理论上证明了陆上标定代替水下标定的可行性,避免了光平面的水下标定过程;然后,根据光平面簇共线的约束条件设计了中心旋转编码光模式,通过光平面旋转角度实现了对投影光模式的编解码;最后,按照测量模型中的光平面约束条件,提出了对应的陆上优化标定方法。实验结果证明,本文提出的水下视觉测量系统在2 m以内的测量距离上,可以获得1.72 mm的测量精度。该系统可用于弥补当前水下声学三维形貌测量中无法进行近距离、高精度和高分辨率测量的不足,有效地避免了水下标定操作,提高了水下视觉测量系统的便携性,有利于扩大视觉测量系统在水下工程探测、水下三维形貌测量、水下结构缺陷检测中的应用。
机器视觉 水下视觉测量 水下结构光 折射 光平面约束 陆上标定
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽光子器件与材料省级重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽,合肥 230031
4 台湾云林科技大学工程学院, 台湾 云林 64002
激光吸收光谱常被用于测量大气痕量气体,但某些气体在某波长附近会出现多条谱线重叠的现象,导致吸收信号产生重叠峰。以NH3气体为例,研究6529 cm -1附近的4条重叠谱线,通过Voigt线型模拟不同压强下的谱线,搭建直接吸收光谱测量实验系统。实验发现,低浓度NH3气体的谱线峰值并没有随着压强的减小而减小,反而逐渐增大。由于NH3存在吸附性,因此,采用无吸附性的CH4气体进行验证。结果表明:当气体压强为0.18 atm(≈18 kPa)时,实验谱线与模拟谱线相差最小,NH3的最大吸收峰吸光度与气体浓度成正比。研究结果为后续多气体测量过程中的干扰问题提出了解决方法。
光谱学 激光吸收光谱 谱线重叠 直接吸收 线型函数 气体压强 激光与光电子学进展
2019, 56(19): 193003
山西工程技术学院 基础部,山西 阳泉 045000
利用金刚石氮空位色心体系耦合于一个双边的光子晶体腔(该光子晶体腔与两个波导耦合)来制备Bell态、GHZ态和团簇态。当光子被探测和进行幺正操作后,就得到纠缠态。同时计算了该体系的保真度,发现在近似参数条件下,该模型可得到较好结果。
量子纠缠 金刚石氮空位色心体系 保真度 quantum entanglement the NV color center in diamond fidelity
1 华北水利水电学院 信息工程学院,河南 郑州 450011
2 上海大学 通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200072
在结构光系统中，编码光是解决对应点匹配的关键，编码光的性能直接影响结构光测量的精度、分辨率和实时性。在深入分析条纹图变形机理的基础上，证明了空间周期性应用到编码光设计的可行性，提出了运用空间周期的约束条件，分析了在编码光设计中引入空间周期性对测量性能的改进。分析结果表明，在编码图个数保持不变的情况下，在结构光编码中引入空间周期性，系统测量分辨率将会有很大的提高；同样在保持测量分辨率不变的情况下，应用空间周期性可减少编码模式的个数，更适合实时测量系统。结合时空编码方式，提出了一种新的实时编码光设计方案——周期时空条纹编码。该编码方式利用了空间周期性，在保证测量分辨率和精度的情况下，可减少编码模式的个数，适应实时测量的应用。对该编码方式进行了实验验证，实验结果证明了空间周期性应用于编码光设计的有效性。
结构光系统 编码光设计 空间周期性 周期时空编码 structured light system coded pattern design spatial periodicity alternate time-space coded pattern
1 贵州大学 贵州省光电子技术与应用重点实验室,贵阳 550025
2 中国科学院 地球化学研究所,贵阳 550003
经激光辐照和高温退火后能够在硅基上生成氧化多孔硅结构。用514 nm的激光泵浦,观测到该多孔硅的受激辐射。当激励强度超过阈值时,在650～750 nm区域有很强的受激发光峰。这些受激发光峰的半高宽小于0.5 nm。激光辐照和高温退火后,在样品上能形成某些特殊的氧化结构。在傅里叶红外光谱分析中,显示有硅氧双键或硅氧桥键在硅表面形成。计算结果表明:当硅氧双键或硅氧桥键形成时,电子的陷阱态出现在纳晶硅的带隙中。价带顶和陷阱态之间的粒子数反转是解释这种受激辐射的关键。
受激辐射 多孔硅 量子点 陷阱态 stimulated emission porous silicon quantum dots trap states
上海大学 通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网省部级共建重点实验室,上海 200072
针对基于交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用误差分析理论和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。给出了满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm的测量精度情况下,各标定参数所需要的精度要求,以及标定样本提取的精度要求。通过实测实验结果,验证了误差分析的有效性。该误差分析为提高结构光系统的测量精度提供了理论依据。
结构光测量系统 误差传递分析 蒙特卡洛法 矩阵扰动 交比不变 structured light system error propagation analysis Mont Carlo method matrix disturbance cross-ratio invariant
1 贵州大学贵州省光电子技术与应用重点实验室, 贵州 贵阳 550025
2 山西大同大学物理系, 山西 大同 037003
3 皖西学院数理系, 安徽 六安 237012
采用飞秒激光辐照硅和硅锗样品,用扫描电子显微镜(SEM)观察样品,发现样品上产生了某些低维结构。用飞秒激光作用产生等离子体相干驻波对硅和硅锗表面的融蚀模型来解释低维结构的形成机制,发现硅的表面周期约为400 nm的光栅结构在波长719 nm处有较强的光致荧光(PL)峰。该光致荧光的发光强度较小,其机制可从激光的脉宽和重复率两个方面来分析。当激光辐照的能量明显超过硅的融蚀阈值时,光栅形状消失,另一种锥状结构开始形成。控制加工条件,可以获得用于衍射和微分束的纳米光栅。
激光技术 飞秒激光 低维结构 等离子体波 光致荧光
1 贵州大学 贵州省光电子技术与应用重点实验室，贵阳 550025
2 贵州教育学院 物理系，贵阳 550003
将功率密度约为0．5J·s－1·cm－2、脉冲宽度约为8 ns、束斑直径为0．045 mm、波长为1064nm的YAG激光束照射在硅样品表面打出小孔，在孔内的侧壁上形成较规则的网孔状结构；该结构有很强的光致荧光，其强度比该样品的瑞利散射强；发光峰中心约在700 nm处。在无氧化的环境里用激光加工出的硅样品几乎无发光，这证实了氧在光致荧光增强上起着重要作用。用冷等离子体波模型来解释孔侧壁网孔状结构形成的机理，并用量子受限－发光中心模型来解释纳米网孔壁结构的强荧光效应。当激光辐照时间为9 s时，孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定，且有较强的光致荧光。
激光辐照 纳米网孔壁 光致荧光增强 氧化 Laser irradiation Hole-net structure Photoluminescence enhancement Oxidation
上海大学 通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200072
本文针对交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用泰勒展开和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。并给出了一个实验特例的精度要求,即满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm以内的测量精度情况下,各标定参数所需满足的精度要求,以及标定样本的精度要求。对误差传递模型所得出的标定参数的精度要求进行实测实验验证,得到测量数据的均方根误差为0.333 4 mm,满足理论上的精度要求。该实验结果证明了本文所述的误差分析可以有效地对结构光系统误差进行定量分析。
结构光测量系统 交比不变 系统误差分析 矩阵扰动理论 structured light system cross-ratio invariant system error analysis matrix turbulence
