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Abstract
The ability to overcome the negative effects, induced by obstacles and turbulent atmosphere, is a core challenge of long-distance information transmission, and it is of great significance in free-space optical communication. The spatial-coherence structure, that characterizes partially coherent fields, provides a new degree of freedom for carrying information. However, due to the influence of the complex transmission environment, the spatial-coherence structure is severely damaged during the propagation path, which undoubtedly limits its ability to transmit information. Here, we realize the robust far-field orbital angular momentum (OAM) transmission and detection by modulating the spatial-coherence structure of a partially coherent vortex beam with the help of the cross-phase. The cross-phase enables the OAM information, quantified by the topological charge, hidden in the spatial-coherence structure can be stably transmitted to the far field and can resist the influence of obstructions and turbulence within the communication link. This is due to the self-reconstruction property of the spatial-coherence structure embedded with the cross-phase. We demonstrate experimentally that the topological charge information can be recognized well by measuring the spatial-coherence structure in the far field, exhibiting a set of distinct and separated dark rings even under amplitude and phase perturbations. Our findings open a door for robust optical signal transmission through the complex environment and may find application in optical communication through a turbulent atmosphere.
degree of coherence orbital angular momentum cross-phase topological charge information transmission Opto-Electronic Science
2024, 3(1): 240001
1 火箭军工程大学导弹工程学院, 西安 710000
2 光电控制技术重点实验室, 河南 洛阳 471000
近年来随着无人机技术的快速发展, 各种“无人机+”代替人工作业的成功案例更是层出不穷。所设计的空基智能排爆系统是融合了无人机自主导航、深度学习和YOLOv5目标检测等技术, 并将排爆执行机构、双光一体云台吊舱和实时图像传输等硬件装置相结合形成的系统。实验结果表明, 该系统具有视觉搜寻范围广、目标识别精度高、可操作性强、排爆行动迅速等优点。在实际操作过程中, 操作人员控制该系统抓取、转移和销毁未爆弹, 人员作业位置远离未爆弹杀伤的有效半径, 解决了未爆弹(UXO)拆除过程中潜在的伤亡问题。
无人机 排爆执行机构 深度学习 未爆弹 unmanned aerial vehicle EOD actuator deep learning UXO YOLOv5 YOLOv5
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Abstract
1 Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulation & Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Devices, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
2 Collaborative Innovation Center of Light Manipulations and Applications, Shandong Normal University, Jinan 250358, China
The optical coherence structures of random optical fields can determine beam propagation behavior, light–matter interactions, etc. Their performance makes a light beam robust against turbulence, scattering, and distortion. Recently, we proposed optical coherence encryption and robust far-field optical imaging techniques. All related applications place a high demand on precision in the experimental measurements of complex optical coherence structures, including their real and imaginary parts. Past studies on these measurements have mainly adopted theoretical mathematical approximations, limited to Gaussian statistic involving speckle statistic (time-consuming), or used complicated and delicate optical systems in the laboratory. In this study, we provide: a robust, convenient, and fast protocol to measure the optical coherence structures of random optical fields via generalized Arago (or Poisson) spot experiments with rigorous mathematical solutions. Our proposal only requires to capture the intensity thrice, and is applicable to any optical coherence structures, regardless of their type or optical statistics. The theoretical and experimental results demonstrated that the real and imaginary parts of the structures could be simultaneously recovered with high precision. We believe that such a protocol can be widely employed in phase measurement, optical imaging, and image transfer.
optical coherence statistical optics Arago spot optical encryption optical imaging Opto-Electronic Science
2023, 2(2): 220024
1 华侨大学 信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门 361021
2 闽南师范大学 物理与信息工程学院，福建 漳州 363000
不同于毛玻璃等固态散射介质静止不变的特点，浑浊介质对光束的散射作用同时体现在空间及时间上，当浑浊介质动态变化时，大多数的传统散射成像方法失效。针对以上问题，文中采用了一种基于深度学习恢复散斑图像的方法，研究了浑浊介质中，不同散射介质及散射介质浓度不同的条件下，神经网络的图像恢复效果，并利用不同浓度散射介质获得的散斑图像混合训练测试神经网络的泛化能力。实验结果表明，在不同散射介质及散射介质浓度不同的条件下，该网络均能够根据散斑图像获得较高保真度的恢复图像，且在不同浓度散射介质的散斑图像混合训练的情况下，网络泛化能力及鲁棒性强。
图像恢复 散射介质 散射成像 深度学习 image reconstruction scattering medium scattering imaging deep learning 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220215
1 苏州大学物理科学与技术学院, 江苏 苏州 215006
2 山东师范大学物理与电子科学学院, 山东 济南 250358
3 山东省光场调控工程技术中心, 山东省光学与光子器件技术重点实验室, 山东 济南 250358
涡旋光场是一类具有螺旋型波前的特殊结构光场, 因其携带相位奇点、轨道角动量以及拥有中央暗核结构等物理特性, 被广泛应用于光学微操纵、大容量光通信、超分辨成像等领域。通过对涡旋光场传统的物理维度 (振幅、偏振、频率) 进行调控, 可以得到模式更加丰富、应用领域更广泛的新型涡旋光场。此外, 涡旋光场还有一个非常重要的调控维度, 即相干性。近年来, 研究人员通过对涡旋光场的相干性进行调控得到了一类新型涡旋光场, 即部分相干涡旋光场。相比于完全相干涡旋光场, 部分相干涡旋光场在某些领域更具优势, 如具有较高的抗湍流大气干扰性、更丰富的光束整形、更高的自修复能力和更强的微粒捕获能力等。本综述介绍 了近年来整数阶和分数阶涡旋光场相干性调控方面的研究进展, 重点对部分相干涡旋光场的理论模型、产生方法、传输特性、拓扑荷测量、应用等方面进行了详细阐述。
物理光学 奇点光学 涡旋光场 相干调控 部分相干 拓扑荷测量 physical optics singularity optics vortex field coherence modulation partially coherent topological charge measurement
1 国网河北省电力有限公司, 河北石家庄 050000
2 国网河北省电力有限公司保定供电分公司, 河北保定 071000
3 华北电力大学, 河北保定 071000
常见的电力设备有变压器、开关柜、断路器等, 这些设备都由多个组件构成。通过这类设备的红外热成像实现了对其组件的识别。基于红外热成像信息量较少的特点, 采用多种算法融合。首先是基于 Lab模型采用改进的 K-means聚类和形态学的结合, 提取红外图像中的高温区域, 充分保证了效率和可靠性。其次采用改进的 SURF(speeded-up robust features)和感知哈希算法的结合, 确定被提取区域中的三相组件。SURF的作用是将已知的电气设备可见光图像和被提取区域中所有的图像进行对比, 找出红外图像中特征点匹配最多的区域。将其和其他红外区域进行对比, 通过感知哈希算法找到其他区域中匹配度最高的两个区域, 以此定位出红外图像中的三相组件。此研究适用于大量红外图像数据的识别定位, 为基于红外成像的电气设备故障信息提取提供思路。
图像处理 红外热成像 感知哈希算法 image processing, infrared thermal imaging, K-mean K-means SURF
1 School of Physical Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China
2 Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations & Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
3 College of Physics and Electronic Engineering, Heze University, Heze 274015, China
Frontiers of Optoelectronics
2019, 12(3): 229–248
1 山东师范大学物理与电子科学学院光场调控及应用中心,山东省光学与光子器件重点实验室, 山东 济南 250014
2 苏州大学物理科学与技术学院, 江苏 苏州 215006
涡旋光束具有螺旋波前、携带相位奇点和轨道角动量等物理特性,在粒子操控、量子信息、超分辨成像、光通信等领域具有重要的应用,并已成为学术界的研究热点。得益于相干光学理论的快速发展,将相干性作为新的自由度引入涡旋光束中,提出新型涡旋光束即部分相干涡旋光束。相较于完全相干涡旋光束,部分相干涡旋光束具有独特的物理内涵和光学特性,尤其是对其相干性和拓扑荷的联合调控会引发一系列奇特的新物理效应(如相干奇点、光束整形、偏振态转换、自修复等)。回顾了部分相干涡旋光束的基本理论及发展历程,着重对部分相干涡旋光束的理论模型、传输特性、实验产生、实验测量和应用基础研究进行了阐述。
物理光学 衍射与光栅 涡旋光束 相位奇点 相干性 相干奇点
1 电子科技大学光电科学与工程学院, 四川 成都 610054
2 微晶景泰科技有限公司, 四川 成都 610000
液晶透镜因其无机械移动就可以实现对焦的优势,有望应用在机器人视觉、自动驾驶、深度测量等技术领域。在液晶透镜视觉成像系统中,为了不使用偏振片就可以获得高对比度的图像,提出一种优化的无偏振片成像算法。图像边缘体现图像的主要轮廓信息,边缘决定图像的对比度,所以此算法提取图像边缘,在边缘部分利用获取的非对焦图像和对焦图像进行图像处理,平滑区域不作处理,去除由非调制的寻常光带来的低频图像分量,提高图像边缘对比度,同时抑制平滑区域噪声的增加。实验证明,优化后的算法增强了图像边缘的对比度,相比于优化前的算法,图像噪声下降了50%。
视觉成像 液晶透镜 无偏振片成像 图像去噪
理论上阐述了螺旋相位板产生涡旋光束的机理，推导了涡旋光束与平面波以及球面波的干涉强度表达式，并用以研究了涡旋光束的干涉现象，从数值上得到了拓扑荷数与干涉图样的对应关系。同时在实验上利用螺旋相位板获得了涡旋光束，并得到其干涉图样，实验结果与理论结果保持一致。研究结果表明，携带不同拓扑荷的涡旋光束对应着唯一的干涉图样，因此可以通过干涉图样直观地判断出涡旋光束的拓扑荷数。
物理光学 拓扑荷 干涉 涡旋光束 激光与光电子学进展
2016, 53(9): 092602
