1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程中心，吉林 长春 130022
3 季华实验室，广东 佛山 528200
提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法，用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先，采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式，实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次，通过对光学元件进行热力耦合分析，验证了光机系统的合理性。然后，在光机热集成分析条件下，分析了单个光学元件的灵敏度，以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ（F为焦距，θ为物方视场角）畸变的影响。最后，通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化，并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2.5 ℃、重力）下，光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm，能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2 ℃、重力），优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm，校准F-tan θ畸变小于6.00 nm，相较于优化前，波像差RMS提升了46.98%，校准F-tan θ畸变提升了77.69%，达到了设计要求。
光学设计 结构设计 光机热集成分析 Zernike多项式 有限元分析
1 国防科技大学空天科学学院，湖南 长沙 410072
2 酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 735000
基于多项式拟合的标定方法可在缺乏相机曝光时间的条件下，获取相机响应函数（CRF）曲线和图像曝光比，具备广泛的适用性。然而该方法存在迭代发散和标定精度不高问题，影响其实际应用。本文通过分析传统多项式拟合标定方法流程，发现在全局误差函数条件下，标定数据集合中存在大量无效项，既减少了有效标定数据，又降低了图像曝光比迭代计算精度。针对这一问题，提出了一种改进的联合局部误差函数标定方法，可在两幅曝光相近的图像间选取标定数据，避免引入无效项，使得计算多项式系数和曝光比的数据一致。在公开数据集和某工业相机拍摄数据集上的标定结果表明，改进方法具有较好的收敛性，相比于传统方法，颜色三通道CRF曲线分布更加紧凑，通道间曝光比平均偏差分别减少了49.83%和42.25%。
成像系统 相机响应函数 多曝光图像 拟合多项式
1 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，四川 绵阳 621000
2 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力学研究所，四川 绵阳 621000
本征正交分解（POD）方法已经广泛应用于时间变化随机场的分析，但其直接法或快照法存在自身固有缺陷，前者使关联矩阵求解特征值和特征向量较为困难，后者的有限抽样帧数会影响对随机场的统计特性分析。鉴于此，本文建立了基于泽尼克（Zernike）多项式加权系数的Zernike-POD方法，用于气动光学效应的波前模态统计分析。对于圆域问题，Zernike多项式阶数给定后，各阶加权系数与波前分布是一一对应的，并且通常用几百阶多项式就足以复原各种复杂波面形状。Zernike-POD方法由对波前本身改为对Zernike多项式加权系数的分解和模态计算，由于多项式阶数远少于波前的空间离散点数，因此，关联矩阵的维数降低，计算量减少，计算效率显著提高。Zernike-POD方法不损失空间分辨率，同时不需要限制最高采样帧数，因此，时间统计特性不受影响，预估的波前模态具有较高的时空分辨率。为验证该方法的有效性，用大涡模拟方法开展圆柱绕流数值仿真，并计算圆柱尾迹卡门涡街结构产生的时间系列气动光学效应数据，将该数据用于波前模态分析，波前空间分辨率为100×100，采样帧数为2万帧，Zernike多项式阶数取为217阶。一阶模态与稳态波前分布相似，二阶与三阶、四阶与五阶模态近似互为配对关系；前10阶模态能够基本复原波面形状，前49阶模态含能在97%以上，用完整模态重构的波前与原始波前没有本质差异；模态加权系数及其功率谱随阶数增加而呈下降趋势，前五阶模态加权系数的功率谱尖峰频率与光学窗口中心点脉动速度情况较为一致，对应卡门涡街的主频，斯特劳哈尔数St约为0.22。Zernike-POD方法适用于圆域波前模态分析，也适用于环形域和正方形域，并能够推广到流场结构、图像与信号等处理领域。
气动光学 波前模态 本征正交分解 泽尼克多项式 光学学报
2023, 43(24): 2420001
昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
红外光学镜头的工作环境复杂，常受到外部载荷冲击。针对某款长波红外光学镜头建立了ANSYS有限元分析模型，对其进行峰值加速度为100g、持续时间为6 ms的半正弦冲击仿真分析。对提取的数据进行刚体位移、峰谷值（PV）和均方根值（RMS）的计算，并运用泽尼克多项式对冲击之后的透镜面形进行拟合，求解泽尼克多项式系数，分析冲击对红外光学镜头性能的影响。基于响应面法对红外光学镜头进行优化，对优化之后的模型进行冲击仿真，并进行对比分析。分析结果表明：对红外光学镜头进行优化，冲击之后透镜的最大变形量与最大等效应力有所降低，表征透镜面形变化的PV、RMS也有所下降；对结构进行优化，能够在一定程度上降低冲击对其造成的影响。
长波红外光学镜头 半正弦冲击 泽尼克多项式 响应面优化 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2322001
1 武汉纺织大学计算机与人工智能学院, 湖北 武汉 430200
2 湖北省服装信息化工程技术研究中心, 湖北 武汉 430200
3 湖北省文物颜色信息数字化与虚拟再现工程技术研究中心, 湖北 武汉 430079
光谱是颜色信息的指纹, 也是表征物质物化属性的重要特征, 对于颜色的高保真复制和物质的精准识别分析具有重要应用价值。 基于光谱重建的多光谱成像技术利用成像系统拍摄物体表面数字图像, 并通过光谱重建计算得到物体表面的多光谱图像, 能够克服传统RGB图像对成像条件的依赖性, 更加精细化地表征识别物体。 该技术相对于价格昂贵的高光谱相机而言, 能够有效提升多光谱图像的空间分辨率和获取效率, 降低设备成本。 然而, 无论是基于机器学习还是基于深度学习的光谱重建方法, 在光谱重建应用时均对图像的曝光变化敏感, 即光谱重建方法在一种曝光水平下建立的光谱重建模型, 无法直接在另一曝光水平下进行光谱重建应用, 否则将导致重建光谱曲线的形状特征偏离真实光谱, 制约着光谱重建面向光照强度易变和光照不均性场景的应用。 针对现有光谱重建方法对图像曝光水平变化敏感的问题, 论文提出了一种基于根多项扩展的自适应加权光谱重建方法, 首先利用根多项式对样本rawRGB图像数据进行扩展, 并利用伪逆法建立光谱重建模型, 以解决模型对曝光水平变化的敏感性, 然后在光谱不变特征空间构建自适应加权矩阵, 以进一步提升光谱重建精度。 研究以理论实验和具体实验样本为基础, 首先对现有光谱重建方法对曝光变化的敏感性进行分析, 然后将该方法与现有同类型光谱重建方法进行对比, 最后探讨了加权策略对该方法的影响。 实验结果表明, 现有先进光谱重建方法均对曝光水平变化敏感, 而该方法能有效对抗曝光水平变化, 且光谱重建的光谱均方根误差(RMSE)和色差(ΔE*ab)显著低于现有同类方法。 此外, 在光谱不变特征空间构建自适应加权矩阵, 对于该方法提升光谱重建精度至关重要。 研究成果对开放场景下的高精度光谱重建具有重要应用价值。
光谱分析 光谱重建 多光谱图像 根多项式 光谱不变特征 Spectral analysis Spectral reconstruction Multispectral imaging Root-polynomial Spectral invariant feature 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3330
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心， 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
心率是人身体健康的一个重要指标，从人脸视频中检测心率是一种正在快速发展的非接触式检测方法，但该方法的结果准确性易受光照变化及受试者头部运动等噪声影响。为了消除噪声影响，提高心率检测准确性，文章创新性地提出了一种新的思路: 将光照变化和头部运动噪声作为目标进行趋势拟合并从相机原始信号中消除，以实现高信噪比的人体心率信号提取。为验证方法的可行性，以医用指夹式脉搏血氧仪的数值为参考心率，通过对比结果在参考心率处的平均信噪比和心率检测准确率，提出的方法相比POS方法提高了9.60%，37.19%; 相比于ICA算法提高了48.48%，51.75%。实验结果表明，提出的新方法具有较好的去噪能力和较高的精准度。
远程光电容积脉搏波 心率测量 多项式拟合 remote photoplethysmography heart rate measurement polynomial fitting
光学渐晕效应存在于大部分光学成像系统,严重影响成像质量。如何有效改善光学渐晕效应是航天光学遥感器设计的要点。采用辐射定标方法量化成像系统中光学渐晕效应的影响,并获得校正系数。采用多项式拟合方法对校正系数进行优化,拟合后校正系统减少约3个数量级,大大降低了对嵌入式系统存储资源的需求。通过多项式拟合方法有效减少了校正系数,对光学渐晕效应改善效果良好,校正前相机的非均匀性误差为13.2%,校正后非均匀性误差降至3.8%,满足一般成像系统对响应非均匀性的要求。该方法校正系数少,适合在基于FPGA处理器中实现,实时性强,资源占用少,具有工程实用价值。
信息处理 折反式光学系统 光学渐晕效应 二次多项式拟合 information processing refractive and reflective optical systems optical vignetting effect quadratic polynomial fitting FPGA FPGA
Author Affiliations
Abstract
1 College of Applied Sciences, University of Technology and Applied Sciences, P.O. Box 14, Ibri 516, Oman
2 Department of Mathematics, Sultan Qaboos University, P.O.Box 36, Al-Khod 123, Muscat, Oman
3 Independent Researcher, Madison, AL 35758, USA
4 Department of Mathematics and Physics, Grambling State University, Grambling, LA 71245, USA
5 Mathematical Modeling and Applied Computation (MMAC) Research Group, Department of Mathematics, King Abdulaziz University, Jeddah 21589, Saudi Arabia
6 Department of Applied Sciences, Cross-Border Faculty, Dunarea de Jos University of Galati, 111 Domneasca Street, Galati 800201, Romania
7 Department of Mathematics and Applied Mathematics, Sefako Makgatho Health Sciences University, Medunsa 0204, Pretoria, South Africa
The objective of the present study is to examine the behaviors of chirped optical solitons in fiber Bragg gratings (BGs) with dispersive reflectivity. The form of nonlinear refractive index represents polynomial law nonlinearity. By virtue of phase-matching condition, the discussed model of coupled nonlinear Schrödinger equation is reduced to an integrable form. Consequently, chirped optical solitons having various profiles such as W-shaped, bright, dark, kink and anti-kink solitons are derived. Further to this, the chirp associated with these soliton structures are extracted. The impact of dispersive reflectivity, self-phase modulation and cross-phase modulation on the pulse propagation is investigated and it is induced that the changes of self-phase modulation and cross-phase modulation cause a marked rise in soliton amplitude which is subject to minor variations by dispersive reflectivity. The physical evolutions of chirped optical solitons are described along with the corresponding chirp to pave the way for possible applications in the field of fiber BGs.
Chirped solitons Bragg gratings Polynomial law Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023025
