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    表面光学

肖功利   刘小刚   杨宏艳   蒋行国   王宏庆   郑龙   刘利   李海鸥   李琦   张法碧   傅涛   陈永和  

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提出了一种由左右、上下对称的一大一小圆弧组成的金属圆弧孔阵列结构。利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强表面等离激元的耦合作用, 以获得较好的强透射现象；同时研究了基于该现象的折射率传感特性。采用有限时域差分法研究了该孔阵列结构中大小圆弧孔的半径、两圆弧的圆心距和阵列周期对强透射现象的影响。研究发现, 当大圆弧半径为95 nm、小圆弧半径为70 nm、两圆弧的圆心距为100 nm、周期为425 nm时, 该结构具有较好的强透射现象, 其灵敏度为279 nm/RIU,为下一代高性能微纳米等离子体传感器的设计提供了理论参考。

       PDF全文 (下载：33)               HTML全文 (浏览：2) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0224001      

    材料

原媛   谢亚楠   李鑫  

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以聚酰亚胺为衬底, 设计了一种基于石墨烯的工作在太赫兹波段的频率可重构贴片天线, 该天线不需要加载电子开关, 通过调节偏置电场, 可动态地调控天线的谐振频率点并保持辐射性能不变。研究了石墨烯的主要特性, 利用天线的等效电路模型, 计算了石墨烯贴片天线的输入阻抗, 理论解释了频率可调谐的原因。所设计的石墨烯天线在太赫兹波段有5个谐振频率点, 覆盖了678.25~721.75 GHz的频段, 辐射增益峰值可达6.92 dB, 辐射效率最高可达86.48%。

       PDF全文 (下载：76)               HTML全文 (浏览：4) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0216001      

初文静   林俊良   郑友伟   林金锡   林金汉   邱建华  

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以偏钨酸铵为钨源, Pluronic F127为配位聚合物, 在FTO导电玻璃上制备了WO3薄膜, 研究了配位聚合物含量对WO3薄膜电致变色性能的影响。实验结果表明, 制备的WO3薄膜属于立方晶相；随着Pluronic F127含量的增大, WO3薄膜表面粗糙度增大, 电荷容量先增大后减小；当Pluronic F127的含量为26%时, WO3薄膜的电荷容量最大, 电致变色性能最好, 可见光区域的透光率光学调制范围达到62.68%, 光学密度差达到0.864, 且着色态的太阳能总透射率低于褪色态的, 制备的薄膜具有较好的节能效果。

       PDF全文 (下载：25)               HTML全文 (浏览：1) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0216002      

蔡园园   王智   陈笑   李长伟   冯帅   王义全  

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基于有机半导体发光材料, 研究了低折射率对比度下八重准晶结构中双缺陷微腔之间的缺陷模的耦合特性。研究结果表明, 在八重准晶双9孔缺陷情况下, 缺陷模不但发生了分裂, 还出现了一个由双缺陷微腔与中间散射体所构建的复合腔新模式。在此基础上, 利用缺陷模的三维场分布和模式之间的相位关系, 揭示了模式耦合的物理机制, 这为后续可见光波段有机半导体光子晶体器件的设计与制备提供了理论依据。

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    成像系统

侯榆青   胡昊文   赵凤军   何雪磊   易黄建   贺小伟  

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在非匀质成像中, 器官形状是影响建模光在生物体内传播过程的重要因素,它能直接影响荧光分子断层成像(FMT)的重建过程。器官图像的手动分割过程较为复杂, 且对图像质量要求较高, 而边缘检测、区域生长、主动轮廓模型等自动分割方法在处理复杂医学图像时存在很大的局限性。因此, 使用基于主动形状模型(ASM)的自动分割方法, 对小鼠器官图像进行准确分割, 并使用基于L1范数优化的重建算法实现光源重建。为分析基于ASM的器官图像分割精度与重建精度的关系, 采集小鼠计算机断层扫描(CT)数据并进行真实实验, 与流行的基于Snake模型的分割算法进行比较。实验结果表明, ASM算法可以替代手动分割, 不影响光源的位置重建。

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李韬杰   吴鹏   尹韶云   杨正   杜春雷   汪岳峰  

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多子镜拼接的方法可实现大口径菲涅耳衍射透镜制作, 但拼接误差会对光学系统的成像质量造成影响。通过衍射光线追迹和波前恢复的方法, 正向得到了子镜沿自身x′轴倾斜、y′轴倾斜、z′轴平移等面外误差与对应波前误差Zernike系数的数据库。利用数据库基于反向传播神经网络优化算法反向建立波前误差Zernike系数与对应面外误差的非线性耦合映射模型, 可实现通过输入Zernike系数完成对面外误差耦合扰动情况的快速求解, 运用带有符号的数值判定面外误差的大小及方向。对该模型进行模拟数值计算, 验证了该方法的精度及可靠性, 为衍射拼接主镜的共面检测、装调提供理论依据。

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    大气与海洋光学

王玉峰   曹小明   张晶   汤柳   宋跃辉   狄慧鸽   华灯鑫  

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提出了一种基于小波阈值去噪算法的白天太阳背景光滤波抑制方法, 实现对拉曼回波信号中真实信号与噪声的分离, 并有效滤除白天背景噪声。基于西安理工大学大气水汽探测拉曼激光雷达系统的全天时实测数据, 详细讨论了分解层数、小波基函数、阈值函数以及阈值选取方法等因素对白天探测回波信号去噪结果的影响, 对去噪前后信号进行分析并对去噪评价函数进行对比, 当利用小波基sym6、分解层数为5层, 并采用改进阈值函数和改进通用阈值方法的最优条件时, 可实现对白天水汽拉曼散射信号和米-瑞利散射信号较好的去噪效果。讨论了小波去噪前后大气水汽混合比反演廓线和激光雷达水汽探测信噪比(SNR)的结果, 分析表明利用该去噪系统得到的白天激光雷达水汽探测SNR提高约3.4倍, 水汽探测距离可从1.5~2 km提高到3 km以上。开展全天时激光雷达连续探测实验和去噪处理, 获得了24 h边界层内大气水汽混合比的连续变化特性, 并得到与近地面气象站数据的较一致的结果, 充分验证了小波去噪算法应用于全天时大气水汽探测的可行性和有效性。

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    光计算

练秋生   李颖   陈书贞  

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在相位恢复过程中, 用图像的稀疏性作为先验知识可以提高图像的重构质量。结合图像在小波域的组稀疏性与图像自身的梯度稀疏性, 针对编码衍射图样模型, 提出一种融合正交小波db10和sym4组稀疏性与全变差正则化的相位恢复算法。针对当前相位恢复算法重构时间较长的问题, 采用复合分裂算法将非凸优化问题分解成几个易于求解的子问题(包括两个组硬阈值算子和全变差最小化)进行求解, 减少了图像重构时间。实验结果表明:在高斯噪声下, 与BM3D-PRGAMP算法相比, 所提算法重构图像的峰值信噪比提高了约0.8 dB, 重构时间缩短了90%；在泊松模型中, 所提算法也具有较大优势, 充分说明了所提算法对噪声具有稳健性。

       PDF全文 (下载：40)               HTML全文 (浏览：0) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0220001      

    光谱学

吕金光   梁静秋   梁中翥   秦余欣  

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为了进一步实现傅里叶变换光谱仪的微小型化, 在基于多级微反射镜的傅里叶变换光谱仪结构中引入微透镜阵列, 利用微透镜阵列对由多级微反射镜调制的各级次的干涉光场单元进行同步收集。光场相位采用空间调制的方式, 因此系统的波前像差会导致各级次干涉光场单元的子波前产生不同程度的畸变。建立含有波前像差的光场与多级微反射镜和微透镜阵列相互作用的标量衍射理论模型, 计算表明波前像差会导致各级次干涉像点的强度产生不同程度的衰减, 同时在复原光谱中引入低频噪声。通过分析发现, 干涉像点强度的衰减是各干涉光场单元子波前像差的斯特列尔比调制的结果, 且复原光谱中的低频噪声主要源于斯特列尔比的傅里叶谱。根据波前像差对干涉图像的调制特点, 提出了一种利用波前像差的斯特列尔比对干涉光强进行修正的方法, 计算表明该方法可以使复原光谱的失真得到有效改善。

       PDF全文 (下载：21)               HTML全文 (浏览：2) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0230001      

黄达   黄树彩   赵炜   陆屹  

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助推段导弹有高温、大面积的尾焰, 根据尾焰光谱特征可准确识别导弹。将其应用到天基预警系统能够使导弹防御系统趋于完善, 但光谱信息数据量庞大, 从获取光谱信息到识别光谱信息需要耗费大量时间。为此, 寻找能够代表导弹尾焰光谱的特征光谱, 使用模糊算法对特征光谱进行数据处理, 以达到准确、快速识别的目的。利用已有的红外图像和大气、云层、导弹及飞机尾焰光谱数据进行特征光谱图像拟合, 经信噪比分析后可知, 特征光谱图像比全波段红外光谱图像的信噪比高。分别使用模糊算法和光谱角测度对拟合图像进行处理, 结果表明模糊算法的实时性和准确性优于光谱角测度。

       PDF全文 (下载：10)               HTML全文 (浏览：0) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0230002      

郝爱花   贺锋涛   李立波   李芸   胡炳樑  

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全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式, 在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能；在垂直于狭缝的平面上, 全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性；在平行于狭缝的平面上, 全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变, 实现了谱线平直成像；此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想, 利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20 nm/mm、空间分辨率小于25 μm等技术指标不变的前提下, 设计了狭缝长度为0.4 mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8 mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明, 改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。

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    光纤光学与光通信

刘强   毕卫红   王思文   吕欣   付兴虎   付广伟  

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提出了一种基于LP01和LP11模式干涉的少模光纤温度传感器, 利用单模光纤(SMF)和少模光纤(FMF)在入射端偏芯熔接、出射端对准熔接制作而成。利用标量法对FMF建立理论模型, 通过光场的电磁边界连续条件推导出了FMF的特征方程, 并通过对特征方程数值求解详细分析了FMF中的传输模式；通过有限元分析软件对上述理论模型仿真计算, 验证了理论计算结果的正确性；利用制作的传感器进行温度传感实验, 并对不同温度下的传输光谱进行傅里叶变换, 对参与干涉的两种模式进行了分析。根据光纤的热光效应, 建立温度传感模型, 分析计算该传感器的温度灵敏度, 实验结果与理论计算一致。利用上述特性制作的传感器进行温度测量, 当温度发生变化时, 干涉峰发生漂移, 在25.3~77.3 ℃范围内, 传感器长度为16 mm时, 温度灵敏度为158.06 pm/℃。该传感器能广泛应用于工业生产、生物医学等领域的温度测量。

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叶佳   闫连山   潘炜   罗斌   邹喜华  

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为提高光载无线系统传输容量, 提出一种混合频相调制信号光学产生技术。利用保偏光纤布拉格光栅对不同输入偏振态响应不同的特性, 将加载到信号偏振态的基带信息转换到输出波长上, 并通过在接收端的外插拍频实现频率调制。同时通过光学相位调制将信息映射到拍频产生的微波信号上, 最终产生混合频相调制信号。搭建基带传输式光载无线系统, 验证了该信号产生方法的有效性。产生了码率为1 Gbit/s、频率为12.5 GHz/9.5 GHz的混合频相调制信号, 该信号经过5 km光纤传输后由接收端解调。信号的时域波形及解调后信号眼图与星座图等结果证明了所产生的混合频相调制信号的可靠性。

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赵奇飞   王首鹏   徐雨萌   孔鸿鹏   任栋   王道斌   侯尚林  

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色散和激光器频率偏移能够对使用交错正交幅度调制格式的相干光滤波器组多载波(CO-FBMC/OQAM)系统产生严重影响。针对这个问题, 重点研究了该系统的基于训练序列的信道和载波频率偏移联合估计及补偿方法。详细分析了CO-FBMC/OQAM系统的信道传输模型, 对训练序列的结构进行了设计和优化, 抑制了固有虚部干扰(IMI)的影响。为了消除信道噪声对估计过程的干扰, 提出了基于不同帧之间频域平均的估计方法。该方法将实值导频的交叉关联函数在不同帧之间进行频域平均, 取其相位后获得载波频率偏移估计值。信道响应也在不同帧之间进行频域平均后得到最终估计值。搭建了CO-FBMC/OQAM系统的数值仿真平台, 并研究了激光器频率偏移不同时, 经过1500 km标准单模光纤传输后系统的误差幅度矢量和误码率。数值仿真结果表明：不管是在背靠背场景下, 还是在1500 km光纤传输后, 该方法都能够抑制色散和激光器频率偏移的影响, 有效提升系统的传输性能。

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    光学器件

张建平   宗雨   朱文清   易勐  

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大多数现有的寿命预测模型在处理光电产品实验数据时存在耗时长、精度低等问题。为了短时间内准确地预测光电产品的寿命, 利用两参数威布尔函数拟合多组应力下的亮度衰减数据获得加速寿命, 通过拟合优度检验参数确定Power函数来外推常规寿命, 从而构建了一种新型的光电产品寿命预测模型：加速寿命外推模型(ALEM)。将该模型应用于真空荧光显示屏(VFD)寿命的快速预测, 开展了4组恒定应力加速退化实验, 实现了模型精度的评价。结果表明, 设计的VFD加速退化实验方案正确可行, 采集的实验数据客观地反映了VFD亮度衰减特性；ALEM准确地描述了加速应力下亮度的变化轨迹, 很好地揭示了应力随寿命变化的规律, 无需开展常规寿命实验便可精确地外推出产品的寿命, 为现代光电产品的寿命评估开辟了一种新的方法和途径。

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彭艳玲   薛文瑞   卫壮志   李昌勇  

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采用多极方法对涂覆石墨烯的并行电介质纳米线中的模式特性进行了解析分析, 详细研究了工作频率、电介质纳米线的几何结构参数和石墨烯的费米能对模式的有效折射率和传播长度的影响。结果表明, 通过改变工作频率和石墨烯的费米能可以便捷地调节模式特性。此外, 纳米线的半径或间距小于50 nm时, 对模式特性有调节作用；然而, 当这两个参数继续增大时, 它们对模式特性的影响逐渐减小。对比显示多极方法的解析结果与有限元法的数值结果非常吻合。

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    光学设计与制造

朱雨霁   尹达一   陈永和   任百川  

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紫外成像光谱仪是遥感探测仪器的重要组成部分之一。在机载和星载领域, 遥感平台正逐步要求光谱仪在实现高分辨率的同时, 其设备趋于轻量化和小型化。针对紫外成像光谱仪高光谱分辨率、轻量化、小型化等特点, 研究了基于Offner结构的紫外成像光谱系统, 设计了一种工作波段为250～400 nm、狭缝长40 mm、光谱分辨率为0.3 nm的高分辨率紫外成像光谱仪, 并对设计结果进行了分析与评价。结果表明, 这种紫外成像光谱仪在38.5 lp/mm处调制传递函数达到0.76以上, 实现了接近衍射极限的优良成像质量；谱线弯曲和色畸变在像元尺寸的10%以内。另外, 该结构在原Offner结构的基础上大大缩小了系统体积, 实现了紫外遥感仪器小型化、轻量化的目的, 且易于加工和装调, 满足设计指标要求, 适合机载和星载遥感应用。

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张树青   王庆晨   智喜洋   黄源欣  

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为了增加硬质内窥镜的有效视场, 便于手持操作, 节约成本, 需要对现有硬质内窥镜的性能进行改进。首先, 分析国内外硬质内窥镜的发展现状以及存在的主要问题, 对比相关产品提出设计要求；接着, 提出一种30°视向角硬质内窥镜的设计方法；然后, 在分析目前市场上各类硬质内窥镜转向系统结构的基础上, 提出使用全反射棱镜设计30°视向角内窥镜的方法；最后, 结合相应标准对设计结果进行公差分析与像质评价。设计结果表明：所设计内窥镜的总长度为365 mm；口径小于6 mm；视场角为±40°；物方分辨率为12 lp/mm, 接近衍射极限；能量分布均匀。考虑加工和装调误差, 进行公差分析后结果显示像质满足用户需求。设计结果基本能够满足实际使用需求, 达到设计要求, 对硬质高质量医用内窥镜的国产化具有工程应用意义。

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王丹艺   薛常喜   李闯   杨红芳  

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为了满足现代医疗领域中对内窥镜小型化、大视场的需求, 采用反远距光学结构作为初始结构, 利用Zemax光学设计软件在原有结构中加入5×5微透镜阵列, 得到了一种工作于可见光波段、全视场为110°、焦距为1.55 mm、F数为4.2、最大通光口径为3.15 mm、系统总长为7.99 mm的高清电子内窥镜物镜光学系统。该系统由6片透镜组成, 以光阑面为界分为前组和后组, 其中前组包括一片前后两面均为阵列面的镜片, 后组包含一组双胶合透镜。整个系统的光学调制传递函数在120 lp/mm处达到0.36, 接近衍射极限, 满足医疗使用的要求。设计结果表明, 微透镜阵列在不改变口径的条件下对增大内窥镜光学系统视场有明显优势, 在医疗领域具有广阔的应用前景。

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    机器视觉

胡佳洁   李素梅   常永莉   朱兆琪   侯春萍  

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结合视觉注意机制, 通过大量主观实验, 定量研究了对比度因素对立体图像视觉舒适度的影响。首先结合平面显著图和立体视差图获得立体显著度图, 再利用模糊隶属度和掩模对其进行优化, 获得显著立体图像, 并用眼动仪验证其合理性；然后对左右视图进行对比度变换和主观实验, 数据筛选后得到显著立体图像的舒适对比度匹配图和差异图。实验结果表明：左右视图的对比度差异门限值随着左视图对比度值的不同而改变, 且左右视图对比度差异不能过大, 最大和最小差异值分别为1.97和-2.40。实验所得舒适对比度范围很好地反映了立体图像的舒适度, 验证实验的正确率达95%, 为立体内容的制作提供了更合理可行的定量标准。

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王艳川   黄海   李邵梅   高超  

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针对相关滤波跟踪在遮挡及目标尺度变化等情况下容易跟踪失败的问题, 提出一种基于在线检测和尺度自适应的相关滤波跟踪算法。相关滤波跟踪器融合方向梯度直方图特征、颜色属性特征和光照不变特征进行目标定位；通过局部稀疏表示模型的重构残差进行遮挡判别, 如果发生遮挡则进行在线支持向量机检测, 实现目标重定位；进行由粗至精的尺度估计, 通过尺度预估计和牛顿迭代法得到目标的精确尺度。采用均衡的模型更新策略, 固定更新相关滤波器, 保守更新稀疏表示模型和支持向量机。实验结果表明:与现有跟踪算法相比, 所提算法能有效降低遮挡、目标尺度变化等复杂因素的干扰, 并在50组测试序列上取得较高的距离精度和成功率, 其整体性能优于其他对比算法。

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高昊昇   唐超颖   陈晓腾   余笑  

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提出了一种基于贝叶斯理论检测血管边界的手臂静脉线跟踪方法, 该方法自动选取初始种子点, 避免人工干预。跟踪血管时, 将血管结构分为正常型、分支型和交叉型3种。每次迭代时综合考虑血管的横向和纵向特性。由于短距离内血管近似为直线, 可利用多尺度直线模板对图像进行滤波, 得到像素点的直线强度。使用高斯模型拟合血管横截面的灰度分布, 基于贝叶斯最大后验概率准则, 确定可能性最大的血管结构, 从而得到局部血管的边界点、中心点、直径和方向。实验结果表明：与传统的阈值分割法和重复线跟踪法相比, 所提方法提取出的手臂静脉线更准确、更全面, 且具有较好的噪声稳健性。

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王浩   康文雄   陈晓鹏  

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搭建了基于视频的掌纹掌脉联合识别系统。首先对掌纹掌脉采用新的注册和识别方式, 用系统获取的手掌运动视频来代替传统采集方式所获取的静态图像, 认证时手掌无需刻意停留, 只需横扫而过, 有效地增强了认证的亲和性。提出了将旋转视频和横扫视频进行融合注册的新策略, 从而确保了注册特征的丰富性和完整性, 增强了系统对不同认证姿态的稳健性。为了提升已注册用户的识别速度, 提出一种级联融合策略来进行识别。构建了一个包含100个手掌、1200段带有运动模糊的掌纹掌脉视频数据库, 并在数据库上进行了大量仿真, 结果显示新系统在915 ms的期望耗时内能够达到1.51%的等误率, 验证了所构建新系统的有效性和实用性。

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鲁逸峰   金琴花   荆晶   陈韵岱   曹一挥   李嘉男   朱锐  

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针对血管内光学相干断层扫描(IVOCT)成像系统, 提出一种改进的自适应增强(Adaboost)算法及一种基于动态规划的轮廓分割算法用于可降解支架的自动检测与分割, 实现对支架贴壁情况的自动评估。在检测阶段, 利用多层决策树构建Adaboost分类器, 实现对支架位置和大小的检测；基于检测结果, 利用动态规划算法对支架轮廓进行分割；最后, 结合分割结果, 对支架贴壁情况进行计算。实验结果显示, 所提算法的检测召回率达到91.6%, 精确率为87.2%, 轮廓分割的平均Dice系数为0.80, 表明所提算法能够实现IVOCT影像中可降解支架的准确检测与分割, 且具有较好的稳健性。

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范海瑞   杨帆   潘旭冉   温洁   王晓宇  

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针对现有立体匹配算法对噪声敏感、易失真、在视差不连续区域与弱纹理区域误匹配率高的问题, 提出一种改进Census变换与梯度融合的多尺度立体匹配算法。采用支持窗口内所有像素的加权平均灰度值作为Census变换的参考值, 将Census代价与由水平和垂直方向归一化结合的梯度代价进行加权融合, 通过设置噪声容限获得稳定的代价, 提高了单像素匹配代价的可靠性；在多分辨率尺度下, 采用改进引导滤波算法完成对匹配代价的聚合；通过视差提取获得视差图。实验结果表明, 该算法在Middlebury测试平台上对标准立体图像对的平均误匹配率为4.74%, 对27组扩展立体图像对的平均误匹配率为8.67%。该算法使得视差不连续区域与弱纹理区域的误匹配率进一步降低, 且对噪声和光照等干扰表现出较好的稳健性。

       PDF全文 (下载：37)               HTML全文 (浏览：1) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0215006      

    激光器与激光光学

孟令武   邵帅   乔健  

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采用有限体积方法, 研究了矩形内通道直角弯道流场及压力损失系数, 主要分析通道尺寸、冷却液流速、冷却液浓度等因素对局部流场和压力损失系数的影响规律。结果表明：压力损失系数随流道宽度a和流道高度b的增大而逐渐减小, 随流道间距e先下降后略微上升；弯道宽度c的变化会引起弯道局部流场和压力损失系数发生变化；液流流速越大, 压力损失系数越小；冷却液浓度越大, 压力损失系数越大。

       PDF全文 (下载：5)               HTML全文 (浏览：0) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0214001      

    集成光学

周利强   张杰   丁健   陈伟伟  

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设计了一种基于石墨烯表面等离子激元波导的同或/异或逻辑门, 其采用了上下话路型微环谐振器为基本单元。通过调节石墨烯化学势来控制石墨烯表面等离子激元的传输状态, 器件的两个不同输出端口同时获得同或和异或逻辑运算结果。仿真分析结果表明：当工作频率为30 THz,石墨烯化学势为0.677 eV和0.95 eV时, 基于石墨烯表面等离子激元波导的上下话路型微环谐振器可实现开启与关闭；所构建的同或/异或逻辑门在‘00’、‘01’、‘10’、‘11’四组逻辑操作数下的最差串扰为-10.60 dB。

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    几何光学

张晓婷   刘楚嘉   漆宇   蔡智辉   吴逢铁   庄其仁  

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研究了以大功率发光二极管(LED)作为光源的聚合物光纤束(POFB)透镜耦合器的原理和设计方法, 基于能量补偿和坐标迭代法设计了一种能量均匀分布自由曲面透镜耦合器。透镜耦合器由两个折射曲面和两个反射曲面以及一个环形柱透镜面组成, 折射曲面将修正的朗伯型大功率LED光束中发散角度较小的光线均匀分配在POFB端面上；反射曲面将LED光束中发散角度较大的光线作为补偿光线进行能量重新分配以提高目标面的照度均匀性, 并以光纤束端面的照度均匀性和有效光利用率为优化目标对透镜耦合器结构进行优化设计。光学仿真结果表明, 当采用3535规格的LED作为光源时, 设计的耦合器可使直径为0.5 mm的20×20根POFB端面照度均匀性达到92%, 有效光利用率达到71%。

       PDF全文 (下载：15)               HTML全文 (浏览：1) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0208001      

尹鹏   徐熙平   姜肇国   赵聪  

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建立了扇形无漏光聚光系统, 对其几何聚光比与抛物线系数、聚光模组后抛物面宽度及聚光模组数量之间的相互关系进行了研究。针对光线耦合结构阵列后导致的漏光问题, 提出了锯齿型无漏光波导板的设计方法, 在提高聚光比的同时获得较高的聚光效率。通过分析太阳运行规律, 提出可传动棱镜片组的设计以取代传统双轴跟踪方式, 在一定意义上实现单轴追踪, 降低系统运行功耗。在考虑菲涅耳损失以及材料吸收情况下, 利用LightTools软件对所设计的聚光系统进行光线追迹, 结果表明：在抛物线系数a=0.019时, 几何聚光比达到1900, 聚光效率为65.1%；在抛物线系数a=0.032时, 几何聚光比达到1110, 聚光效率达到约82.3%。

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    量子光学

马丽霞   秦际良   闫智辉   贾晓军  

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改进了连续变量量子存储的平衡零拍探测器, 得到了一种可以实时测量短脉冲光信号正交分量的快速响应平衡零拍探测器。利用无电容电路, 以及高量子效率、低结电容的光电二极管, 获得的平衡零拍探测器的响应时间为65 ns；当波长为795 nm、功率大于100 μW的激光入射时, 在2.5 MHz处的信噪比超过12 dB, 相应的饱和功率为6.8 mW。该平衡零拍探测器可以应用于连续变量量子存储、量子网络等研究领域中。

       PDF全文 (下载：26)               HTML全文 (浏览：0) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0227001      

    视觉与色彩

崔帅   张骏   高隽  

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复杂和多光照场景下的光照估计是颜色恒常性计算的难点和热点。提出一种对数域中基于实例学习的光照估计方法。通过分析光照对图像色度的影响, 提取对数色度直方图作为光照一致性特征, 在实例学习框架下, 根据特征相似的已知光照实例估计目标场景光照。算法分割原始图像为多个光照均匀场景, 分区域估计局部光照, 并融合得到整幅图像的全局光照信息。在多组单光照和多光照数据集上的实验结果表明, 相较于其他先进方法, 本文方法在不同数据集上的光照估计误差中位数降低了5%~14%, 精度更高且稳健性更好。

       PDF全文 (下载：8)               HTML全文 (浏览：1) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0233001      

    探测器

蔡厚智   刘进元   付文勇   雷云飞   廖昱博   龙井华  

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研制了三通道微通道板(MCP)门控X射线分幅相机, 其MCP微带阴极宽度为8 mm, 相邻两阴极间隔为2.8 mm, 由幅值为-1.9 kV和宽度为210 ps的门控脉冲进行驱动。采用光纤传光束法测量了相机的触发晃动。实验结果表明, 相机的触发晃动约为94 ps, 与高速示波器测得的90 ps基本一致。此外, 测得相机的时间分辨率约为100 ps。

       PDF全文 (下载：6)               HTML全文 (浏览：0) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0204001      

蔡厚智   刘进元   付文勇   雷云飞   廖昱博   龙井华  

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研究了基于微通道板(MCP)选通技术的电子飞行时间(TOF)测量系统。调节MCP选通脉冲延时, 使得电子和选通脉冲同时到达MCP, 从而产生动态图像。利用高速示波器获得电子在50 cm漂移区的TOF。当阴极电压为-3.5 kV时, 测得电子从阴极到MCP的TOF约为15 ns。改变阴极电压, 获得了TOF与电子能量之间的关系。结果表明, 随着电子能量的增大, TOF不断减小。该TOF测量系统的时间分辨率为88 ps。

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寇添   周中良   刘宏强   杨远志  

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通过建立目标光谱辐射的包络模型和目标姿态角的动态特征模型, 分析了目标机动模式与姿态角变化率之间的关系。建立了红外辐射的响应信号模型, 并对影响信号特征的关键因素进行了理论分析。结果表明, 空间距离的指数项和高次幂项是影响红外辐射信号幅度整体变化趋势的主要因素, 目标姿态角的变化率对红外辐射响应信号的局部特征影响显著, 且红外辐射响应信号的时间导数与目标姿态角的变化率成正比。选取三种典型的目标机动模式进行了仿真实验, 结果表明, 不同机动模式下目标红外辐射响应特征信号的差异性显著, 这为目标机动模式的识别提供了可行性, 对空间机动目标的跟踪、机动检测和态势评估具有较大意义。

       PDF全文 (下载：6)               HTML全文 (浏览：0) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0204003      

赵东   周慧鑫   秦翰林   钱琨   荣生辉   成宽洪   宋尚真  

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为了解决传统跟踪算法不能有效区分背景边缘和红外弱小目标的问题, 基于图像引导滤波和核相关滤波, 提出了一种改进型的红外弱小目标跟踪算法。将采用6组红外弱小目标图像序列得到的实验结果与采用经典跟踪算法得到的实验结果进行了比较。实验结果表明, 所提算法在主观视觉和客观评价指标方面均优于传统算法, 具有更高的目标跟踪精度与较好的实时性。

       PDF全文 (下载：20)               HTML全文 (浏览：0) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0204004      

    图像处理

苏畅   付天骄   张星祥   任建岳   金龙旭  

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提出一种基于能量约束的自适应加权图像盲复原算法。首先, 将图像划分成多幅子图像, 引入图像梯度作为权重构建加权光学传递函数估计模型, 以减少图像纹理对光学传递函数辨识的影响；其次, 根据图像信号能量建立约束方程, 采用二分法选择最优复原结果, 实现自适应图像盲复原。仿真实验和多光谱遥感图像实验结果都表明, 该算法具有较高的峰值信噪比和结构相似度, 能有效恢复高斯类模糊图像, 增强图像细节分辨能力, 提高图像的主观视觉效果。该算法可应用于数据量大、实时性强的领域。

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江泽涛   吴辉   周哓玲  

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针对传统红外与可见光图像融合算法中存在的目标不够突出、背景缺失、边缘信息保留不够充分等问题, 提出了一种基于改进引导滤波和双通道脉冲发放皮层模型(DCSCM)的红外与可见光图像融合算法。首先, 对源图像进行非降采样Shearlet变换(NSST), 得到相应的低频和高频分量。然后, 分别采用改进的引导滤波算法和DCSCM模型对低频、高频分量进行融合。最后, 对融合得到的高低频分量进行NSST逆变换得到最终的融合图像。与其他几种方法进行比较, 实验结果表明, 本文算法的融合图像目标突出, 背景信息丰富, 且在图像清晰度、对比度、信息熵等方面均有优势。

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熊风光   霍旺   韩燮   况立群  

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三维点云关键点配准与识别过程中存在寻找匹配对不理想、大量误匹配对及配准与识别准确率下降等问题,提出了一种新颖的关键点误匹配剔除方法。在关键点检测阶段, 基于边缘点及其邻域点大多分布在同侧的特性, 提出了一种边缘点检测算法, 剔除处于边缘的关键点, 以提高关键点的可重复性和可匹配性, 并降低关键点特征匹配的误匹配率。在关键点特征匹配阶段, 对经由最近邻算法得到的初始关键点匹配对, 通过Kmeans算法和分裂法, 剔除掉大量错误的关键点匹配对, 从而提高三维点云之间关键点的匹配率。实验结果表明, 该方法能够剔除完整三维点云匹配完整三维点云、完整三维点云匹配杂乱且有遮挡的三维点云、部分点云匹配部分点云所产生的大量关键点误匹配对, 提升了关键点匹配效果；同时在时间上, 本文算法较随机取样一致性算法更有效率, 是最邻近算法的有益补充。

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吴礼洋   熊磊   杜少毅   毕笃彦   方挺  

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提出了一种仅基于单个模板的人脸仿射配准方法。首先, 为了克服人脸仿射变换而产生的局部形变, 引入颜色特征来平衡模板人脸和目标人脸之间的颜色相似性和形状错配率, 进而提出了一种基于颜色特征的人脸粗搜索算法。接着, 采用人脸粗搜索算法得到的仿射变换作为初始约束, 建立上步仿射约束下的人脸形状精确配准算法。在算法的每一步迭代中, 利用前一步迭代得到的仿射变换, 建立最近点的对应关系, 并利用前步仿射约束下的目标函数求解新的仿射变换。本文算法成功解决了旋转、缩放和噪声干扰情况下人脸形状难以配准的问题。与传统人脸仿射配准算法相比, 本文算法有效提高了人脸仿射配准的稳健性和精确性。

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    物理光学

刘佳伟   李海英   吴振森   白璐   李正军  

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基于电磁场的矢量波函数展开方法和不同坐标系中矢量波函数转化关系, 得到了圆对称矢量贝塞尔涡旋波束的圆柱矢量波函数展开系数；结合电磁场边界条件, 获得了圆对称矢量贝塞尔涡旋波束以任意方向照射均匀单轴各向异性介质层的反射场、透射场和内部场的展开系数；数值计算了沿波束传播方向横截面上的入射、反射和透射电场强度分布以及xOz平面内传播路径方向的总电场强度分布。结果表明, 圆对称贝塞尔涡旋波束入射单轴各向异性介质的反射场基本保持同心圆环结构, 但强度分布不再呈圆对称；透射场出现两束交错折射光, 总电场强度轮廓显著扭曲。

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    衍射与光栅

高旭   王仁杰   李金环   王玉婷   黄继鹏  

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为了实现毫秒级分辨力光栅式角位移的测量, 从光学角度出发, 对光栅的设计、制作形成和空间滤波方法进行实验研究；依据马赫-曾德尔干涉法原理进行多光束全息光栅设计；同时对矩形光栅和制作的多光束干涉全息光栅进行相应的空间滤波成像处理；最后选取平行光和点光源两种光源进行检测, 并利用面阵CCD和线阵CCD对光栅的衍射信息进行采集, 分别从条纹质量、透过率函数和频谱三个方面对空间滤波成像处理前后的光栅进行检验。结果表明：空间滤波成像处理可以减少光栅中高次谐波的含量, 明显改善光栅信号的质量；随着衍射光栅空间频率的增大, 光栅的正弦性有效提高。

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郑三超   周素梅   黄高坤   杨晓铭  

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提出了一种利用方形孔径微透镜阵列和微图形阵列产生的二维叠栅条纹测量微小角度的方法。分析了不同尺寸阵列产生的二维叠栅条纹的节距变化规律, 推导了微小旋转角度的表达式, 对叠栅条纹的节距与阵列夹角之间的关系进行了理论分析与实验测量。研究结果表明, 当微图形阵列的窗口边长小于微透镜阵列的透镜元宽度时, 叠栅条纹的节距变化较平缓, 且对微图形与微透镜阵列间的夹角θ的变化较敏感, 这有利于提高测量结果的准确性；当微图形阵列的窗口边长为0.3 mm, 微透镜阵列的透镜元宽度为0.4 mm时, 节距与夹角θ间关系的实验结果与理论结果总体一致。

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    遥感与传感器

孙力帆   何子述   冀保峰   张森   普杰信  

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现代传感器分辨能力的大幅提升使得观测对象不再被认为是点目标, 而是具有一定形态的扩展目标。传统上基于点目标假设所取得的建模与状态估计研究成果已不再适用于现今许多的实际应用场景, 特别是当扩展目标发生机动时, 其运动状态和扩展形态(形状和朝向)往往同时发生突变, 且二者具有紧密的耦合关系。为了解决这一问题, 对扩展目标机动过程的不确定性、整体机动演化形式及其耦合性展开研究, 建立起通用的机动扩展目标混合系统建模框架。结果表明：利用所提模型的线性形式, 可以很便利地推导出一种高效的机动扩展目标运动状态和扩展形态联合估计算法；不同场景内的仿真和性能评估结果验证了所提建模和跟踪方法的有效性。

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王丽   万秀美   高然   逯丹凤   祁志美  

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采用射频溅射技术在平板玻璃基底上淀积约60 nm厚的金银合金薄膜, 然后在室温下通过化学脱合金法形成附着力强、大面积均匀的纳米多孔金膜(NPGF)。利用自建的宽光谱表面等离子体共振(SPR)检测平台获得了暴露于空气中的NPGF在可见-近红外波段的共振光谱, 利用菲涅耳公式结合Bruggeman介电常数近似方程拟合实验结果, 得到NPGF的孔隙率约为0.38。研究了NPGF-SPR传感器对不同浓度水溶液中的Pb2+离子和三聚氰胺的响应特性, 结果表明该传感器能够对水溶液中浓度为1 nmol·L-1的Pb2+及三聚氰胺作出明显响应。对比实验显示NPGF-SPR传感器的灵敏度远高于常规的致密金膜SPR传感器。

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    仪器，测量与计量

徐恺   贾志刚   房丰洲  

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基于人眼-镜片联合模型提出了一种实际观察状态下测量自由曲面镜片波前像差的方法, 该方法不同于焦度计及现有的哈特曼-夏克波前像差传感器测量眼镜片后表面波前像差的方法。阐述了一种在实际观察状态下眼镜片顶球面上的波前像差测量方法的原理。基于该原理设计、研制了相应的测量装置, 并使用该测量装置自动扫描测量得到眼镜片顶球面上的波前像差和配戴者屈光度参数。实验结果验证了该测量装量可以实现模拟实际观察状态下自由曲面镜片波前像差的测量, 有助于评价自由曲面镜片的成像质量和加工质量, 以及指导镜片的设计和优化。

       PDF全文 (下载：13)               HTML全文 (浏览：1) 光学学报, 2018年第38卷第2期 pp.0212001      

张齐元   韩森   唐寿鸿   罗春华   付跃刚  

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波前像差可以很好地反映光学系统的性能, 波前检测结果通常用一组Zernike多项式线性组合表示。透射式光学系统波前需要在特定波长下检测, 由于检测仪器的限制, 目前只有少数波长的波前可以得到准确检测。提出一种新的思路, 通过分析透射波前Zernike系数与波长的函数关系, 间接反映波前随波长的变化规律, 从而实现任意波长波前的检测。利用Zemax对光学系统建模, 采集光学系统在不同波长时的波前Zernike系数, 通过Matlab曲线拟合工具寻找Zernike系数与波长曲线可能存在的函数形式, 并最终确定了Conrady-Zernike公式。模拟的光学系统使用这种解析式计算所得Zernike系数的最大误差在1%以内。结果表明透射式光学系统的波前Zernike系数与波长之间基本符合Conrady-Zernike公式的关系。

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王玲   胡秀清   郑照军   陈林  

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位于南北极的Dome C和Greenland冰雪目标是国际上应用比较广泛的定标跟踪目标。但由于极昼极夜现象的存在, 单一极地冰雪目标难以对遥感仪器连续定标跟踪。针对这一不足, 提出联合使用两个极地冰雪目标对风云-3A卫星(FY-3A)/中分辨率光谱成像仪(MERSI)太阳反射率波段辐射性能进行连续跟踪监测的方法。首先, 利用FY-3A/MERSI寿命晚期相对稳定的观测数据, 建立两个冰雪目标表观反射率的双向分布函数模型；然后利用该模型, 对冰雪目标的表观反射率序列进行归一化, 消除由冰雪目标非朗伯性引起的变化信息, 获得反映遥感器辐射性能变化的参量, 实现不同冰雪目标数据序列的融合；最后, 采用二次多项式拟合模型, 对融合后的数据进行变化趋势分析, 并与其他相关研究成果进行比对验证。结果发现, 跟踪监测模型的不确定性基本优于3%, 特别是在波长小于550 nm的短波段, 不确定性优于2%。衰减率结果显示, 蓝光波段衰减显著, 特别是波段8(413 nm), 年均衰减率接近7%；红光和近红外波段(水汽通道除外)最为稳定, 年均衰减率在±0.5%以内。验证结果显示, 所提方法与其他方法具有很好的一致性, 大部分波段的多年总衰减率偏差低于3%。

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陆鹏   孙长库   王鹏  

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为了提高条纹投影三维(3D)测量系统的测量速度和准确度, 提出了一种改进的相位高度转换映射模型。通过建立虚拟相机坐标系以及分析条纹信息在投射器坐标系与相机坐标系之间的转换关系, 在相机坐标系中建立了从相位到高度的一一映射模型, 并在映射模型中校正了相机镜头的畸变。该模型结构简单, 便于结合查表(LUT)法使用。应用查表法后, 模型算法复杂度极低, 可以应用在高速测量中。同时, 提出了一种针对映射模型的标定方法, 并在相机标定过程中利用逆向投影优化过程对相机的参数进行迭代优化。标定方法简单高效, 不需要参考平面, 且对系统中的相机和投射器的相对位姿没有严格的要求。实验结果表明所提映射模型及标定方法可以实现快速准确的三维测量。

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杨荟楠   陈宁   陈军  

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水蒸气的浓度是半导体密封元器件生产过程的重要指标之一, 水蒸气的浓度超标将对半导体的产品质量造成严重影响, 开发高灵敏度、高精度的实时水蒸气检测技术至关重要。搭建了一套基于离轴积分腔吸收光谱技术的低浓度水蒸气测量实验装置, 反射镜的反射率为0.99920, 有效光程为250 m,探测时间为0.025 s。通过激光光束离轴入射到激光谐振腔提高了谐振腔的模式密度, 从而提高了积分腔输出吸收光谱的信噪比。利用该装置对水蒸气在7036.5 cm-1附近的吸收进行测量, 探测灵敏度为7.07×10-6 cm-1, 测量误差小于5%。分别向腔内注入不同浓度的水蒸气, 对系统的在线连续测量性能进行了测试, 结果表明该系统可达到工艺应用的要求。

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    原子与分子物理

杨佳琦   张志忠   熊明  

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光致漂移速率是用来衡量光致漂移效应大小的重要参数, 对光致漂移研究具有重要意义。利用强碰撞模型描述光致漂移过程中锂原子与缓冲气体的碰撞作用, 并考虑了超精细结构和能级简并对光致漂移过程的影响, 通过建立速率方程来表示不同速度的锂原子在各能级上的布居, 从而获得锂原子的漂移速率。同时研究了激发光波长、激发光功率密度、缓冲气体压强、缓冲气体种类、气体温度等对锂光致漂移速率的影响。由理论计算结果可以看出, 利用该方法计算所得的漂移速率随各参数的变化关系基本符合光致漂移的物理原理分析和相关文献中的实验结果规律。

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