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2018年  第47卷  第6期

特约专栏-“三维成像与显示”
面向层结构的角谱传播计算全息算法(特邀)
曹良才, 何泽浩, 赵燕, 金国藩
2018, 47(6): 603001. doi: 10.3788/IRLA201847.0603001
[摘要](682) [PDF 2615KB](132)
为了提高计算全息图的生成速度和再现像的重建质量,文中基于角谱传播的精确衍射计算过程,提出了一种面向层结构的角谱传播计算全息算法。该算法将三维场景分层,并将每层场景通过角谱衍射运算得到子全息图。通过子全息图在干涉面的叠加,最终生成整个三维场景的全息图。由于角谱运算没有旁轴近似,因此对于不同类型的三维数据,利用该算法计算得到的全息图均可重建得到精确的再现像。此外,该算法的计算复杂度不取决于三维场景的复杂度,只取决于分层层数,因此运算速度较传统点元法可提高两三个数量级。该算法为三维场景的动态显示提供了一种有效的解决方案。
基于光线追迹的LED裸眼三维显示技术准直性研究
佀同岭, 朴燕, 李敏
2018, 47(6): 603002. doi: 10.3788/IRLA201847.0603002
[摘要](571) [PDF 1339KB](76)
在LED集成成像裸眼三维显示中,LED大屏幕的单个像素点的发散角很大,使用平凸及双凸透镜,图像的重构光线发散且相邻透镜单元间的像素串扰大,导致立体场景再现的过程中图像不清晰,影响重构三维图像的质量。根据光线追迹原理,分析了LED集成成像的成像过程,研究不同形状透镜阵列与LED集成成像相邻透镜单元间像素点间串扰的关系,仅使用单个凹凸透镜有效地控制了重构光线的发散问题,使通过透镜的重构光线更加汇聚准直,光线平行出射,有效地减小了相邻透镜间的像素串扰,提高了成像质量。通过比较字母模型成像的仿真结果,凹凸透镜非常适用于LED集成成像,成像的效果优于其他形状透镜。
基于柱面衍射和彩色空间转换的单通道彩色图像加密
常柯明, 陈叶, 王莹, 王君
2018, 47(6): 603003. doi: 10.3788/IRLA201847.0603003
[摘要](414) [PDF 1957KB](60)
为了解决传统密码系统由于对称特性导致的安全性低的问题,提出了一种新的基于柱面衍射和彩色空间转换的单通道彩色图像加密方法。在加密过程中,首先将彩色图像变换为YCbCr4:2:0格式的单通道图像,然后经过两次柱面衍射和相位截断操作对图像进行加密。在解密过程中,将密钥与密文结合,经过两次柱面逆衍射后重建出彩色原图。由于柱面衍射过程是一个非对称的过程,此算法可以克服基于平面衍射的加密系统的对称特性,将其应用到基于相位截断的加密系统中可以进一步有效提高加密系统的安全性。仿真结果表明,该算法能够有效地对彩色图像进行单通道加密,不仅可以高质量地恢复原始彩色图像,而且加密系统具有较高的安全性。
基于多视角采样校正的大尺度多投影光场显示系统
倪丽霞, 李海峰, 刘旭
2018, 47(6): 603004. doi: 10.3788/IRLA201847.0603004
[摘要](512) [PDF 2301KB](57)
提出了一种基于多视角采样校正的大尺度多投影光场三维显示系统,系统采用了360台投影仪环绕投影在直径3 m、高1.8 m的柱形各向异性散射屏上,并在柱形屏内部精确重构出物体的三维光场。该系统能在360范围内显示可供多人多角度同时观看的具有平滑运动视差的大尺度三维场景,其中动态场景的绘制帧率达30 frame/s及以上,具有流畅的动态效果。设计了一种宽场柱面屏幕投影镜头来扩展投影仪画幅,并设计了一种基于相机多角度采样的光场自动校正方法,用于校正宽场镜头引入的非线性畸变以及系统装配引入的误差,实现了对360台投影仪光场的拼接融合。
基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示
范钧, 吴非, 吕国皎, 赵百川, 邓欢, 王琼华
2018, 47(6): 603005. doi: 10.3788/IRLA201847.0603005
[摘要](605) [PDF 937KB](71)
为了解决观看视角与光学效率的相互制约关系,设计了一种基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示器,建立了3D成像模型,通过几何光学推导观看视角以及光学效率的计算公式;详细阐述了如何通过改变透光孔的孔径宽度来调节观看视角以及光学效率;研制了基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示样机,通过液晶显示屏实现电控可变孔径针孔阵列,通过实验验证了可以通过增大或者减小透光孔的孔径宽度来增大3D图像的亮度或者观看视角。
计算全息三维显示的数据压缩编码技术
顾华荣
2018, 47(6): 603006. doi: 10.3788/IRLA201847.0603006
[摘要](608) [PDF 3382KB](72)
全息三维显示能够重建真实场景的光场,提供全部的深度感,成为真三维显示的最佳解决方案之一。计算全息三维显示只需要知道物光波的数学描述,可以灵活地控制波前,显示出虚拟的三维物体。但是,巨大的数据量和计算量阻碍了计算全息三维显示的实用化。文中提出了计算全息三维显示中多个环节的数据压缩编码技术,包括三维物体的稀疏采样、全息三维视频压缩编码的优选和参数优化、全息图分形压缩算法,有效地压缩了数据量,并利用GPU的并行运算能力实现了全息图的快速计算。
激光技术及应用
500 kHz波长锁定878.6 nm LD双端泵浦Nd:YVO4声光调Q激光器
范灏然, 于永吉, 朱贺, 邢爽, 王宇恒, 金光勇
2018, 47(6): 606001. doi: 10.3788/IRLA201847.0606001
[摘要](591) [PDF 1541KB](78)
报道了一种由波长锁定878.6 nm LD双端抽运Nd:YVO4声光调Q激光器,重复频率在500 kHz时具有稳定的1 064 nm脉冲激光输出。在重频为100 kHz,晶体吸收功率58 W时,获得18.2 W的1 064 nm激光输出,光-光转换效率为31.3%,脉宽为15.2 ns;在重频为500 kHz、晶体吸收功率58 W时,获得26.1 W的1 064 nm激光输出,光-光转换效率为45%,脉宽为44.2 ns,重频在100~500 kHz下具有稳定的脉冲输出,光束质量较传统模式下有明显提高,并且转换效率也有提升。实验表明:利用波长锁定878.6 nm激光二极管直接泵浦的方式,有利于降低晶体热效应、提高光束质量,提高光-光转换效率,获得窄脉宽的脉冲激光输出,并且在一定的温度变化范围内具有极好的温度稳定性。
直接输出高阶横模激光器的实验研究
陈霞飞, 张凯伦, 陈子阳, 李小燕, 蒲继雄
2018, 47(6): 606002. doi: 10.3788/IRLA201847.0606002
[摘要](423) [PDF 1485KB](51)
从理论和实验上研究了从激光器直接输出高阶拉盖尔-高斯(LG)光束和高阶厄密-高斯(HG)光束。首先从理论上研究了高阶LG光束和高阶HG光束的光强分布特性,并进行数值仿真。在实验研究中,利用445 nm的蓝光半导体激光器端面泵浦Pr:YLF晶体,在一定的条件下,能从平凹腔直接输出640 nm波长高阶LG光束和高阶HG光束。实验结果表明:从激光腔内输出的高阶LG光束和高阶HG光束与理论仿真基本一致。文中所报道的获得高阶模的实验装置简单,对产生高阶光束及其应用具有较重要价值。
正交增益型被动调Q激光器的设计与实现
李阳, 李述涛, 李耀, 王超
2018, 47(6): 606003. doi: 10.3788/IRLA201847.0606003
[摘要](530) [PDF 1047KB](41)
为了改善被动调Q激光器输出不稳定的现象,利用Nd:YVO4具有增益方向性的特点,使用电光晶体将线偏振光光矢量方向旋转90,实现腔内增益突变,进而实现被动调Q稳定输出。利用该方法,在LD连续泵浦Nd:YVO4被动调Q实验中,当耦合输出镜反射率为80%,饱和吸收体初始透射率为83.06%,泵浦功率为22 W时,输出功率为4.68 W,调Q序列脉冲的重复频率为49.16 kHz,脉冲宽度为26.28 ns。并且在泵浦功率从10~22 W的情况下,获得了稳定的被动调Q激光输出。脉冲幅度波动性低于2.4%,脉冲时间波动性低于5%,重复频率的不稳定性低于1%,光光转换效率斜效率达到21.27%,斜效率为34%。
基于受激增益与自发衰减的激发-探测显微技术
何柏纬, 梁义志, 许哲伦, 德士柏, 高甫仁
2018, 47(6): 606004. doi: 10.3788/IRLA201847.0606004
[摘要](479) [PDF 1876KB](46)
基于激发-探测显微技术研究受激增益与自发衰减现象。采用脉冲二极管激光器(pu=635 nm作为激发光束)与锁模掺钛蓝宝石激光器(pr=780 nm作为探测光束)。受激增益部分,发射光束在频率f1被调制,利用光电二极管作为探测器(PDA 36A,Thorlabs),探测光被相应地解调来提取透射方向的信号;自发损耗部分,探测光束在频率f2被调制,从探测荧光由光电倍增管以反射模式解调自发损耗信号。所有情形下使用高性能锁模放大器(HF2LI,Zurich Instruments)。锁模放大器的输出信号接着输入扫描单元的A/D通道用于图像重构。扫描速率设为频率500 Hz,与锁模放大器1.99 ms的时间常数相匹配。由解调荧光信号获取背景大大减少的荧光寿命和光学部分属于散粒噪声的图像。另外,此技术改善信噪比,提高类似多光子显微镜的穿透深度,无须昂贵的飞秒激光器。
新型正方晶格基横模光子晶体面发射激光器
袁浚, 张正平, 解意洋
2018, 47(6): 606005. doi: 10.3788/IRLA201847.0606005
[摘要](461) [PDF 1485KB](45)
高功率基横模垂直腔面发射激光器(VCSEL)在光通信、传感、原子频标和光电混合集成等领域有着重要的应用,将光子晶体结构引入到VCSEL中,通过设计结构尺寸和分布,可以有效控制VCSEL的横向模式。课题组将正方形排列的光子晶体结构引入到VCSEL中,实现对VCSEL的横向模式和基横模出光功率控制,获得高基横模出光功率器件。通过采用平面波展开法(PWE)和全矢量三维时域有限差分方法(FDTD)对正方晶格结构光子晶体的合理设计,获得正方形排布光子晶体周期、占空比和刻蚀深度等重要参数。成功地制备出基横模出光功率大于3 mW,边模抑制比大于40 dB的正方晶格光子晶体VCSEL。
拉曼-荧光联合水下探测系统及初步试验
张锋, 郭金家, 刘春昊, 罗昭, 郑荣儿
2018, 47(6): 606006. doi: 10.3788/IRLA201847.0606006
[摘要](520) [PDF 1033KB](51)
深海热液环境中存在着巨大的化学和热梯度,快速剧烈的混合和生物合作过程产生了多种多样的矿物合作过程,并培养了大量的化学合成微生物。激光拉曼光谱非常适合于深海热液环境矿物过程的探测,然而要对矿物与微生物作用过程进行研究,还需要与荧光光谱技术进行联合。针对深海热液的探测需求,研发了一套拉曼-荧光联合光谱水下原位探测原理样机。该联合系统主要通过双波长激光器和两个微型光谱仪实现,双波长激光器同时发射266 nm和532 nm激光,其中532 nm激光用来激发拉曼光谱,266 nm激光用来激发荧光光谱。根据波长不同,双波长激光被分为两束分别经两片石英玻璃窗口照射到海水或液体样品上。产生的拉曼和荧光光谱经后向散射收集并分别耦合到拉曼和荧光光谱仪中。整个系统集成于L790 mm270 mm的舱体内,在舱体前端有光学窗口和水密插头,舱体内部主要包括双波长激光器、光谱仪、嵌入式计算机和供电装置,甲板控制终端通过电缆实现对系统的供电、控制和数据采集。利用搭建的原理样机在实验室对海水和拟棱形藻样品进行探测,实验结果初步证明拉曼-荧光联合光谱探测装置的可行性,之后系统在青岛近岸进行了实验并获得了实验数据。下一步将优化系统并应用于深海热液环境探测。
基于Yb:YAG/Cr4+:YAG/YAG键合晶体的高峰值功率短脉冲激光器
李景照, 陈振强, 朱思祁
2018, 47(6): 606007. doi: 10.3788/IRLA201847.0606007
[摘要](563) [PDF 929KB](46)
采用Yb:YAG/Cr4+:YAG/YAG键合晶体搭建了紧凑的端面泵浦被动调Q激光器,获得了高峰值功率的1 029 nm短脉冲激光。研究了泵浦功率和初始透过率对脉冲性能的影响及作用机制,对比发现初始透过率为85%的键合晶体,脉冲性能最好,在7.2 W泵浦功率下,脉宽短至3.14 ns,峰值功率高达87 kW。另外还研究了输出光谱随功率的变化规律,发现晶体具有较好的热学性能。这表明,与无掺杂的同基质晶体键合或者降低可饱和吸收体的初始透过率,都有助于获取高峰值功率的短脉冲激光输出。
光电测量
基于四象限探测器的光纤焦比退化的测量方法
张美玲, 邹华, 刘金升, 王淋正
2018, 47(6): 617001. doi: 10.3788/IRLA201847.0617001
[摘要](431) [PDF 1146KB](39)
为开展提高光纤焦比退化测量精度方法的研究,提出了一种基于四象限探测器的光纤焦比退化的测量方法。该方法是光纤的出射光斑打到四象限探测器上,通过偏转镜扫描四象限探测器靶面,获得探测器上的光斑位置灵敏度,间接获得出射光斑实际尺寸,进而得出光纤的焦比退化。并对光斑位置灵敏度与光斑半径的关系进行了分析,同时探究了四象限探测器的沟道宽度对光纤焦比退化的影响。
三线结构光视觉传感器现场标定方法
邹媛媛, 李鹏飞, 左克铸
2018, 47(6): 617002. doi: 10.3788/IRLA201847.0617002
[摘要](462) [PDF 1571KB](51)
三线结构光视觉传感器由于获取信息量大、测量速度快等特点被广泛应用于工业现场测量。为了实现传感器高精度、快速的现场标定,提出了一种基于支持向量机的三线结构光视觉传感器标定方法。首先,设计标定靶标;其次,采集靶标图像后提取特征点亚像素坐标值;再次,基于支持向量机方法建立特征点的图像坐标和三维空间坐标的映射模型;最后,将待标定点图像坐标输入映射模型,即可得到三维空间坐标,实现对三线结构光视觉传感器的直接标定。实验验证,Y轴、Z轴方向上的测量绝对误差均值分别为0.021 1 mm和0.015 0 mm,具有较高的标定精度,且该标定方法标定过程简单、快速,适合现场标定。
新型光学检测靶标直线运动系统加强组件优化设计
张绍军, 高云国, 薛向尧
2018, 47(6): 617003. doi: 10.3788/IRLA201847.0617003
[摘要](279) [PDF 2301KB](27)
新型光学检测靶标能够在内场模拟复杂运动轨迹的外场目标,得益于结构组件中直线运动系统,但直线运动系统以悬臂梁形式安装,跨距大、刚度低,不能够保证靶标的检测精度。为此,首先根据欧拉-伯努利梁理论,提出了在有限空间内对其进行结构加强的解决方法;其次,结合线性模组结构动力特性,在其周围合理布置加强梁、加强板,并采用集成优化设计确定加强组件的最优尺寸;最后,对安装后的直线运动系统进行模态分析与测振实验。仿真分析与实验结果显示:直线运动系统加固后整体结构一阶、二阶固有频率分别为36、55 Hz,与仿真设计值32、54 Hz吻合的较好,与加固前一阶固有频率14 Hz相比较,提高了1.86倍。结果验证了加强组件设计的合理性与可靠性,加强后的直线运动系统结构性能满足新型光学检测靶标所要求的质量轻、刚度高、抗干扰能力强等要求。
大靶面探测光幕灵敏度分析与修正
袁云, 田会
2018, 47(6): 617004. doi: 10.3788/IRLA201847.0617004
[摘要](460) [PDF 1263KB](31)
为了解决室内10 m10 m大靶面探测光幕灵敏度分布不均匀的问题,研究了镜头光幕探测传感器灵敏度分布规律。依据镜头式光度学理论,分析了影响光幕探测灵敏度的主要因素,建立探测灵敏度数学模型,获得幕面内不同位置的弹丸过幕信号幅值变化趋势。最终提出了灵敏度修正方案,通过改变光幕靶不同位置光源的发光亮度,来实现探测幕面内灵敏度分布均匀化。修正后的探测光幕采用气枪弹验证可知,灵敏度能满足大靶面灵敏度均匀化要求。
新型终端滑模在光电稳定平台中的应用
任彦, 牛志强
2018, 47(6): 617005. doi: 10.3788/IRLA201847.0617005
[摘要](367) [PDF 1381KB](29)
为了提高光电伺服稳定平台的跟踪精度,针对系统中干扰的影响提出一种新型终端滑模控制算法。首先,提出一种新型终端滑模干扰观测器的设计方法,实现对系统中干扰的快速估计和实时补偿。其次,设计新型终端滑模控制器来提高系统的跟踪精度,结合有限时间收敛和自适应控制的思想,对切换增益进行在线调整,有效地抑制了滑模控制中的抖振问题,使系统状态能够在有限时间内快速地收敛到所设计的滑模面上,并对未估计干扰进行精细化补偿。最后利用Lyapunov理论证明控制系统的稳定性。实验结果表明:该控制策略保证了光电跟踪系统视轴对运动目标的跟踪精度,在0.05 Hz时误差小于0.002,在2 Hz时误差小于0.034,增强了系统的鲁棒性。
攻角约束下的二阶滑模控制器的协同制导律设计
史震, 何晨迪, 郑岩
2018, 47(6): 617006. doi: 10.3788/IRLA201847.0617006
[摘要](476) [PDF 1131KB](37)
针对多弹协同拦截单个机动目标的问题,提出了一种协同制导律能够同时满足攻击时间和攻击角度约束。首先,根据系统动态方程和一致性算法选取了包含飞行时间变量的积分滑模变量,基于此设计了二阶滑模控制器作为导弹在视线方向上的制导律,以保证所有导弹同时拦截目标;然后,基于高阶滑模干扰观测器对视线角方程中的干扰进行估计补偿,设计了导弹在视线法向上的滑模制导律,以满足期望视线角约束和零化视线角速率的要求;另外,基于李雅普诺夫稳定性理论分别证明了制导系统两个子通道的稳定性;最后,仿真验证了所设计协同116制导律的有效性。
基于线激光的自然条件下路面车辙实时检测方法研究
洪梓铭, 陈昆, 荆根强, 艾青松
2018, 47(6): 617007. doi: 10.3788/IRLA201847.0617007
[摘要](349) [PDF 2157KB](39)
对路面车辙线激光实时检测方法进行了研究,在自然驾驶条件下,采用激光器向路面连续发射线激光,通过高分辨率相机动态获取路面车辙激光线的序列图像,并对路面车辙进行实时检测。针对路面复杂背景强干扰条件下的车辙激光线难以提取问题,对路面车辙激光线图像进行了特征分析,给出了非负特征测度定义及非负强度计算公式,提出了基于非负特征和峰值连续性的路面车辙激光线提取方法。该方法不再采用图像处理常规方法,而是利用峰值连续性快速跟踪路面车辙激光线的显著脊点与非显著脊点,实现路面复杂背景车辙激光线的快速和精确提取。在不封路、不停车、不阻碍交通的自然运行条件下,进行了大量的路面车辙检测实验,实验结果验证了文中提取方法的有效性和准确性,解决了自然条件下路面车辙激光线的快速和精确提取问题,为路面车辙的自动检测及路面质量评价提供技术支撑。
红外技术及应用
多特征级联的低能见度环境红外行人检测方法
刘峰, 王思博, 王向军, 赵广伟, 霍文甲
2018, 47(6): 604001. doi: 10.3788/IRLA201847.0604001
[摘要](507) [PDF 2255KB](61)
针对低能见度环境中人员的监测和保护问题,提出了一种基于多特征级联的红外行人检测方法,利用感兴趣区域长宽比特征和头部Haar特征组成初级分类器,改进的HOG-SVM完成最终行人识别。所提出的改进的HOG特征提取算法和自适应缩放因子获取算法,在保证检测率的基础上,有效地减少了帧间处理时间,针对目标被遮挡情况,提出了遮挡情况判断和局部特征识别功能,由此进一步提高了算法应用于复杂工况下的鲁棒性。实验表明:该检测方法能够达到91%的检测率,较现有算法性能得到提升,同时也满足了系统实时监测要求,适用于低能见度、粉尘的工况作业环境。
激光熔丝增材制造温度场的红外热像监测
朱进前, 凌泽民, 杜发瑞, 丁雪萍, 李慧敏
2018, 47(6): 604002. doi: 10.3788/IRLA201847.0604002
[摘要](386) [PDF 1739KB](100)
为实现对增材制造成形件的精确控形控性,必须要对其热过程有一定科学认识。以真空环境下激光熔丝增材制造单道成形为例,利用红外热像技术对其热过程进行监测。比较分析送丝速度对温度场、热循环、冷却速率的影响规律,利用红外热分析对其成形熔敷道宽度及缺陷开展研究。结果表明:借助红外热像可实现对熔敷道温度场变化的监测,沿熔敷道长度成形方向,监测点对应最高温度和冷却速率分别呈现升高和降低趋势。随着送丝速度的增加,熔敷道长度1/4、2/4、3/4处监测点对应的冷却速率随之减小。此外,基于红外热分析可实现对熔敷道宽度预测以及对缺陷位置的定位。
前沿光学成像技术
全Stokes偏振关联成像技术研究
张家民, 时东锋, 黄见, 王英俭
2018, 47(6): 624001. doi: 10.3788/IRLA201847.0624001
[摘要](662) [PDF 3177KB](101)
近年来,随着关联成像技术的高速发展,已被广泛应用于诸多领域内,并引起了高度关注。偏振探测技术能够区分不同材质物体,可以增强系统的探测识别能力。文中结合偏振探测和关联成像技术的优点,利用Walsh-Hadamard散斑对场景进行照明,并对场景反射光进行分时偏振探测,实现了对场景的全Stokes偏振关联成像。搭建相应的实验系统对多材质物体进行了成像实验,利用不同偏振探测信号与照明散斑计算并获得了物体的Stokes参数图像,实现了对同一场景中的不同材质物体和相同材质不同结构物体的区分。通过演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对物体图像进行了复原,结果表明:演化压缩采样复原技术能在较低的采样率下,复原出清晰的场景全偏振信息。
高时间分辨分幅成像技术分析及性能测试
白雁力, 姚荣彬, 高海英, 党选举, 何国民
2018, 47(6): 624002. doi: 10.3788/IRLA201847.0624002
[摘要](504) [PDF 1618KB](32)
为获取更多惯性约束聚变内爆运动信息和测量聚变燃烧阶段等离子体的时空特性,以微通道板(MCP)选通分幅变像管为基础,采用电子束时间展宽技术和组合透镜成像技术,研制了曝光时间优于30 ps的分幅变像管,并通过变像管结构、工作原理和实验测试分析了2类像管性能差异的原因。研究结果显示,MCP选通分幅变像管具有良好的空间分辨性能,而采用新技术的变像管则具有更优秀的时间分辨性能,实验测试获得MCP选通分幅变像管的曝光时间和空间分辨率分别为97 ps和~53 m (调制度为4%),而采用新技术的分幅变像管分别为和21 ps和~74 m (调制度为3%)。高时间分辨分幅成像技术的应用可为惯性约束聚变的研究提供更多的可信数据。
光学设计及仿真
高密度模块化TDI CCD成像系统设计
孙振亚, 刘栋斌, 方伟, 张达
2018, 47(6): 618001. doi: 10.3788/IRLA201847.0618001
[摘要](484) [PDF 2467KB](49)
为提升遥感相机的高密度组装技术,采用厚膜集成电路技术设计了高集成度的TDI CCD成像系统,并对该成像系统中的具体设计做了详述。首先TDI CCD焦平面通过机械拼接方式拼凑成可复制的单元。然后,通过三极管射极跟随器增强CCD输出图像信号强度传送给模拟前端芯片LM98640中转换成14 bit的数字信号,再传给现场可编程门阵列芯片XC5VLX50T-1FFG1136C缓存和整合处理。最终,通过TLK2711高速LVDS输出芯片传输给数据采集卡并在计算机上成像。该成像系统中所有的驱动信号和处理时序都是通过现场可编程门阵列产生的,计算机可以通过RS422通信总线对成像系统进行控制和部分参数修改。该系统中的驱动电路和CCD二次电源电路采用厚膜集成电路技术设计,提高了系统的集成度。实验结果表明:整个系统基于厚膜技术,驱动电路PCB电路板减少了2/3的面积,同时采用了机电热一体化的设计,实现了相机的高密度组装。该系统总数据输出速度达到3.6 Gbps,饱和输出图像信噪比52.6 dB。
浸没式光刻照明系统的照明模式变换器
李美萱, 董连和
2018, 47(6): 618002. doi: 10.3788/IRLA201847.0618002
[摘要](363) [PDF 1686KB](34)
研究了NA1.35浸没式光刻照明系统中照明模式变换模块的设计和测试。采用衍射光学元件实现包括传统照明、二极照明、四极照明的照明模式变换系统的设计和分析。给出了不同照明模式的衍射光学元件的设计结果,并对设计结果进行了模拟分析和实验分析,证明了设计的可行性。研究结果表明:当输入光场被分割的阵列数为2020单元时,二极和四极照明模式下衍射元件台阶数为32,传统照明模式下台阶数为128的情况下,衍射光学元件作为照明模式变换器的均匀性及衍射效率都能够满足设计要求。从原理、实验上验证衍射光学元件激光模式变换器设计的正确性及可行性。研究结果能够应用于浸没式光刻照明系统中照明模式变换结构中,具有一定的理论价值和工程意义。
Pearcey光束的形成及其聚焦特性
胡汉青, 吴逢铁, 胡润, 杨艳飞, 朱清智
2018, 47(6): 618003. doi: 10.3788/IRLA201847.0618003
[摘要](467) [PDF 2050KB](59)
设计一种简单的光学元件抛物缝孔径获得Pearcey光束,基于空间域中的广义惠更斯-菲涅耳衍射积分,导出该系统的Pearcey光束表达式。数值模拟和实验验证了Pearcey光束的产生。同时研究了Pearcey光束的自聚焦特性,讨论了抛物缝孔径焦准距对聚焦光斑的影响。实验所得自聚焦光斑大小与数值模拟相符,研究结果对Pearcey光束用于光学囚禁提供理论和实验依据。
深空探测遥感相机支撑结构设计
马聪, 李威, 张远清, 李晓波, 安明鑫
2018, 47(6): 618004. doi: 10.3788/IRLA201847.0618004
[摘要](490) [PDF 1871KB](49)
支撑结构是连接卫星与相机的关键部件,在发射和在轨环绕阶段对相机提供保护和空间应用需求。深空探测器发射阶段的振动载荷高达13 g甚至更高(地球探测为8~9 g),支撑结构既要克服剧烈振动可能造成的相机结构破坏还要保证光学系统的热稳定,具有较高的设计难度。通过分析不同支座形式的结构特点设计了刚性支座、平动支座两种不同的支座形式,从刚度和热稳定的均衡性出发将两种支座形式进行了组合设计,提出了一个刚性支座+两个平动支座的设计方案。理论分析与实验验证得到:该支撑结构的一阶频率为58 Hz,远高于整星基础频率,温降15℃仿真分析结果显示主镜偏转角为3.66,次镜及三镜相对主镜最大偏转角为7.85,均满足设计要求。振动及热平衡试验表明:相机各项指标正常。
先进光学材料
氧化铝基体3.7 μm与4.8 μm双波段带通滤光膜研制
岳威, 韩隆, 张阔, 韩永昶, 赵明艳
2018, 47(6): 621001. doi: 10.3788/IRLA201847.0621001
[摘要](434) [PDF 1284KB](46)
以红外光学和薄膜技术为理论背景,详细介绍了氧化铝基体表面3.7 m与4.8 m双波段带通滤光膜的特性、制备及测试方法。氧化铝(Al2O3)由于其透光区域较宽,牢固度好,便于光学系统使用而被经常应用于中波红外光学系统中。采用软件优化计算和双面镀制截止带通滤光膜的方案,通过速率控制、离子辅助等工艺方法研制成功了可靠性和光谱特性皆优的双波段带通滤光薄膜。分析认为设计结构和优化算法对于薄膜通带平坦度、截止深度以及透过率有着明显的影响。制备工艺方面,除了合适的蒸发速率外,采取缓慢蒸发和弱离子能量辅助也是很重要的关键技术,最终光谱透过率测试平均大于87%,通过了环境测试,符合使用要求。
热处理对双离子束溅射SiO2薄膜力学及热力学特性的影响
冷健, 季一勤, 刘华松, 庄克文, 刘丹丹
2018, 47(6): 621002. doi: 10.3788/IRLA201847.0621002
[摘要](434) [PDF 1023KB](34)
光学薄膜的力学及热力学特性决定了光学系统性能的优劣。采用双离子束溅射的方法在硅110和肖特石英Q1基底上制备了SiO2薄膜,并对制备的膜层进行退火处理。系统研究了热处理前后SiO2薄膜的力学及热力学特性。研究结果表明,750℃退火条件下SiO2薄膜的弹性模量(Er)增加到72 GPa,膜层硬度增加到10 GPa。镀完后未经退火处理的SiO2薄膜表现为压应力,但是应力值在退火温度达到450℃以上时急剧降低,说明热处理有助于改善SiO2薄膜内应力。经退火处理的SiO2薄膜泊松比(vf)为0.18左右。退火前后SiO2薄膜的杨氏模量(Ef)都要比石英块体材料大,并且750℃退火膜层杨氏模量增加了50 GPa以上。550℃退火的SiO2薄膜热膨胀系数(f)从6.7810-7℃-1降到最小值5.2210-7℃-1。
色散效应对钝化硅太阳电池减反射膜系设计的影响
王安祥, 张晓军, 李继军
2018, 47(6): 621003. doi: 10.3788/IRLA201847.0621003
[摘要](465) [PDF 1155KB](45)
在考虑折射率色散效应基础上,以加权平均反射率作为评价函数,通过智能优化算法对空间硅太阳电池减反射膜进行优化设计,得到了最佳的膜厚参数,并与不考虑色散下设计的减反射膜进行了比较。对MgF2/TiO2,SiO2/TiO2双层减反射膜,与不考虑色散情形相比,考虑色散下优化后的最小加权平均反射率分别减小了36.6%和37.6%;对具有厚度为15 nm的SiO2钝化层的硅太阳电池的MgF2/TiO2,SiO2/TiO2减反射膜重新优化设计,与不考虑色散情形相比,考虑色散下优化后的最小加权平均反射率分别减小了43.9%和33.7%;对具有不同厚度钝化层的空间硅太阳电池,在考虑色散下进行了减反射膜的优化设计。结果发现,随着钝化层厚度的增加,所得减反射膜的最小加权平均反射率也随之增大,减反射效果越来越弱。最后,在考虑与未考虑色散情形下,将钝化层膜厚也作为反演参量后重新设计。结果表明:在色散情形下所设计的减反射膜更佳,对于MgF2/TiO2/SiO2(钝化层)膜系,最佳膜厚参量为d1(MgF2)=97.6 nm,d2(TiO2)=40.2 nm,d3(SiO2)=4.9 nm;对于SiO2/TiO2/SiO2(钝化层),最佳膜厚参量为d1(SiO2)=85.1 nm,d2(TiO2)=43.4 nm,d3(SiO2)=1.8 nm。
光通信与光传感
空间X射线通信系统误码率分析
李瑶, 苏桐, 石峰, 盛立志, 强鹏飞, 赵宝升
2018, 47(6): 622001. doi: 10.3788/IRLA201847.0622001
[摘要](475) [PDF 1056KB](35)
自X射线通信的概念被提出后,大部分研究集中在发射源、收发天线和探测器等关键器件上,而关于传输理论的研究较少。文中旨在建立X射线通信的理论模型,首先建立了X射线通信的功率传输模型和链路方程;其次建立了基于泊松噪声的X射线通信误码率模型,随后建立了X射线通信中的核心参数:通信距离,通信速率,误码率与传输功率之间的关系;最后对不同阳极高压与不同调制方式下探测器端信号光子数进行实验监测,对功率传输方程及误差模型进行验证,测试了X射线通信系统的误码率,理论与实验较为符合,OOK和4 PPM的误码率可达10-4~10-5量级,为空间X射线通信研究建立了理论基础,同时有望对空间X射线通信的工程化提供一定的参考。
光电器件及应用
利用抗光晕通道倾泻电荷的帧转移EMCCD电子快门方法
张猛蛟, 蔡毅, 叶梁, 陈远金, 徐春叶, 王岭雪
2018, 47(6): 620001. doi: 10.3788/IRLA201847.0620001
[摘要](524) [PDF 2631KB](46)
针对帧转移结构电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)对高速运动目标成像模糊、高亮度目标成像饱和且细节缺失的问题,提出了利用抗光晕通道倾泻多余电荷和外部时序控制的电子快门方法,通过帧转移时序将感光区电荷转移到与存储区相邻的抗光晕沟道进行倾泻,实现标准视频连续输出中1/25~1/1 000 s连续可调的电子快门,并推导了抗光晕漏极最大倾泻电流与光照强度之间的数学关系式;使用FPGA硬件图像处理消除了曝光时间缩短引起的漏光-拖尾(smear)效应;采用带有抗光晕结构的帧转移EMCCD开发了原理相机进行实验验证。结果表明,通过该方法控制电子快门可以有效降低旋转运动目标的成像模糊,并实现夜间的高动态范围夜视成像,显著提升图像细节。
信息获取与辨识
基于迁移学习SAE的无人机目标识别算法研究
谢冰, 段哲民, 郑宾, 殷云华
2018, 47(6): 626001. doi: 10.3788/IRLA201847.0626001
[摘要](534) [PDF 2518KB](117)
无人机在复杂战场环境下,因敌我双方无人机外形、颜色等特征较为相似,如何准确地对敌方无人机识别是实现其自主导航及作战任务执行的关键。由于受敌方无人机飞行速度、形状、尺寸、姿态等的改变及气象环境因素的影响,无法准确地对其进行识别与分类。针对这一问题,提出基于迁移学习卷积稀疏自动编码器(Sparse Auto-Encoder,SAE)实现对航拍多帧图像中敌方目标对象的识别与分类。算法首先借助SAE对源领域数据集中大量无标记样本进行无监督学习,获取其局部特征;然后,采用池化层卷积神经网络(CNN)算法提取目标图像全局特征;最后,送入Softmax回归模型实现目标对象的识别与分类。实验结果表明:与传统非迁移学习的SAE算法及基于底层视觉特征学习的识别算法相比,该算法具有更高的准确性。
数字全息亚像素位移综合孔径方法
赵亚迪, 曹晓华, 陈波, 孙天齐
2018, 47(6): 626002. doi: 10.3788/IRLA201847.0626002
[摘要](438) [PDF 1580KB](35)
孔径综合是提高成像分辨率的有效手段。针对综合孔径数字全息术,提出一种亚像素位移精度的孔径综合方法。利用基于快速傅里叶变换的菲涅耳衍射公式进行目标光场重构,利用傅里叶变换的移位性质,将全息图的位移量转化为活塞相位和倾斜相位,从而实现任意位移量的数字全息孔径综合。开展了数字离轴全息综合孔径实验,实验结果验证了该方法的有效性。同时,在牺牲一定分辨率的前提下,该方法能够显著减少孔径综合的运算量,具有很好的实时性,并降低处理器的硬件配置要求。
基于时空估计的冷像校正方法
魏伟, 向伟, 赵耀宏
2018, 47(6): 626003. doi: 10.3788/IRLA201847.0626003
[摘要](470) [PDF 3448KB](55)
冷像是影响制冷型红外探测器成像质量的重要因素。虽然可以通过非均匀校正技术进行去除,但当校正后的工作条件发生改变时,冷像的影响又会显现出来。根据冷像产生的机理以及频率特点,提出了一种基于时空估计的冷像校正算法。首先,通过使用小波分解与重构对原始图像进行冷像噪声空间域估计;然后,利用自适应时域低通滤波获得冷像噪声的时间域估计;最后,利用原始图像与获得的冷像估计噪声做差完成校正过程。使用仿真和实际的红外图像序列进行实验,结果表明所提算法能够有效地去除冷像噪声。
单幅图像的深度标签流形学习
叶华, 谭冠政
2018, 47(6): 626004. doi: 10.3788/IRLA201847.0626004
[摘要](439) [PDF 1104KB](40)
图像中背景与前景对象的空间位置决定了场景在图像中的相对深度,利用图像的局部特征相似性和流形结构的降维性能,并应用salient区域DCT高频系数分布的深度排序索引性能,定义出图像深度的马尔科夫概率图模型MRF。通过划分场景对象检测salient区域模糊度,最后估计得出图像场景的相对深度图。通过学习图像数据的流形嵌入对数据流形分布概率密度函数进行迁移,得出遵循相似流形分布的对象特征类别标记概率密度分布。进一步检测空间变化salient区的模糊程度,融合多尺度梯度幅度的高频离散余弦变换DCT系数特征,依据模糊变化高频特征计算深度标记索引确定深度标签的层级次序,融合类别标签以生成深度图。这种模型框架下检测单个图像中模糊和未模糊的区域,可获得图像中场景的相对深度,而无需了解相机设置或模糊类型的先验参数。在典型的深度图估计数据集中应用MRF深度图模型评测图像的深度估计性能,实验结果给出该方法在检测场景分布和划分场景深度次序上的准确率,验证了方法的有效性。
基于深度谱卷积神经网络的高效视觉目标跟踪算法
郭强, 芦晓红, 谢英红, 孙鹏
2018, 47(6): 626005. doi: 10.3788/IRLA201847.0626005
[摘要](520) [PDF 4358KB](70)
提出了一种基于深度频谱卷积神经网络的视觉目标跟踪算法。该算法在深度模型训练阶段采用谱池化替代深度卷积神经网络中的最大池化过程,用贝叶斯分类器替代softmax损失层计算最大分类值,并将其整合到深度神经网络跟踪框架中,通过新网络计算输入正负样本的概率分布预测目标位置。该算法充分利用谱池化在频域下降维到任意维度且计算高效的优点,克服了最大池化采样造成大量空间信息丢失的不足,提升了计算速度。在权威多场景视频标准测试库上对所提算法进行验证,结果验证了该算法兼顾了效率和跟踪精度,有效提高跟踪器的性能,在相同测试条件下,文中算法性能优于同类对比算法。