1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 惠州市华阳多媒体电子有限公司，广东 惠州 516006
设计了一种基于离轴反射式光学结构、投影距离可以改变的增强现实型平视显示（AR-HUD）系统，以降低驾驶员的视觉疲劳。其中，眼盒的大小为130 mm×50 mm，虚像投影距离为3~10 m，可以通过改变图像生成单元（PGU）到一级镜的距离和像源尺寸的方式实现投影距离连续可调。通过随机取样的方式，在投影距离变化范围内随机选取一个投影距离对系统进行像质分析，证明投影距离连续可变。视场角（FOV）在投影距离的可调范围内恒为15°×5°，畸变小于5%，动态畸变小于5′，MTF在5 lp/mm处优于0.5。结果表明，当车辆与前方物体距离较近时，AR-HUD系统可以根据需要改变虚像的投影距离，且能保证像质始终符合规格。
光学设计 平视显示器 光学变倍 投影距离 离轴三反系统
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 惠州市华阳多媒体电子有限公司, 广东 惠州 516005
设计完成了一款具有特定结构的光阑, 光阑孔径深度设计为15mm, 光阑孔径张角设计为左右张角各为10°, 上方张角设计为6.5°, 下方张角设计为3°, 光阑安装在一级反射镜后, 光阑中心线与对应主光线重合, 同时采用双光电传感器与多温度传感器作为信号探测器接收信号幅值。通过特定孔径深度、张角等结构设计的光阑使得边界内、外幅值区分明显且幅值成正态分布, 结合传感器的使用将光照强度及像源面温度以数值显示, 便于检测标定。这检测设计光阑体积小、检测效果明显、成本低, 通过光阑与传感器的逻辑配合使用, 可以用于车载抬头显示器阳光倒灌的检测, 对车载抬头显示器行业起到一定借鉴作用。
应用光学 抬头显示器 阳光倒灌 光阑 传感器 applied optics head-up display sunlight backflow diaphragm sensor
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中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥学院，安徽 合肥 230601
4 安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230061
5 安徽大学，安徽 合肥 230601
以鱼腥藻、栅藻和盘星藻为分析对象，通过采集多个焦平面的显微图像，基于拉普拉斯能量与引导滤波以及图像HSV颜色空间饱和度分量分别检测显微图像聚焦区域和失焦区域，研究浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合方法，并与小波变换、拉普拉斯金字塔以及脉冲耦合神经网络融合方法进行对比分析。结果表明：鱼腥藻、栅藻和盘星藻融合图像的边缘信息保持度、空间频率、平均梯度分别为0.3529、8.9654、0.0055，0.3778、7.0058、0.0023和0.2940、1.5445、0.0005，均优于对比融合方法，具有更好的边缘信息传递能力及更高的图像清晰度，有效实现了浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合，为获取浮游藻类细胞的全景深显微图像提供了思路。
图像处理 浮游藻类细胞 显微 多聚焦图像融合 聚焦区域检测 失焦扩散效应 光学学报
2023, 43(12): 1210001
1 惠州市华阳多媒体电子有限公司，广东 惠州 516006
2 西安工业大学兵器科学与技术学院，陕西 西安 710021
3 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为了保证增强现实式平视显示系统（AR-HUD）的虚像像质清晰、虚像距离更远，在视场角更大需求的基础上应尽可能减小AR-HUD的体积。采用自由曲面离轴双反射系统，设计了一款虚像距离为10 m、视场角为10°×5°的虚像显示光路。该光路用孔径光阑偏移范围（Eyebox）模拟驾驶员视野移动范围并分为9个结构，利用多重结构进行优化仿真，每个视场光斑均落于艾里斑之内，图像的调制传递函数均接近衍射极限，畸变、动态像差值均小于行业规定值。满足成像要求后绘制了平视显示系统（HUD）防尘膜并进行光害仿真分析，避免太阳光害进入人眼。最后，绘制AR-HUD外壳，测得其体积为10 L，并通过用户界面（UI）图像对显示效果进行仿真，验证了设计的正确性与可行性。
光学设计 平视显示系统 自由曲面 光学系统 多重结构 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0922001
1 环境光学与技术重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
为了实现水体表面油膜厚度的快速测量分析, 以266 nm的激光作为探测系统的激发光源, 基于激光诱导水拉曼散射光谱检测技术, 通过获取不同种类不同厚度油膜存在下水拉曼光谱信息, 建立油膜厚度反演模型。采用高斯函数拟合法校正了荧光光谱对拉曼光谱的干扰。 然后根据水拉曼抑制法结合非线性最小二乘优化算法, 建立油膜厚度反演模型。结果表明: 对92#汽油、 0#柴油、 美孚机油20w-40、 壳牌润滑油10w-40、 采埃孚变速箱油AG6和原油油膜能探测到的油膜厚度范围为0.19~379.22 μm。 采用水拉曼光谱-油膜厚度反演模型预测油膜厚度的平均相对误差在8.14%~15.81%之间。 该方法能实现实验室条件下对微米级油膜的测量。
油膜厚度 拉曼光谱 快速检测 Oil film thickness Raman spectroscopy Rapid detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3954
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中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥学院，安徽 合肥 230601
4 安徽省合肥生态环境监测中心，安徽 合肥 230088
5 安徽大学，安徽 合肥 230601
通过融合浮游植物藻类细胞显微明场图像和荧光图像对浮游植物进行鉴定可以有效提高浮游植物鉴定的精度，然而在图像采集过程中存在明场图像与荧光图像中藻细胞位置不匹配的问题。为此，本文以刚体变换作为明场图像与荧光图像的空间变换模型，以明场HSV颜色空间S通道二值化图像与荧光灰度二值化图像的归一化互信息作为明场图像与荧光图像的相似度，利用粒子群优化算法对小波五级分解的低频分量进行粗配准，然后将初步配准的平移量和旋转角度作为初始值，利用鲍威尔算法对小波三级分解的低频分量进行配准精度微调。栅藻、羊角月牙藻和念珠藻的实验结果表明：对明场图像与荧光图像进行处理后的归一化互信息具有明显的峰值，可以更好地表征浮游藻细胞明场图像与荧光图像的相似度；将粒子群优化算法与鲍威尔算法结合的多分辨率图像配准方法，对栅藻、羊角月牙藻、念珠藻显微明场图像与荧光图像配准的误配率分别为0、9.4%、6.5%，平均配准时间分别为10.43、27.98、17.02 s，配准后的归一化互信息分别为0.673、0.495、0.631。研究结果验证了所提方法在配准精度、运行时间等方面的优势，为融合显微荧光图像和明场图像进行浮游植物鉴定奠定了基础。
生物光学 浮游植物 明场图像 荧光图像 图像配准 互信息 中国激光
2022, 49(24): 2407202
中国科学院环境光学与技术重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
实现水体致病菌的快速识别检测对防控由水体微生物污染引起的大规模疾病爆发有重要的现实意义。 生化鉴定、 核酸检测等常规细菌检测方法存在耗费时间长、 需要精密的实验仪器等特点, 不足以满足水体细菌微生物的快速实时在线监测。 由于细菌的多波长透射光谱包含较丰富的特征信息, 并且这项光谱检测技术具有快速简便、 无接触、 无污染等优点, 近年来成为细菌检测研究的热点。 以肺炎克雷伯氏菌、 金黄色葡萄球菌、 鼠伤寒沙门氏菌、 铜绿假单胞菌和大肠埃希氏菌为研究对象, 通过对细菌光谱作归一化处理和方差分析得到光谱变动最显著的特征波长区间, 在该区间提取200 nm处的吸光度值及短波段的斜率值作为光谱特征值, 结合支持向量机对不同种类细菌进行预测。 结果表明, 多波长透射光谱的归一化预处理能够有效消除浓度影响, 并保留完整的原始光谱信息; 通过方差分析法得到特征波长区间为200~300 nm波段, 在此区间内提取的五种细菌的归一化光谱趋势图的特征值分别为: 200 nm处吸光度值为0.006 5, 0.005 1, 0.007 5, 0.007 5和0.008 5, 200~245 nm波段的斜率值为-62.45, -35.94, -81.30, -82.67和-103.49, 250~275 nm波段处的斜率值为-15.48, -14.82, -20.91, -13.92和-26.21, 280~300 nm波段处的斜率值为-29.96, -24.62, -33.71, -36.09和-30.88。 对样本提取特征值并随机划分训练集和测试集, 支持向量机选择惩罚因子模型以及线性核函数, 通过寻优算法确定最佳的惩罚因子参数c和核函数参数g, 对测试集样本进行测试, 得到细菌种类的识别结果, 五种细菌的预测准确率均达到100.0%。 综上所述, 水体致病菌的多波长透射光谱通过合适的数据预处理能够提取出具有明显差异性的光谱特征值, 该光谱特征值结合支持向量机能够有效用于不同细菌种类的识别, 该方法为水体细菌快速识别和实时在线监测提供了重要的技术支持。
多波长透射光谱 细菌 特征提取 支持向量机 分类识别 Multiwavelength transmission spectrum Bacterias Feature extraction Support vector machine Classification and identification 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2940
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，合肥 230031
4 合肥学院 先进制造工程学院，合肥 230601
激光诱导荧光技术具有实时、快速的优势，并且无需对样品做预处理，是土壤多环芳烃定量分析检测的一种重要分析手段。然而土壤中多环芳烃种类繁多，激光诱导荧光光谱重叠严重，在无法进行化学分离的情况下实现土壤中多环芳烃的精确定量是难点之一。本文采用266 nm可移动激光诱导荧光系统获取了农田土壤多环芳烃的荧光光谱，研究了基于单变量线性回归、加权非负最小二乘多元线性回归和支持向量回归的多组分多环芳烃定量分析方法。结果表明：采用单变量线性回归，蒽和菲的相关系数均小于0.90，平均相对误差均大于20%；与单变量线性回归相比，加权非负最小二乘多元线性回归提高了两组分多环芳烃污染土壤中蒽和菲的预测精度，但在多组分多环芳烃污染土壤中的平均相对误差仍在20%以上。最后，采用GWO-DE优化的支持向量机回归模型分析了多组分多环芳烃污染土壤中的蒽和菲，蒽的平均相对误差由多元线性回归的23.1%下降至5.02%，菲的平均相对误差从20.8%下降到4.83%。该研究为提高土壤多组分多环芳烃激光诱导荧光定量分析的准确性提供了方法支撑。
polycyclic aromatic hydrocarbons laser-induced fluorescence spectra quantitative analysis 多环芳烃 激光诱导荧光光谱 定量分析
1 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, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
多环芳烃是具有致突变、 致癌和致畸作用的一类持久性有机污染物, 广泛分布在大气、 水、 土壤等不同环境介质中。 多环芳烃一旦进入土壤便会长期存留于其中, 土壤成为环境中多环芳烃的重要储藏库和最终归宿。 土壤中的多环芳烃可以通过多种途径进入人体, 对人类健康造成威胁。 因此, 对土壤中多环芳烃的监测十分必要。 当前, 传统的土壤多环芳烃检测方法过程繁琐、 费时, 不利于污染场地多环芳烃的大范围快速检测, 而基于激光诱导荧光光谱技术的土壤多环芳烃检测法能够快速识别、 检测土壤中的有机污染物。 多环芳烃类物质具有易挥发, 可被紫外光降解等特性, 实验中紫外激光能量的选择至关重要, 本文利用实验室搭建的266 nm激光诱导荧光系统, 以蒽、 芘、 菲为研究对象, 探究不同激光能量下多环芳烃分解和荧光光谱的变化特性。 结果表明, 当激光的能量密度变化时, 荧光中心峰位置未发生偏移, 但蒽、 芘、 菲三种多环芳烃荧光峰处最大强度的相对标准偏差随激光能量密度的下降呈现出先下降后上升的趋势: 当能量密度为8.54 mJ·cm-2时, 三种物质在10次光谱测量结果的相对标准偏差均为最大, 蒽、 芘、 菲三种物质的荧光峰强度相对标准偏差分别在1.72, 1.00和1.47 mJ·cm-2的能量密度下达到最小值；蒽、 芘、 菲在100 s时, 分解率分别达到59.3%, 69.8%和63.6%, 在较高的能量下, 蒽、 芘、 菲三种物质发生了较快的分解, 芘相比于其他两种多环芳烃类物质更易发生光降解和热分解等作用, 荧光峰强度相对标准偏差也高于蒽与菲；蒽在激光能量密度为1.72 mJ·cm-2时, 10 s时的分解率已经接近于0, 100 s时分解率仅为12.8%, 荧光峰强度相对标准偏差达到最低, 当激光能量密度降至0.88 mJ·cm-2时, 蒽在100 s内的分解几乎可以忽略不计；对于芘而言, 当激光能量密度降至1.00 mJ·cm-2以下时, 分解作用基本趋于一致, 100 s时分解率在47.3%~47.4%；而对于菲而言, 当激光的能量密度低于1.47 mJ·cm-2后, 分解率不再随激光能量密度的降低而明显下降, 在100 s时的分解率在36.8%~38.6%；在低能量密度土壤中芘与菲下仍发生分解作用。
激光诱导荧光 土壤 多环芳烃 能量密度 Laser-induced fluorescence Soil Polycyclic aromatic hydrocarbons Energy density 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2319
