1 北京理工大学医学技术学院，北京 100081
2 北京理工大学自动化学院，北京 100081
3 中国船舶集团有限公司系统工程研究院，北京 100094
4 北京理工大学集成电路与电子学院，北京 100081
长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而，由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题，其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法，并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型，设计样本定量重构算法，从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构，不依赖复杂的光学调制元件，结构简单、操作便捷。此外，本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱，实现了原位长时程成像。利用该系统，研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化，展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。
计算成像 定量干涉 非标记成像 纳米级精度 原位细胞监测
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，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了实现对微小物体的高精度三维测量，本文构建了一套基于结构光照明的三维形貌测量系统，对该系统所使用的相位编码算法、远心相机标定算法和投影仪标定算法进行了研究。首先，通过边缘提取算法获得二维平面标靶的特征点坐标，使用改进的张氏标定算法完成远心相机标定，通过相位编码结构光得到相机像素与投影仪像素之间的映射关系。然后，由映射关系使投影仪也能捕获特征点的位置信息，进而完成投影仪标定。最后，基于立体视觉模型对被测物体进行三维重建。实验结果表明，标定后的测量系统视场大于2 000 mm2，全视场的测量精度约为32 μm，中心视场的测量精度为10 μm。该系统具有良好的稳定性和重复性，能够满足大多数工业检测的应用需求，展示出广阔的应用前景。
结构光 三维测量 远心镜头 高精度 structured light three-dimensional measurement telecentric lens high precision
1 中国科学院高能物理研究所北京 100049
2 散裂中子源科学中心东莞 523803
六极铁作为高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS）储存环八铁单元的重要部件之一，其技术工艺较为复杂，对加工精度和中心引出精度要求都很高。本文对HEPS六极铁的机械中心引出标定方案进行了研究，利用极缝偏差角对常规标定坐标系进行旋转，使三个极缝面更接近理论位置，从而减小磁铁主场斜分量；对每块磁铁进行两次机械中心标定，极缝间距的实测值与设计值的标准偏差在0.015 mm，坐标系旋转前后的基准点偏差标准值为0.09 mm，旋转角最大可达0.6 mrad。这种考虑极缝偏差角的建系方法可以提高标定的精度，能为实际工作中同类型、准直精度有相同要求的设备标定提供参考，有利于加速器装置的顺利安装，对加速器准直测量具有十分重要的意义。
六极铁中心标定 机械中心 坐标系旋转 准直精度 Sextupole center calibration Mechanical center Coordinate rotation Collimation accuracy
为探究成像参数对大深度物体聚焦形貌恢复精度的影响规律，明确实际应用中聚焦形貌恢复重建精度不满足要求时成像系统的改进措施，在构建聚焦形貌恢复三维重建精度评价指标的基础上，利用正交实验确定成像参数对聚焦形貌恢复精度影响的主次顺序，重点分析主要和次主要参数对重建精度的影响规律，并揭示最佳成像参数随多聚焦图像采样间距的变化关系。考虑到成像参数的变化实际通过改变系统景深影响聚焦形貌恢复精度，建立了多聚焦图像采样间距与最佳景深之间的经验公式，为系统成像参数的设定提供了理论依据。实验结果表明：焦距和F数是聚焦形貌恢复的主要和次主要影响参数，在给定多聚焦图像采样间距下存在使重建精度最高的最佳焦距和最佳F数，且随着采样间距减小，最佳焦距增大，最佳F数减小；多聚焦图像采样间距与最佳景深之间的经验公式拟合准确率为97.28%，验证准确率为94.76%，可用于最佳景深的计算；采用最佳景深能够显著提升聚焦形貌恢复精度，为大深度物体聚焦形貌恢复精度的提升提供了新途径。
机器视觉 聚焦形貌恢复 成像参数 大深度物体 重建精度
1 山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590
2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079
3 自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061
4 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201210
5 上海微小卫星工程中心，上海 201210
提出一种顾及姿态误差时空变化的全谱段光谱成像仪（VIMS）定位精度提升方法。通过分析高分五号02星（GF-5B卫星）181 d的星敏感器低频误差规律，以分段傅里叶级数模型为基础，利用时序化、多空间补偿策略，统一了非基准与基准定姿模式之间的低频误差特性，补偿低频误差对影像几何定位的影响。研究结果表明，所提方法将VIMS可见光近红外影像无地面控制几何定位精度从4.274 pixel优化至1.867 pixel，且对不同时相、不同区域的光学影像均有良好的精度提升效果。
遥感 姿态低频误差 几何定位精度 高分五号02星 全谱段光谱成像仪 光学学报
2024, 44(12): 1228004
1 青岛理工大学山东增材制造工程技术研究中心，山东 青岛 266520
2 西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
3 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
高频窄脉冲电解加工技术能有效提高加工精度和表面质量，在镍基高温合金等难加工金属材料的精密制造方面有着广泛的应用。然而，对于微观组织极不均匀的激光定向能量沉积构件，其加工质量尚不清晰，尤其是采用无水电解液时。以激光定向能量沉积Inconel 718合金为研究对象，采用频率为30~100 kHz、占空比为30%~80%的高频窄脉冲电流以及饱和NaCl乙二醇电解液进行射流电解加工实验。结果表明：沉积态Inconel 718合金组织由γ基体相、Nb偏析区与枝晶间相（主要为γ/Laves共晶相）组成；在10.50 A/cm2的电流密度下，加工区表面粗糙度随脉冲频率的增加而增大，且脉冲频率为30 kHz时表面粗糙度最小（Ra=1.562 μm），加工精度最高；表面粗糙度随占空比的增加先减小后增大，占空比为50%时表面粗糙度最小，占空比为60%时加工精度最高；而在直流模式下，表面粗糙度随电流密度的增大而降低，且电流密度为10.50 A/cm2时，表面质量最优（Ra=0.526 μm），这是由于高电流密度更容易诱导表面“过饱和盐膜”的形成，从而有效抑制选择性溶解，降低表面粗糙度。但在加工精度方面，高频窄脉冲电流模式的加工定域性较好。最后，基于“盐膜”理论和双电层模型，揭示了高频窄脉冲电流模式下沉积态Inconel 718合金的微区阳极溶解机理，为提高激光增材制造镍基高温合金射流电解加工表面质量提供了理论支撑和实验依据。
激光技术 激光定向能量沉积 Inconel 718镍基高温合金 射流电解加工 表面完整性 加工精度 中国激光
2024, 51(10): 1002318
1 中国科学院上海天文台，上海 200030
2 上海科技大学物质科学与技术学院，上海 201210
3 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
月球激光测距（LLR）是地月间距测量精度最高的技术。其中，月球激光反射器（LRRR）是实现高精度月球激光测距的关键设备。中国计划在月面放置有人部署的新一代月球激光反射器，为使反射器有效工作，需调节反射器的俯仰角、方位角，使其指向对准平均地球。本文设计了一套算法，用于计算月球激光反射器指向对准所需调节的角度，同时分析了部署时间偏差、位置偏差对指向对准的影响。月球激光反射器指向对准偏差估计值约为，最大不超过，可以满足反射器对准精度优于的需求。设计的算法和开展的分析，可以为未来中国月球激光反射器部署任务提供参考。
测量 月球激光测距 激光反射器 对准精度 平均地球 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706018
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林长春 130022
2 长春理工大学中山研究院, 广东中山 528437
3 中山吉联光电科技有限公司, 广东中山 528437
随着星间通信系统的迅速发展，数据传输的精度要求不断提高。分光镜作为系统的核心元件，其光谱特性和面形精度直接影响整个系统的传输精度。本文基于薄膜干涉理论，选取Ta2O5与SiO2作为高低折射率膜层材料进行膜系设计，采用电子束蒸发的方式在石英基板上制备高精度分光镜。同时根据膜层应力补偿原理建立面形修正模型，修正分光镜面形。光谱分析仪检测结果显示，分光镜在入射角度为21.5°～23.5°内，1563 nm透过率大于98%，1540 nm反射率大于99%。激光干涉仪检测结果显示，分光镜反射面形精度RMS由λ/10修正至λ/90（λ=632.8 nm），透过面形精度RMS为λ/90。
星间通信 分光镜 应力补偿 面形精度 inter-satellite communication beam splitter stress compensation surface accuracy
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学院合肥物质科学研究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 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院分公司，河北 廊坊 065000
实现乙烯气体（C2H4）实时在线精确检测对石油化工、煤矿等行业安全具有重要意义，但是C2H4在近红外波段的谱线强度信息不明确，具有谱带吸收特征，且与CH4有明显的混叠干扰，因此对其浓度进行精确检测是目前激光吸收光谱测量面临的共性技术难题。将波长调制光谱中的标定方法与直接吸收光谱相结合，提出了一种适用于C2H4气体检测的标定直接吸收光谱法（CDAS）。该方法不需要激光吸收光谱反演过程中的确切谱线强度信息，并克服了波长调制光谱在测量过程中出现的非线性效应。为了避免特定工况（如煤矿）中CH4的干扰，实验装置采用了高精度压强控制系统，并且在100 mbar（1 bar=105 Pa）稳定压强下实现了CH4和C2H4混叠光谱的分离。实验过程中对1626 nm附近的CH4和C2H4仿真和实测吸收光谱进行了分析，确定了C2H4的标定光谱范围，进而验证了该方法在体积分数低于100×10-6的范围内，对C2H4气体的检测误差不超过-1.47×10-6，并且测量体积分数与标准体积分数之间的线性拟合优度达到了0.999。对体积分数为10×10-6的C2H4直接吸收光谱进行分析，以1倍信噪比对应的浓度作为检测下限进行等效计算，得到检测下限为1.38×10-6。在Allan方差分析中，积分时间为77 s时检测精度达到了0.04×10-6。以上实验结果充分说明了标定直接吸收光谱法能够在近红外波段实现C2H4的精确检测，并为此类气体的检测提供了一种新思路。
光谱学 乙烯气体（C2H4） 近红外光谱 谱带吸收 标定直接吸收光谱 高精度压强控制
1 深圳综合粒子设施研究院，广东 深圳 518107
2 中国科学技术大学 国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
3 重庆大学 超瞬态装置实验室，重庆 400044
多台激光跟踪仪组成的测量系统能够得到高精度的坐标观测值，在加速器准直工程领域应用十分广泛。该系统需要自标定仪器中心的距离，目前基于球面拟合的自标定方法虽然测量效率较高，但是其精度有限。为了提高其精度，分析基于拟合的自标定方法精度较低的主要原因，提出了基于三角形结构的自标定方法，定量对比了新方法和基于球心拟合方法的精度。新方法建立非线性误差模型进行参数迭代求解，能够应用于激光跟踪仪的三维自标定。通过模拟仿真和实测实验，证明了该方法比基于球心拟合的自标定方法在精度上有了大幅度提升。文中算法无需增加额外设备，改进了原先基于球心拟合方法并提高其自标定精度，具有一定的工程应用价值。
激光跟踪仪 自标定 球面拟合 非线性模型 精度 laser tracker self-calibration spherical fitting nonlinear model accuracy 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230607
