光学 精密工程
2023, 31(21): 3096
1 西北工业大学 宁波研究院, 浙江 宁波 315103
2 西北工业大学 机电学院, 陕西 西安 710072
3 空天微纳系统教育部重点实验室 陕西省微纳机电系统重点实验室,陕西 西安 710072
4 西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065
5 北京理工大学信息与电子学院, 北京 100081
作为一种新型光电探测技术，偏振成像可同时获取场景的空间分布和偏振特征，针对特定应用场景具有优异的材质区分及轮廓辨识能力，广泛应用于目标探测、生命科学、环境监测、三维成像等领域。偏振分光或滤光器件是偏振成像系统的核心元件，然而该类传统器件受限于体积庞大、性能不佳、易受干扰等问题，难以满足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系统的要求。超构表面是一种结构单元以亚波长间隔准周期排列而成的二维平面器件，可在不同偏振方向对光场的振幅、相位进行精细操纵。基于超构表面的偏振器件具有体积小、重量轻、维度高等特点，为集成化偏振成像系统提供了新的解决方案。本文针对偏振成像，综述相关超构表面的功能原理、发展脉络和未来趋势，讨论并展望其在成像应用和系统集成方面所面临的挑战与机遇。
光学器件 微纳结构 超构表面 偏振成像 成像系统 optical device micro-nano structure metasurface polarization imaging imaging system 光学 精密工程
2023, 31(15): 2181
1 西北工业大学宁波研究院，深圳研究院，机电学院，陕西 西安 710072
2 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，陕西省微纳机电系统重点实验室，陕西 西安 710072
随着智慧城市、智慧交通和天网工程的不断发展，复杂城市环境下的车窗透反混叠图像解耦技术成为当前研究的热点，在卡口登记、安全驾驶、逃犯追踪和**反恐等领域需求迫切。为克服传统成像技术依赖光强信息、易受环境干扰等劣势，基于偏振成像技术建立玻璃透反光传输模型，提出车窗透射信息光和反射干扰光的解耦分离方法，面向室内模拟场景和户外真实场景开展实验研究。结果表明：室内场景下轿车模型和客车模型消反图像的信息熵较原始强度图像分别提升14.3%和9.8%；室外场景真实车辆消反图像因消除包含大量环境信息的反射光成分而使信息熵较原始强度图像下降2.7%；这几类场景消反图像的区域对比度相较原始强度图像分别提升40.1%、117.5%、237.8%。此外，研究图像消反质量与模型几何因素的相关关系，所得结论能对相机摆放高度和车辆停止线划线位置起到指导作用。
偏振成像 智慧交通 反光干扰 混叠解耦 机器视觉 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312023
1 西北工业大学宁波研究院, 深圳研究院, 机电学院, 陕西 西安 710072
2 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室, 陕西省微纳机电系统重点实验室, 陕西 西安 710072
3 西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065
4 北京理工大学信息与电子学院, 北京 100081
光谱探测技术在未来智能装备中发挥着视觉检测、理化分析和过程控制等智能识别的作用,广泛应用于食品安全、医学诊断、环境监测、防伪鉴别、植物病害抑制、预警侦察等领域。传统光谱探测系统因受限于分光元件而存在体积大、成本高和定制化能力有限等问题。基于微机电系统(MEMS)技术的法布里-珀罗(FP)滤波芯片为微型化、低成本和定制化的光谱探测系统提供了新的解决途径。近三十年来,针对实用化MEMS-FP滤波芯片的研究已取得长足的进展,并已应用于实际的微小型光谱探测系统中,但在芯片制造、器件性能和系统集成方面仍面临诸多要攻克的难题。对MEMS-FP滤波芯片的原理和性能、器件分类、实用化研究进展进行了综述,并分析了目前存在的问题和未来的发展趋势。
光学器件 法布里-珀罗滤波芯片 光谱探测 光谱成像 分光元件
1 国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437
2 西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室，陕西西安71007
3 全球能源互联网研究院有限公司，北京102209
基于微机电系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）的非本征光纤珐珀超声传感器具有抗电磁干扰、信号传输距离远、体积小、质量轻等特点，对电力设备中局部放电所释放的超声信号有着良好的检测与定位能力。该型传感器的敏感结构通常为圆形完整膜片，其加工方法相对简单，但是膜片的内外温度差异或压力不平衡会导致传感器性能指标的偏移，减小或消除这种影响是促进光纤珐珀超声传感器工业化应用的基本前提。提出了一种基于多孔式敏感膜片的光纤珐珀超声传感器，敏感膜片采用MEMS工艺制造，其厚度仅有5 μm，加工方法简单，成本低廉；进一步地，结合3D打印技术与防水透声膜完成了敏感膜片的保护性封装。实验结果表明：该传感器在液体中具有良好的超声响应，静压灵敏度可达到1.25 V/Pa，距离衰减、方向响应与静态压力等性能与空气中保持相同规律，且通气孔避免敏感膜片内外出现气压不平衡的情况。因此，该传感器在液体中局部放电检测领域展现出较好的应用潜力。
光纤传感 微光机电系统 局部放电 珐珀超声传感器 MEMS敏感膜片 optical fiber sensing microoptoelectromechanical systems partial discharge Fabry-Perot ultrasonic sensor MEMS sensing diaphragm 光学 精密工程
2021, 29(11): 2613
郝佳 1,2,3王燕 1,2,3周奎 1,2,3余晓畅 1,2,3虞益挺 1,2,3,*
1 西北工业大学 深圳研究院，广东深圳58057
2 西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室，陕西西安71007
3 西北工业大学 陕西省微纳机电系统重点实验室，陕西西安710072
作为分焦平面型偏振成像系统的核心光学器件，微偏振阵列（Micropolarizer Array，MPA）对场景目标偏振信息的重构有着重要影响。针对传统2×2 MPA存在的图像分辨率损失和瞬时视场误差等问题，以及现有模型仅能设计2×N系列MPA的局限性，基于傅里叶频域提出了一种可涵盖2×N系列和N×N对角系列MPA排布模式的设计模型，并优化设计了3种新型对角排布的MPA。通过理论分析、外场实验和数值模拟对已有的MPA及新设计的MPA的重构性能进行了定性分析与定量测试。实验结果表明：利用2×2×2 MPA重构的S0，S1，S2及线偏振度图像在定量测试和视觉效果方面最优，而对于单探测器的快照式成像系统，新型3×3 MPA获得的重构效果最佳。本文改进模型的应用和新型MPA的提出可为多样化和高性能MPA的制备提供理论依据，促进了DoFP偏振成像系统的工程实际应用。
偏振成像 傅里叶频域 微偏振阵列 数值仿真 图像重构 polarization imaging Fourier domain micropolarizer array numerical simulation image reconstruction 光学 精密工程
2021, 29(10): 2363
王飞 1,2,3,4余晓畅 1,2,3,4罗青伶 5周晨阳 5虞益挺 1,2,3,4,6,*
1 西北工业大学深圳研究院, 广东 深圳 518057
2 西北工业大学机电学院, 陕西 西安 710072
3 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室, 陕西 西安710072
4 西北工业大学陕西省微纳机电系统重点实验室, 陕西 西安710072
5 西北工业大学教育实验学院, 陕西 西安710072
6 西北工业大学宁波研究院, 浙江 宁波 315103
片上光谱成像系统具有结构紧凑、轻量便携等诸多优点,可灵活搭载于无人机、立方星等平台,具有广阔的应用前景。本文综述了近年来片上光谱成像系统的研究进展及应用情况,梳理了片上光谱成像系统的分光原理、集成方式,展示了片上光谱成像系统在生物医疗、环境监测、**装备和智能消费电子等领域的应用前景,揭示了片上光谱成像系统目前所面临的挑战和未来发展方向。
激光与光电子学进展
2021, 58(20): 2000002
1 空天微纳系统教育部重点实验室 西北工业大学, 陕西 西安 710072
2 陕西省微纳机电系统重点实验室 西北工业大学, 陕西 西安 710072
传统光学系统由于受到衍射极限的制约, 难以实现远场超分辨聚焦与成像。基于超振荡原理的平面超透镜为这一难题提供了可能的解决途径, 其在传播过程中可不依赖倏逝波而实现远场超分辨聚焦。利用对各个衍射单元之间的衍射干涉效应进行精确调控, 可在焦平面上局部区域内获得高于系统最高空间频率的电场振荡, 从而实现对衍射焦点区域横向和轴向尺寸的可控调节。与传统光学透镜相比, 平面超振荡透镜具有光场可控性强、设计自由度大、便于集成等优点, 同时借助其远场超衍射极限的光场调控能力, 受到衍射光学和微纳光学等领域研究人员的广泛关注。本文主要从实际应用的角度出发, 对平面超振荡透镜的研究现状及其应用场景进行了分析和讨论, 最后对该类透镜目前面临的问题及对应的解决办法进行了阐述。
平面透镜 超振荡透镜 超分辨 衍射光学 微纳光学 planar lenses super-oscillatory lens super-resolution diffractive optics micro-nano optics
