期刊基本信息
创刊:
1981年 • 半月刊
名称:
光学学报
英文:
Acta Optica Sinica
主管单位:
中国科协
主办单位:
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位:
中国激光杂志社
主编:
龚旗煌
执行主编:
赵建林
副主编:
邵建达 刘文清 华灯鑫 张旭苹 刘辉
ISSN:
0253-2239
刊号:
CN 31-1252/O4
电话:
021-69916837
邮箱:
地址:
上海市嘉定区清河路390号
邮编:
201800
定价:
150元/期
本期栏目 2016, 36(12)
光学学报 第36卷 第12期
随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种基于直接性能指标优化的相位控制方法, 在自适应光学中有较好的适用性。该算法主要包含增益系数和随机扰动幅度两个可变参数, 其取值对算法收敛性有很大的影响。对双边SPGD算法实现收敛时参数的取值要求进行研究, 结合算法原理分析了算法参数的取值范围, 并通过大量仿真实验找出所有使双边SPGD算法收敛的增益系数和随机扰动幅度值; 得到随机扰动幅度的取值下限, 理论和仿真分析了下限存在的原因及取值; 在相干合成中存在相位噪声, 研究了不同相位校正器参数的情况下可使算法收敛的参数的取值范围。
自适应光学 随机并行梯度下降算法 相位控制 梯度估计 相干合成 单腔原子芯片系统中高效率的四极磁阱转移下载:558次
利用两对部分重叠的磁光阱(MOT) 和转移线圈产生的可移动四极磁阱(QMT) 实现了87Rb冷原子从MOT中心向原子芯片的高效率输运。采取了线性增加转移线圈电流、同时保持MOT线圈电流不变的QMT移动方式, 磁阱的移动速度构型为类Blackman型。利用该QMT输运方案, 冷原子从MOT中心转移到原子芯片表面, 转移过程中冷原子温度升高约30μK, 原子转移效率高于90%。该系统可以为原子芯片干涉仪提供合适的冷原子源, 也可以用来研究原子与芯片表面的相互作用。
原子与分子物理学 原子芯片 磁阱输运 三维打印 单腔系统 基于角谱衍射理论,对扫描积分塔尔博特光刻术进行了理论分析与数值模拟。研究了扫描距离、扫描起始位置、扫描速度非匀速以及照明光源不同特性对扫描积分塔尔博特光刻所得光栅条纹质量的影响。模拟结果表明,当扫描距离为塔尔博特周期的整数倍时,扫描起始位置、扫描速度的非匀速性对扫描积分塔尔博特光刻的成像质量影响较小;当入射光源存在一定谱宽或发散角不大于0.05°时,扫描积分塔尔博特光刻仍可得到对比度较一致的倍频光栅条纹,证实了扫描积分塔尔博特光刻具有良好的工艺适用性。扫描积分塔尔博特光刻不需要昂贵而复杂的投影光学系统,可克服塔尔博特自成像有限焦深问题,对掩模与基片的定位精度及涂胶基片的平整度容忍度较高。该方法具有在非平面基底上制备大面积、低成本、高精度周期微纳结构的应用前景。
衍射 光刻 数值模拟 塔尔博特效应 针对可调谐光纤法布里珀罗滤波器(FFP-TF)在环境温度变化过程中扫频非线性曲线的随机波动增大, 引起光纤布拉格光栅(FBG)传感系统解调不稳定的现象, 提出了基于光纤迈克耳孙辅助干涉仪的一种稳定解调性能的方法, 通过辅助干涉仪实现了对法布里珀罗标准具光波长间隔的细分, 编制了局部光频细分解调算法。利用搭建的光谱周期为9.53 GHz的辅助干涉仪进行了变温解调实验研究, 结果表明, 以往未引入光纤辅助干涉仪的波长解调值波动的最大幅度为±28.5 pm, 标准差为8.6 pm; 引入辅助干涉仪的波长解调值波动的最大幅度为±3.5 pm, 标准差为1.4 pm, 有效提高了变温过程中的光纤光栅传感解调波长稳定性。
光纤光学 光纤传感器 辅助干涉仪 变温 光纤布拉格光栅 非线性 激光通信组网天线系统能量发射效率与接收效率的高低决定了其通信能力的强弱。针对这一问题, 提出了一种新型组网天线系统基本模型, 分析其能量发射效率与接收效率的算法并进行数学建模, 推导出了其能量发射效率与接收效率的计算公式, 深入讨论了能量发射效率和能量接收效率与旋转抛物面上下开口直径、焦距以及会聚透镜单元口径、焦距等光学结构参数的准确函数关系, 相关结论可应用于激光通信组网天线光学结构的设计与优化。最后以三颗低地球轨道(LEO)卫星在距离1000 km范围内、以高于2.5 Gb/s的速率进行组网通信为背景, 通过分析和计算得出满足通信条件的激光器最小发射功率、组网天线系统的发射效率随跟踪通信角度的变化曲线以及接收效率。
光通信 组网 天线系统 旋转抛物面 能量效率 为提升可见光双层叠加系统的通信性能, 提出了一种新型叠加编码系统。该系统在充分考虑远、近距离通信特点的基础上, 将迹正交编码与叠加系统相结合, 使双层信号满足迹正交特性,有效消除了层间干扰, 提升了信号间的欧氏距离, 并获得了一定的编码增益。针对此新型系统采用复杂度为线性的求和检测算法能够获得与最大似然(ML)检测算法相同的译码性能。通过推导基于ML检测时的理论误比特率(BER)闭式解, 分析了功率分配对各层传输BER性能的影响, 并给出了3类星座设计方案。仿真结果表明, 与现有双层叠加系统相比, 基于层间迹正交码编码的新型系统可有效改善系统的通信性能。
光通信 可见光 层间干扰 迹正交码 星座设计 模式转换技术是光学模分复用系统的关键技术之一, 用于实现任意模式之间的相互转换, 是模分复用系统实现信道接入、交换及分插复用的基础。采用纯相位空间光调制的方式实现光学模式转换, 通过改变加载于空间光调制器上的相位全息图, 控制不同模式的产生。对相位全息图产生算法进行了改进, 采用自适应的模拟退火算法, 结合图形处理器并行计算, 与传统的模拟退火算法相比, 运算效率提升7倍以上。并搭建了模式转换系统实验平台, 得到的实验结果验证了算法的有效性。
光通信 模分复用 模式转换 空间光调制器 模拟退火 针对多纤芯弹性光网络中业务的路径选择、纤芯选择和频谱分配问题进行了研究。建立了全局约束优化模型, 设计了基于纤芯轮换选择的启发式算法及其改进算法。在改进算法中, 根据不同的排序策略将业务排序; 然后根据业务的源宿结点以及所选取的路径将业务划分到不同的业务集合中, 在同一类业务集合中采用基于纤芯轮换的选择机制进行纤芯的选择; 在选中的纤芯上采用首次命中法进行频谱分配。在两个网络中进行了仿真以验证算法的性能, 仿真结果表明, 所设计的算法以及改进的算法能够得到比对比算法更优的路径选择与纤芯选择方案。
光通信 弹性光网络 多纤芯 约束优化 纤芯轮换选择 为了便于空间激光通信中捕获、跟踪性能的测试, 提出了一种卫星振动模拟源系统设计方案。该系统主要由上位机借助LabVIEW软件解析标准振动功率谱密度函数, 将模拟出的平台振动信号传给以STM32F4为核心的控制系统, 驱动振镜进行俯仰、方位摆动。借助欧空局设计的SILEX平台模型, 推导验证了本方案的可行性, 并搭建实验现场, 通过探测器对光斑脱靶量进行了实时监测, 分析了脱靶量功率谱, 同时对在实际应用中产生的伪随机序列进行了优化与处理。实验结果表明, 设计的振动源幅值精度优于2 μrad, 模拟结果真实有效。另外由于其频率可调节, 模拟系统幅度可达±10 mrad, 故易于模拟不同的标准模型, 为复合轴捕获、跟踪和瞄准(APT)的实验室验证提供了条件。
光通信 模拟源 卫星振动 捕获、跟踪和瞄准 SILEX平台 基于饱和像素剔除的自动对焦评价函数下载:726次
对含光源等过亮区域场景的自动对焦较为常见, 这些区域导致了图像像素的饱和, 然而所提出的现有的评价函数适用于一般场景, 无法适用于像夜景光源的场景。针对这一问题, 通过分析饱和像素在离焦过程中的特性, 提出了一种去除饱和像素的图像清晰度评价方法, 且其可以用于评估包含光源或者过亮区域场景的图像质量。通过对大津法进行修改得到对焦窗口二值图, 并利用形态学膨胀手段扩展饱和像素区域, 以防止其在离焦过程中产生弥散, 得到去除饱和像素区域的模板, 将其作用于梯度信息矩阵, 计算得到去除饱和像素影响的平均梯度值作为自动对焦评价函数。通过多组离焦序列图测试了所提出的评价函数, 并与其他4种常用的评价函数进行比较, 结果表明, 此自动对焦评价函数适用于含有光源等过亮区域场景的拍摄, 具有良好的无偏性、单峰性、稳定性且覆盖范围较广。
图像处理 自动对焦 评价函数 梯度算子 饱和像素 夜景 生物发光断层成像(BLT)是在已知生物组织的光学参数和生物体体表的光强分布的条件下, 重建荧光光源在生物体内的分布。由于近红外光在生物组织中传输过程复杂, 并且测量信息有限, BLT的光源重建问题充满挑战。为了在较少的测量下获得稳定的重建, 提出了基于单视图测量的多光谱BLT重建方法, 为了克服逆问题的不适定性, 算法设计中结合迭代收缩可行区域策略及光源稀疏性特征。为系统评估所提出方法的光源定位能力和邻近光源的分辨能力, 在匀质仿体上针对3~9 mm范围内3种尺寸的光源, 设计了4种深度上的单光源实验和3种间距下的双光源实验。仿真实验表明, 所提出方法基于单视图测量数据, 在各种光源设置下, 均可以稳定准确地重建单光源目标和辨识双光源目标。
成像系统 多光谱生物发光断层成像 稀疏重建 迭代算法 逆问题 针对传统阴影叠栅轮廓术深度测量范围有限的问题, 根据阴影叠栅条纹对比度的变化特点, 提出了大深度范围内的阴影叠栅轮廓新型测量方法。该方法将光栅置于不同的高度, 在物体表面形成叠栅条纹, 通过将不同高度范围内的条纹相位测量结果相互融合, 实现了大深度范围内的阴影叠栅轮廓测量。分析了光栅处于不同位置时叠栅条纹的相位分布特点, 提出了基于重叠区域的相位融合方法和误差补偿方法。通过实验验证了所提出方法的可行性和准确性。
测量 深度测量范围 阴影叠栅轮廓术 相位融合 Talbot效应 叠栅迭代误差补偿 二维多相机全场数字图像相关变形测量方法下载:784次
从理论上推导了数字图像相关(DIC)方法中应变精度的影响因素, 指出应变计算精度会随着窗口尺寸的变小而下降。为了提高图像有效分辨率, 针对细长平面试件提出了一种二维多相机全场DIC方法。该方法根据特征点检测及匹配算法定位特征点对的亚像素位置, 通过DIC方法对特征点对进行高精度配准, 利用发展的逐步优化单应矩阵方法求解图像变换关系, 得到变形前后的无缝拼接图像。分别实施了纯平移和橡胶梁三点弯两组实验。在纯平移实验中, 该方法计算得到的应变均值误差及均方根误差均在50 με以内, 验证了该方法的有效性; 采用橡胶梁三点弯实验对比该方法与三维多相机全场DIC方法, 并基于实验结果对该方法的优点与缺点进行了分析。
测量 二维数字图像相关 多相机 全场变形 图像拼接 提出一种基于硬件的等光频间隔采样消除调频连续波(FMCW)激光测距系统调频非线性的改进措施。改进后的等光频间隔采样通过硬件数据采集即可一步实现, 无需再进行后续繁杂的软件处理过程, 极大地节省了内存空间和数据处理时间, 并且较之基于软件的等光频间隔重采样方法采样位置更准确。研究了调频非线性对调频连续波激光测距系统测距精度的影响以及等光频间隔采样消除调频非线性的原理。在此基础上, 针对等光频间隔采样方法在时域上为非均匀采样, 传统频谱分析方法不再适用的问题, 对其进行新的频谱分析, 并推导出了重采样之后频谱峰值频率计算公式以及测距系统的距离求取公式, 通过仿真验证了新的频谱分析公式的正确性。实验结果表明, 基于硬件的等光频间隔采样方法比基于软件的等光频间隔重采样方法更简单并且具有更好的非线性消除效果、更高的测距分辨力和稳定性。
测量 激光测距 非线性修正 等光频间隔采样 调频连续波 基于编码光栅的空间不连续三维物体表面的绝对相位获取方法下载:551次
为快速获取空间不连续三维物体表面的绝对相位, 提出了一种基于编码光栅的相位展开方法。该方法只需投射一幅带有编码信息的光栅条纹图像, 即可获取相位展开所必需的条纹级数信息, 从而得到整个被测表面的绝对相位信息。根据相位-深度关系, 可获得整个被测表面的三维信息。与基于格雷码的相位展开方法相比, 该方法不依赖被测物体的灰度信息, 抗噪声性能更好。该方法只需额外投射一幅编码条纹图像, 更适用于对实时性要求比较高的三维测量。通过实验证明了该方法的有效性和可行性。
测量 相位展开 编码光栅 空间不连续表面 针对利用光纤延时自差系统获得双频拍频光的方法, 建立了激光源强度起伏和相位噪声对拍频光功率谱影响的理论模型, 并基于该模型进行了数值分析和模拟。结果表明, 短延时差比长延时差更有利于减小激光器的噪声干扰。当延时差小于激光相干时间时, 激光线宽越大, 强度起伏越大, 信号的信噪比越低。当延时差远大于激光相干时间时, 激光器的相位噪声成为拍频光信号展宽的主要来源, 且相位噪声越大, 拍频光信号功率越小; 强度起伏也有一定的展宽效应, 但对于拍频信号功率有增大作用。在长延时情况下, 拍频光信号功率和线宽随两个频率光的延时差呈余弦规律变化, 存在最佳工作点。
测量 双频激光探测 功率谱模型 统计理论 相位噪声 强度起伏 通过对半导体激光阵列进行光谱组束, 使阵列中各个发光单元的光束重叠, 同时锁定在不同的波长上; 将组束后的光束进行频率变换, 组束的各个光束同时满足非线性频率变换中的和频条件, 产生和频的蓝光输出。光谱组束半导体激光阵列增加了参与非线性频率变换半导体激光发光单元的个数, 有利于提高整体频率变换的输出功率。实验采用标准的半导体激光阵列, 组束后连续输出功率为18.2 W, 非线性频率变换产生的蓝光的输出功率为93 mW, 光光转换效率约为0.51%。实验证明了光谱组束半导体激光阵列多谱线频率变换的可行性。
激光光学 半导体激光阵列 光谱组束 频率变换 两波耦合 在光束稳定系统中, 受到传输介质和平台振动等因素的影响, 通常同时存在能量与频率成反比特性的宽带扰动和平台机械谐振引起的在某个特定频率点出现的窄带扰动。为了解决光束稳定系统中由大幅度、高频率窄带扰动和宽带扰动引起光束抖动的问题, 设计了基于两级高速倾斜镜串联控制的光束稳定系统, 提出了利用前级光束稳定系统校正窄带扰动, 后级光束稳定系统校正宽带扰动的控制算法, 实现了对大幅度高频率窄带扰动和宽带扰动的同时抑制。在相同条件下, 对比了传统的控制方法和两级高速倾斜镜联合校正控制系统的残余误差。仿真和实验表明, 提出的系统结构和控制方法能够有效地抑制光束稳定系统中存在的扰动。
激光光学 光束稳定 光束抖动 串联控制 高速倾斜镜 窄带扰动 宽带扰动 分析了传导冷却与端面抽运的Nd∶YAG板条激光器边缘畸变的形成原因, 并进行了抑制边缘畸变的实验研究。根据实验参数进行了数值模拟, 模拟结果与实验结果吻合。以液态环氧胶为导热材料对激光器板条侧面进行实时冷却, 可增加板条内部荧光从侧面逸出的能量比例, 从而减小放大自发辐射, 边缘畸变量峰谷值约减小50%。该方法有利于提高板条激光器的光束质量和输出功率。
激光技术 板条激光器 透射波前 边缘畸变 传导冷却 对电荷耦合器件(CCD)硅基底的光照能量分布进行了建模分析和实验研究。使用原子力显微镜和扫描电子显微镜获取了CCD的关键光学参数, 即微透镜表面函数和二氧化硅增厚层厚度。模拟了垂直入射平面光在硅基底表面的能量分布, 并与飞秒激光辐照损伤CCD的实验图像进行了比对, 二者吻合良好。研究结果表明, 微透镜与二氧化硅增厚层的共同作用使得激光能量几乎完全辐照在感光区, 激光能量呈哑铃形分布。
激光技术 脉冲激光 电荷耦合器件 光场 折射定律 菲涅耳公式 激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于颗粒流的直接测量是实现固体物料特性在线监测的有效途径之一。以不同粒径的高纯石英砂为研究对象, 利用高精度的连续给粉机产生稳定连续的石英砂颗粒流。脉冲激光在大气环境下分别激发5组不同粒径的石英砂颗粒流, 研究LIBS直接测量颗粒流时的粒径效应及其修正方法。研究结果表明, 在相同粒径下质量流量小范围波动对激光等离子体光谱强度没有显著影响, 而粒径波动则会引起光谱强度的较强变化, 光谱强度随着粒径的减小而增强。通过分析各粒径的颗粒流在不同光谱信号探测延迟时间下的光谱特性, 发现在2~4 μs的延迟时间区间内, 粒径效应较弱。在此优化延时基础上, 将颗粒流直接激发时同步产生的N谱线作为石英砂组分谱线的内标时, 可以进一步减弱粒径效应, 从而获得可以表征颗粒流基体特性的修正光谱强度。在N元素的各条特征谱线中, 343.76 nm谱线的修正效果最佳。
激光光学 激光诱导击穿光谱 颗粒流 粒径 质量流量 基于光纤环形腔结构的布里渊频移器设计下载:540次
为了达到布里渊光时域分析(BOTDA)系统双通道激光源的布里渊频移要求, 设计了一个光纤布里渊频移器, 放置在其探测脉冲通道, 使探测光与另一通道的扫频光具有布里渊频移差(约11.2 GHz)。通过分析频移器的输出光谱线宽窄化原理, 利用光纤中激发的布里渊增益谱结合一定的环形腔结构形成窄线宽的布里渊斯托克斯光谱输出, 且分析了环形腔频移器的受激布里渊散射阈值和光-光转换效率两个性能指标及其影响因素。采用1551 nm窄线宽光源, 对实际搭建的9 km单模光纤布里渊频移器进行了实验验证, 结果表明:频移器的受激布里渊散射阈值为2.3 mW, 布里渊频移对应的波长改变约为0.1 nm, 此时的定向耦合器耦合比为0.4, 光-光转换效率为49%。所设计的光纤布里渊频移器能达到布里渊光时域分析系统光源的技术指标, 降低了系统的复杂性和成本。
激光器 光纤激光器 环形腔 受激布里渊散射 阈值功率 L1跟踪对局部遮挡具有较好的稳健性, 但存在对模板中的离群信息比较敏感和计算速度慢的问题。针对这两个问题, 提出了两阶段稀疏表示模型, 并基于块坐标优化原理设计了相应的快速求解算法。在第一阶段, 该算法利用局部约束线性编码, 求解目标模板表示系数, 在第二阶段, 该算法利用软阈值操作, 求解小模板表示系数。以粒子滤波为跟踪方法, 结合提出的模型和算法实现了稳健快速的视觉跟踪。利用标准图像序列对提出的方法进行了验证, 实验结果表明, 提出的跟踪方法在稳健性和跟踪速度方面均优于现有跟踪方法。
机器视觉 目标跟踪 两阶段稀疏表示 粒子滤波 单目视觉与倾角仪组合优化的位姿测量系统下载:589次
为了提高单目视觉实时测量双护盾隧道掘进机前后盾相对位姿的精度, 引入高精度倾角传感器与单目视觉构成一种组合测量系统。该系统将两个倾角传感器分别与视觉传感器和特征点系统固定连接, 通过倾角传感器提供的多个角度约束, 结合单目视觉实现掘进机前盾体相对于后盾体位姿的更高精度测量。仿真实验表明该系统是可行的, 并且具有理想的精度。搭建了模拟双护盾隧道掘进机位姿变化的实验平台, 利用全站仪进行精度验证。结果表明系统的测量精度优于3 mm, 相对于单目视觉测量方法来说, 测量精度有了显著提升, 可以满足隧道施工中双护盾隧道掘进机位姿的精密测量需求。
机器视觉 位姿测量 单目视觉 倾角传感器 双护盾隧道掘进机 双目视觉作为一种非接触三维(3D)测量技术, 其位姿标定结果的好坏将直接影响3D物体测量的精度。基于迭代最近点(ICP)算法获得两组点集之间平移和旋转参数的原理, 提出了一种在传统双目位姿标定结果的基础上补偿双目标定矩阵改善精度的方法。介绍了摄像机模型、双目视觉测量模型和ICP算法的基本思想。用双目摄像机标定的外参数和相同的靶标坐标系获得双目视觉位姿矩阵, 在此提出基于ICP算法获得两组点集的旋转平移矩阵补偿双目位姿矩阵的方法, 以及相应的靶标角点坐标投影误差分析模型。双目摄像机采集9组5×7个角点的靶标标定图像, 应用ICP算法补偿双目位姿矩阵, 并采用误差模型对9组标定结果进行了分析, 双目结构光标定改进实验结果表明, 应用ICP算法补偿双目标定模型能显著地提高双目标定的精度。
机器视觉 双目标定改进 点云匹配 迭代最近点算法 针对有阴影情况下的道路及导航线提取问题, 提出一种基于光照不变图像分割和投票函数的阴影道路图像道路及视觉导航线提取算法, 该算法利用正交分解法获取彩色光照不变图像, 并对其进行分割, 通过构造的投票函数及道路判别准则提取道路区域, 扫描道路定位点后对其进行最小二乘拟合提取导航线。该方法不需要大量样本进行学习。实验结果表明, 所提算法与现有两种算法相比, 在检测精度和速度上均具有明显优势, 并且算法复杂度较低。算法能够有效地解决阴影环境下道路及导航线的提取问题。
机器视觉 光照不变图像 阴影道路图像 道路提取 导航线提取 针对摄像机一维(1D)标定的问题, 将世界坐标系建立在1D标定物上, 提出新的数学模型, 给出了一种新的标定方法。一般地, 假设1D标定物与世界坐标系的X轴重合, 定义了1D标定点与其对应投影图像点之间的1D单应矩阵。从单幅视图出发, 推导了1D摄像机标定的基本约束方程。根据基本约束方程采用线性最小二乘估计摄像机的初值, 并以标定点的反投影误差最小为目标函数进行非线性优化得到最终的标定结果。通过仿真实验和真实实验证明了该算法的正确性和可行性。实验结果表明, 与传统的方法相比, 所提出的方法线性初值估计精度高, 且对于固定点不可见的情况, 无需估计固定点的图像投影坐标。
机器视觉 摄像机标定 一维标定物 一维单应矩阵 低发射率光子晶体(PC)具有高反射特性, 在高温环境的强烈照射下, 高反射光子晶体会成为亮目标。为了使光子晶体具有环境适应性, 使之在相当宽的照度范围内都能与背景融合, 对光子晶体的特性进行了深入研究。采用改变光子晶体周期数的方法, 设计并制作了发射率分别为0.116、0.212、0.307、0.519、0.606、0.718的6种光子晶体, 拼接成4块光子晶体迷彩(PCpp), 并将其覆盖在仿真目标上。用8~14 μm热像仪观察目标和背景, 并记录各个时间点的平均辐射温度数据, 利用辐射温度来计算目标和背景之间的欧式距离和目标在此背景下的伪装效率。对比结果发现, 发射率为0.212、0.307和0.606的光子晶体迷彩在温度范围为292~302 K的条件下, 该光子晶体迷彩的平均温度与草地背景温度的欧式距离为12.55 K, 极限温差ΔT0为4 K时的伪装效率为76.92%, 能够使目标和背景很好地融合。
材料 光子晶体 发射率 热红外 迷彩 基于Placido盘的角膜地形图仪成像系统设计与实现下载:661次
为实现基于Placido盘的角膜地形图仪中图像的有效采集, 根据人眼角膜的特点以及所选用的CCD面阵参数, 设计了一套对称式消色差物镜及准直照明透镜系统。利用初级像差理论及PW法计算成像镜头的初始结构, 根据近轴光线追迹公式计算准直照明透镜参数, 利用Zemax光学软件进行系统优化。成像镜头结构由2组4片镜片组成, 有效焦距为20 mm, 后工作距离为19.2 mm, 相对孔径为1/3, 全视场角为8°, 光学总长控制在20 mm以内。在镜头分辨率66 lp·mm-1处, 所有视场的调制传递函数值均大于0.3, 全视场畸变量小于0.5%。该系统具有整体结构简单、紧凑、易加工、成本低、成像质量好等特点, 其性能很好地满足了整机的要求。
光学设计 对称式消色差物镜 像差理论 角膜地形图仪 为了克服传统三反射系统设计中初始结构求解复杂、使用非球面时收敛缓慢的问题, 提出了基于Wassermann-Wolf微分方程的离轴三反光学系统设计方法。根据反射定律和正弦条件, 推导了一组用于求解同轴三反初始结构的Wassermann-Wolf微分方程。通过多项式拟合Wassermann-Wolf曲面, 获得了像质良好的同轴三反初始结构。实现了长焦距(1200 mm)、大视场(18°×4°)、大相对孔径(F数为4)的离轴三反光学系统设计。系统各个视场的调制传递函数在50 lp/mm处均大于0.5。结果表明, Wassermann-Wolf微分方程设计方法简单有效、收敛快, 可以为三反射光学系统提供很好的设计起点。此外, 系统的主镜为二次曲面, 次镜和三镜为非球面, 3个反射镜均无偏心和倾斜, 有效降低了制造成本和装调难度。
光学设计 离轴三反 Wassermann-Wolf方程 矩形视场 基于液体透镜的变焦系统不需要移动光组即能实现变倍的功能, 这种变倍工作方式可应用于具有特定需求的成像系统, 近年来备受关注。探讨了液体透镜参数(变焦范围, 通光口径)对变焦系统变焦性能的影响, 从理论上得到了液体透镜变焦系统最大变倍比以及最大视场角的计算公式。根据理论计算的结构, 求得该结构下液体透镜变焦系统的变焦曲线表达式。从变焦曲线可知, 系统从短焦向长焦方向变化时, 系统变倍比增长速度越快, 系统焦距变化越灵敏。利用上海理工大学研发的液体透镜进行仿真, 设计了一款变倍比为6,全视场角为60°的液体透镜变焦系统高斯结构。该设计不仅验证了理论推导的正确性, 也可作为实际液体透镜变焦系统的初始结构。
光学设计 变焦系统 液体透镜 变倍比 变焦曲线 高斯光学 设计了一种适用于GaInP/GaInAs/Ge多结太阳电池, 可在300~1800 nm宽光谱范围内实现均匀聚光的菲涅耳透镜。通过实际测试, 得到GaInP/GaInAs/Ge多结太阳电池的量子效率图谱和透镜主体材料硅胶的折射率色散曲线, 在此基础之上采用多焦点与多设计波长相结合的方法, 对菲涅耳透镜进行优化设计。基于该方法建立了几何聚光比为625倍, 环距为0.3 mm的透镜模型以及聚光效率、均匀性等聚光性能参数的计算模型, 并利用蒙特卡罗光线追迹及实验测试的方法对其聚光性能进行分析。研究结果表明, 所设计的透镜在300~1800 nm宽光谱范围内以及三个子电池的光谱响应波段内都能较好地实现均匀会聚, 同时具有较高的聚光效率, 聚光分布均匀度高于75%, 聚光效率超过80%。
光学设计 菲涅耳透镜 多波长和多焦点设计 多结太阳电池 均匀性 提出了基于二维光子晶体的具有偏振选择功能的横电(TE)和横磁(TM)波三等分功率分配器, 功分器结构构建于正方晶格的十字形光子晶体波导中。利用有限元法计算结构的性质, 利用Nelder-Mead算法进行了参数优化。结果表明, 在输入通道引入不同的偏振选择缺陷, 可使功分器具有偏振选择功能。对于TE功分器, TE波能够进入并在其中传输, TM波则不能进入; 对于TM功分器, 情况则刚好相反。在波导的十字交叉区域引入功率控制缺陷, 可使各输出端功率相等。合理选择参数, TE和TM功分器的总传输效率分别可达99.48%和95.53%。波长扫描发现两种功分器都可工作在相对较大的波长范围内。
光学器件 功率分配器 二维光子晶体 光子晶体波导 偏振选择 针对片上光互连用光源对谐振腔单色性、可调性的要求, 基于互补金属氧化物半导体技术和绝缘衬底上的硅材料, 设计并制作了一种基于微环谐振腔的可调谐硅基反射腔镜。利用转移矩阵方法分析了该反射腔的性能, 发现该反射腔具有较好的尖锐度和消光比。实验结果表明, 该反射腔在波长1549 nm处反射率可达90%, 品质因素Q值为3×104, 自由光谱范围(FSR)为9.6 nm。通过对微环谐振腔进行热光调制, 在0~40.5 mW功率范围内实现了在FSR内的波长可调。
光学器件 反射腔 热调特性 微环谐振腔 设计实现了基于同轴转臂的角分辨光谱测量系统, 适用于对表面等离激元结构进行角分辨镜面反射光谱表征。以激发转臂与收集转臂绕样品台表面回转实现定向入射与收集; 利用标准圆棒约束两转臂回转轴承同心, 并允许转臂与电动转盘径向相对移动以保证两转臂沿同轴转动, 进而确保角分辨光谱的角度信息准确; 利用反向传播神经网络算法对光栅分光光谱仪进行标定, 确保光谱信息准确。系统可分辨高度角范围为7.9°~89°, 最小角度分辨率为0.1°。通过该系统对金表面一维周期光栅、金表面二维周期纳米结构等样品在不同介质环境、不同高度角与不同方位角下进行镜面反射谱采集实验, 完成了对上述表面等离激元结构可靠的角分辨光谱表征。
表面光学 表面等离激元 角分辨光谱 定向激发 表面等离激元共振 表面等离激元结构 对比描述米散射介质退偏特性的米勒矩阵分解法和米勒相关矩阵法, 讨论了完备的退偏特性描述参数。发现退偏介质在不含其他偏振特性时, 分解法和相关矩阵法得到的保偏系数与标准值的差异会随着介质主轴方向上的退偏各向异性程度增大而增大, 此差异最大时分别为0.16和0.07, 相对差值分别为33%和15%。由于米散射介质表现出退偏各向异性特征, 发现除了可用退偏各向异性系数表征此特性外, 保偏系数-熵图也可定性地反映介质的退偏各向异性程度。而当介质表现出其他偏振特性, 如双折射和旋光等效应时线性退偏会表现出各向异性特征, 此时还需引入线性退偏各向异性系数才可完备地表征米散射介质的退偏特性。
物理光学 组织光学 保偏系数 米勒矩阵分解 米散射介质 米勒相关矩阵 熵 在腔量子电动力学模型中引入经典场驱动原子, 通过设置原子-腔场的频率失谐量与经典场驱动强度的关系, 实现有效Jaynes-Cummings模型到反Jaynes-Cummings模型的转化, 从而达到控制系统动力学过程的目的。分别讨论了三原子Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)型和W型纠缠态在不同原子-腔场有效相互作用模型下的纠缠动力学行为。结果发现, 在经典场驱动下, 三原子纠缠在动力学过程中可以实现从存在纠缠死亡现象到无纠缠死亡现象的转化, 从而抑制纠缠突然死亡现象的发生。探究了泄漏腔情形下三原子GHZ型和W型纠缠态在演化过程中的纠缠稳健性, 得到了三原子GHZ型和W型纠缠态在动力学过程中纠缠稳健性最强的有效原子-腔场相互作用模型。
量子光学 纠缠态 Jaynes-Cummings模型 反Jaynes-Cummings模型 为研究曲面目标的量子雷达散射截面(QRCS)特性,以圆柱曲面为数学模型,并根据光子与镜面物质相互作用的量子描述,分别引入单光子和双光子的概率波函数.基于经典雷达散射截面(CRCS)定义式,分别推导了单光子和双光子的 QRCS解析式,并对多光子的 QRCS定义进行了扩展和推导.对 QRCS和 CRCS截然不同的物理本质及其相互关系进行了分析.仿真结果表明,双光子 QRCS在不同入射角度下形成的波形在毫米波段出现畸变,因此单光子 QRCS具有更好的性能;与 CRCS相比,QRCS的主旁瓣比更高。
量子光学 量子雷达 雷达散射截面 光子波函数 毫米波段 主旁瓣比 针对当前影像几何定位时变系统误差难以补偿的问题, 提出一种基于傅里叶级数模型的时变系统误差地面补偿方法, 并采用几何定标场的数字正射影像图/数字高程模型数据进行精度验证。分析了2014年12月发射的遥感二十六号卫星的数据, 结果表明, 设计的时变系统误差地面补偿模型可以有效提高影像在无控点条件下的几何定位精度, 且补偿后的影像几何定位精度可以提高约40%。
遥感 高分辨率卫星 时变系统误差补偿 傅里叶模型 几何定标场 对地相机 利用自行研制的便携式拉曼光谱仪(Hx-Spec)对高山石类寿山石(13组)和老挝石(22组)进行了分类判别分析。Hx-Spec拉曼光谱仪的激发波长785 nm, 光谱范围200~2700 cm-1, 分辨率6 cm-1。结合主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)建立多元统计算法模型, 将老挝石从高山石类寿山石中区别出的特异性和灵敏度分别为100%与86.7%, 受试样品工作特征(ROC)曲线下面积为0.977。另外, 加入8个新样品作为验证, 判别正确率为87.5%。研究表明, 自行研制的便携式拉曼光谱仪结合PCA-LDA统计分析方法有望用于区分高山石类寿山石和老挝石。
光谱学 拉曼光谱 无损鉴别 主成分分析 寿山石 老挝石