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2020年  第41卷  第5期

2020-05ml 目录
2020, 41(5): 1-6.
摘要:
光电系统与工程
激光主动探测拼接光学系统的装调设计
李慧珍, 刘张飞, 王国聪, 张永安, 崔洁, 李旭东, 米建军, 宋亚民
2020, 41(5): 879-884. doi: 10.5768/JAO202041.0501001
摘要:
介绍由两组视场为8°×6°的光学系统在水平方向拼接为视场不小于15°×6°的探测接收系统。为保证其在整个探测视场范围内的视场拼接质量和角定位精度,对该探测接收系统的装调方法及流程进行了详细设计,对各装调步骤的精度指标进行了分配。重点针对折转光路的光轴平行性、分辨率以及视场拼接的装调方法及要点进行阐述。通过对各装调步骤的精度进行严格控制,最终探测接收系统的测试结果为:焦距f ′=52.7 mm、视场15.2°×6.2°,达到设计指标要求。
地平式望远镜跟踪机架结构设计与分析
张岩, 陈宝刚, 李洪文, 曹玉岩
2020, 41(5): 885-890. doi: 10.5768/JAO202041.0501002
摘要:
针对某700 mm口径地平式望远镜系统,提出了一种U型跟踪架的结构设计方案。跟踪架结构中方位轴系采用双排密珠球轴承,轴承设计为双排轴向止推钢珠及双排径向钢珠结构,滚珠的密集及均化作用可保证轴系具有高回转精度。俯仰轴系设计采用一端固定、一端游动的结构方式,以补偿机械误差及热变形对回转精度的影响。对望远镜跟踪架进行有限元建模,分析得出其一阶谐振频率可达到47.6 Hz,说明它具有良好的模态特性。使用电子水平仪及自准直仪分别对方位轴及俯仰轴进行定量检测,方位轴轴系晃动优于1.3″,俯仰轴轴系晃动优于1.8″。通过仿真分析及实验测试,证明设计的望远镜跟踪架结构具有高刚度及高回转精度,为同类跟踪架的结构设计提供了一定的参考价值。
基于DMD的大视场长出瞳距星模拟器光学系统设计
代雨, 程欣, 张文明, 李杰, 吕升林
2020, 41(5): 891-897. doi: 10.5768/JAO202041.0501003
摘要:
为满足高动态星模拟器的使用要求,设计了一套适用于DMD的投影光学系统和照明光学系统。投影系统采用二次成像方式,解决了大视场长出瞳距情况下长后工作距和系统像差校正难的问题,采用复眼透镜阵列设计了相应的照明系统,利用全反射棱镜实现照明系统和投影系统的同向排列。设计结果表明:系统出瞳为60 mm,视场为28.6°,畸变小于0.045%,80%的能量集中在直径为8 μm的圆内,照明系统的照明均匀度大于94%,满足设计指标要求,适用于大视场长出瞳距DMD型动态星模拟器的光学系统。
用于眼轴长度测量的弱光信号检测系统设计
张宇宁, 李丕丁, 王成, 项华中
2020, 41(5): 898-903. doi: 10.5768/JAO202041.0501004
摘要:
在眼内入射光安全的前提下,由于眼轴长度测量时角膜表面与视网膜色素上皮层2个反射面的反射率相差较大,反射的光信号强度属于微弱信号范畴。为了能够去除噪声,快速提取该信号的峰值用于眼轴长度起止点计算,采用PIN光电二极管接收微弱光信号并配合I-V转换电路、自动增益控制电路及后级处理电路搭建了一套弱光信号检测系统。实验采用ZIESS模拟眼进行测试,结果表明设计的检测系统最小能探测到0.77 nW左右的微弱光信号,最大光电转换能力可达4.5×108 V/W,信噪比达到9 dB以上,测得眼轴长度结果与实际值最大存在0.05%的误差。系统具有低噪声、高增益、大动态范围等优点,为实现眼轴长度精准测量提供了一种有效方案。
应用波像差理论计算Kirkpatrick-Baez系统的调制传递函数
余承昊, 吕丽军
2020, 41(5): 904-910. doi: 10.5768/JAO202041.0501005
摘要:
调制传递函数(modulation transfer function,MTF)曲线可以客观地评价光学系统的成像性能。基于平面对称光学系统的波像差理论,给出了Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜光学系统主要像差的波像差计算表达式,采用自相关法,通过Gauss-Legendre数值积分求解并绘制了KB系统的MTF曲线,且与光学分析软件的MTF曲线进行对比。结果表明:应用波像差理论计算调制传递函数不仅可以定量直观地分析KB系统的成像性能,而且能进一步解析光学系统的单项像差分布情况,提供更具针对性的系统优化方案。
共轴三反光学系统卧式装调技术
王海超, 陈佳夷, 霍腾飞, 李斌, 刘君航
2020, 41(5): 911-915. doi: 10.5768/JAO202041.0501006
摘要:
共轴三反光学系统是空间光学遥感器常用的设计形式,以“高分一号”遥感卫星高分辨率相机装调为例,对共轴三反系统计算机辅助装调技术进行了研究。提出以主镜光轴为装调基准,通过调整三镜控制系统视场和调整次镜控制系统像差的装调方法,分析了次镜和三镜的失调量与Zernike系数变化关系,由光学设计软件求得系统灵敏度矩阵,用于指导系统装调工作,提高了装调精度,缩短了装调周期。测试结果表明:光学系统各视场Zernike系数优于0.05λ,系统波相差RMS值优于0.06λ,系统通过在轨成像测试,图像清晰,层次丰富。
基于微面元理论的“猫眼”目标回波散射偏振特性研究
秦绪志, 牛春晖, 陈世杰, 吕勇
2020, 41(5): 916-923. doi: 10.5768/JAO202041.0501007
摘要:
为了研究“猫眼”目标表面回波散射偏振特性,基于微面元理论建立了偏振双向反射分布函数模型,指出线偏振光在“猫眼”目标表面回波散射的偏振度与目标表面粗糙度、复折射率以及入射角、探测角有关。主要研究“猫眼”目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响,利用 Matlab 仿真得到“猫眼”目标回波偏振度与目标表面粗糙度参数\begin{document}$ \sigma $\end{document}的关系曲线。选择经过不同砂纸打磨的硅片作为“猫眼”目标进行实验,当硅片表面均方根高度分别为0.067 µm、0.554 µm、0.726 µm、1.651 µm、1.893 µm时,其表面回波散射偏振度的测量值依次为98.83%、98.16%、96.08%、94.91%、94.6%,表明“猫眼”目标回波散射的偏振度随其表面粗糙度的增大而减小。
低畸变宽工作距机器视觉镜头光学设计
柳晓娜, 王少勃, 欧阳名钊, 韩雪峰
2020, 41(5): 924-928. doi: 10.5768/JAO202041.0501008
摘要:
机器视觉镜头参数要求有别于其他镜头,为了保证测量精度,要求镜头的光学畸变很小甚至接近零,有的工作场合还要求有很宽的工作距等。设计一种机器视觉镜头,使用8枚球面镜片,采用固定后组,移动前组的调焦结构,实现了在空间频率120 lp/mm处,工作距从无穷远到超近摄0.1 m时,镜头畸变小于0.1%,MTF全视场大于0.4的性能要求。光学系统后组使用了两枚镜片,与后组只有一枚镜片的架构不同,不仅提升了光学性能,还有利于系统的平衡及稳定。整个光学系统没有非球面,也没有高折射率或高阿贝数的特殊玻璃,均为常见的冕牌玻璃和火石玻璃,降低了镜头成本,镜片加工及组装公差范围内量产优良率达90%以上。该镜头光学系统可广泛应用于机器视觉尤其是智能机器视觉行业。
光电信息获取与处理
反向追迹法获取水下对空全景图像
何大华, 李苏, 李亚鹏
2020, 41(5): 929-937. doi: 10.5768/JAO202041.0502001
摘要:
在水下透过波浪对海面及空中目标成像,所获取的目标图像会发生畸变。为定量分析波浪对图像畸变的影响,建立一种理想的水下对空成像模型,得到透过波浪的全景图像。首先,在给定的成像模型下,运用主光线反向追迹法,由斯涅耳定律计算出与水下入射光线对应的水上折射光线的方向矢量,从而得到天球上目标点与成像靶面上单像素点的物像对应关系。然后,对整个成像靶面上的像素点进行遍历,形成水下对空全景图像。最后,在4种特殊的海面波浪波形下,利用MATLAB环境计算出天空圆形目标及背景的水下对空全景图像。计算结果表明:运用反向追迹法能够有效地计算出水下对空全景图像,通过调整波浪参数,可以定量分析图像的畸变程度。主光线反向追迹法适用于分析透过具有一阶可导波浪的水下对空全景图像的畸变特征,为研究更复杂波浪下的水下对空图像畸变特征奠定了基础。
光栅投影三维测量系统标定技术研究
朱勇建, 黄振, 马俊飞, 秦国锋, 秦运柏
2020, 41(5): 938-946. doi: 10.5768/JAO202041.0502002
摘要:
相机与投影仪的标定是影响光栅投影三维测量系统精度的因素之一,且标定所得参数的精度直接影响系统的测量精度。分析标志点边缘成像时的退化模型,提出了基于高斯曲线拟合与边缘局部区域效应相结合的亚像素边缘检测方法,获取高精度边缘,提高标志点检测精度;使用基于透视变换图像矫正的标志点快速排序匹配方法,进行相机快速高精度标定。分析投影仪标定时的相位误差,提出了一种基于径向基的线性插值方式,提高标志点圆心相位获取精度。实验验证,使用上述亚像素边缘检测方式,标志点的边缘残差为0.0871,对比基于高斯曲线的拟合方式,精度提高了41%,相机标定重投影误差均值为0.0524像素;使用上述相位插值方式,投影仪标定重投影误差均值为0.1203像素,对比使用双线性插值方式,标定精度提高23.9%。
基于边窗盒子滤波和透射率修正的图像去雾
陈广锋, 王军舟
2020, 41(5): 947-955. doi: 10.5768/JAO202041.0502003
摘要:
针对雾线先验去雾算法存在的颜色过饱和现象、图像初始透射率估算不准确等问题,提出了一种基于边窗盒子滤波和透射率修正的图像去雾算法。为了解决初始透射率估算不准确带来的边缘细节信息丢失的问题,首先利用非局部总广义变分(TGV)正则化的方法估算初始透射率,并将二阶的非局部总广义变分(TGV)正则器来作为正则项,以确保对由图像颜色和深度之间的噪声和歧义引起的异常值具有鲁棒性。随后利用边窗滤波算法对初始透射率进行优化,从而实现对图像中纹理信息和边缘信息的保留。最后利用大气散射模型和多角度优化后的透射率复原出无雾的原始图像。实现结果表明,本文算法能够解决图像颜色过饱和与边缘处的细节纹理信息丢失的问题,且无色调偏移和光晕效应。在定性评估上,复原后的图像视觉效果好;在定量评估上,本文算法的去雾后图像的评价指标皆高于基于雾线先验算法。
一种基于双分支改良编解码器的图像去噪算法
亓法国, 张海洋, 柳淳, 赵长明, 张子龙
2020, 41(5): 956-964. doi: 10.5768/JAO202041.0502004
摘要:
针对传统图像去噪算法多噪声去除难,深层卷积神经网络去噪模型网络复杂、训练时间长等问题,提出一种基于自编码器结构的双分支改良编解码网络,实现高效图像去噪。双分支结构之一采用降-升采样实现点噪声消除,另一分支专注于宏观的图像修复和伪像去除,后端利用残差结构进行整合,实现数字图像混合噪声去噪。实验结果显示:对于含有标准差为15,均值为0的高斯噪声、噪声密度为5%的椒盐噪声和散粒噪声的混合噪声图像测试集,实验去噪效果相较于输入混合噪声图像峰值信噪比,平均提升了5.3%。与12层全卷积神经网络相比,去噪效果相当,训练速度提升了25.4%,体现了其“轻量级”的优点。实验表明:该方法相较于深层卷积神经网络,训练速度快,网络简单;相较于传统图像去噪算法,噪声去除效果也较为明显。该算法可应用于轻量级视觉平台后端去噪。
融合Kinect与γ相机图像的放射性区域重建与定位
王刚, 肖宇峰, 郑又能, 田星皓
2020, 41(5): 965-972. doi: 10.5768/JAO202041.0502005
摘要:
针对核设施退役、核应急处置过程中放射性分布信息的可视化需求,提出了一种基于Kinect与γ相机图像信息融合的放射性区域重建与定位方法。首先,基于γ相机的特殊成像方式,构建了Kinect与γ相机组合成像模型,并完成相机组合联合标定;其次,基于视觉地图构建方法,建立了核辐射环境稠密点云地图并得到Kinect位姿;然后,提取γ相机图像中的放射性分布信息,根据相机组合模型计算地图中的放射性区域点云;最后,基于最小包围盒对γ相机成像的中心区域进行三维定位。在实验中,通过将Kinect和γ相机数据同步与空间对齐,在少量γ相机图像的情况下,实现了单个点源的三维分布重建模型与辐射场景地图的融合。在8×12 m2的实验室环境中点源定位的均方根误差为0.11 m,证明了本文方法的有效性。
基于QR码和算术编码的图像加密无损恢复方法
白星, 王晶, 王金超, 周昕
2020, 41(5): 973-977. doi: 10.5768/JAO202041.0502006
摘要:
将QR码作为数据容器引入光学图像加密系统,可以移除光学系统在解密图像时产生的散斑噪声,使得解密图像无损恢复,是一种非常理想和实用的去除噪声的方法。但由于QR码的存储容量有限,只能存储一些字母和简短的句子或者一幅尺寸很小(32×32像素)的灰度图像,严重制约了该技术的进一步应用。为了将一幅更大的灰度图像存入到QR码中,提出一种基于算术编码的图像无损压缩方法。首先将灰度图像以文件的形式读取为二进制数据,然后转换成十进制数据并利用算术编码的方法压缩为二进制数据,最后再转换成十进制数据。实验结果表明,此方法具有较高的压缩效率,能够成功将一幅64×64像素的具有丰富灰度值的图像存入到一张31版QR码中进行加密和解密。
相位编码条纹投影轮廓术的相位展开误差校正方法
刘路, 潘艳娟, 奚冬冬, 王玉伟, 唐七星
2020, 41(5): 978-983. doi: 10.5768/JAO202041.0502007
摘要:
相位编码法是条纹投影技术中常用的一种相位展开方法。然而,受到随机噪声、图像采样、系统离焦等因素的影响,条纹阶次与包裹相位的对应关系容易被破坏,从而引入相位展开误差。根据相位展开误差的分布特点,提出一种附加二值条纹的相位展开误差校正方法。引入的二值条纹与相位编码条纹的码字存在半周期错位,使得计算出的2组条纹阶次值具有互补性,利用两者的互补性可以有效地消除相位展开误差。仿真和真实实验均表明,该方法能够准确地恢复出被测物体的绝对相位,具有较高的可靠性。
基于机器视觉的手机屏幕表面划痕检测研究
张建国, 李颖, 齐家坤, 季甜甜, 刘隽
2020, 41(5): 984-989. doi: 10.5768/JAO202041.0502008
摘要:
针对手机屏幕图像划痕缺陷形状不规则、深浅对比度低的问题,提出基于机器视觉的手机屏幕表面划痕检测方法。首先采用PatMax算法和仿射变换对手机屏幕图像进行预处理;然后采用剪切变换将图像分解成低频和高频两部分,构造0°、45°、90°和135°四种方向的元素形状对低频部分进行灰度闭运算操作,同时对高频部分进行N×M中值滤波去噪处理,通过剪切逆变换生成增强图像;最后采用改进的Otsu双阈值方法对目标进行提取。随机选取450张手机屏幕图像进行实验,检测率最高可达98.7%,结果表明,该方法能够有效增强图像的细节信息,相比其他方法,极大地保证了划痕缺陷的完整性。
高炮电视跟踪系统对超低空目标截获概率仿真实验研究
史海龙, 廖旭博, 王晶晶, 吴彦林
2020, 41(5): 990-996. doi: 10.5768/JAO202041.0502009
摘要:
针对高炮电视跟踪系统目前无法通过实装试验方式对超低空目标截获概率进行考核的问题,分析了影响截获概率的因素,如地面图像和目标同时处于光电系统视场中对光电系统图像处理的影响,通过搭建软件和硬件环境,建立了一种基于三维虚拟试验场的仿真试验方法。构建了典型的测试用例,利用仿真系统采集视频,将图像输入到视频跟踪器中进行处理,通过对输出数据进行处理,可定性或定量判定是否可以截获目标。该方法应用于某型轮式弹炮结合防空武器系统试验,验证了该方法的有效性。
基于阵列光电侦察系统空间观测数据融合方法
赵俊成, 刘建平, 袁良
2020, 41(5): 997-1004. doi: 10.5768/JAO202041.0502010
摘要:
利用阵列式网络具有探测覆盖面积大、可靠性高、环境适应性强等技术优点,在组网内各侦察设备获得目标连续随时间变化的方位角、俯仰角等信息基础上,提出了基于阵列光电系统观测数据的坐标转换和数据融合方法。系统侦察站采用m×n阵列布站组网,目标进入侦察覆盖区域后各侦察站全方位观察,获得目标的角位置信息与时间数据,实时发送至中心站进行坐标转换与数据融合处理,实现对空间目标的快速探测及坐标定位。同时设计了相关算法软件并进行了外场实验,在1×3侦察阵列下完成了对空域目标的侦察观测,根据中心站数据处理结果实时建立了被测目标的三维航迹。实验结果表明:提出的坐标转换与数据融合处理方法,能够有效提升阵列光电系统的实际应用能力。
光学计量与测试
干涉测量圆柱外表面的误差分析
许帅, 韩森, 吴泉英, 张凌华, 王全召, 陈秋白, 王艳
2020, 41(5): 1005-1013. doi: 10.5768/JAO202041.0503001
摘要:
使用一个特殊圆台面反射镜,在Fizeau(菲索)干涉仪系统中,可实现对圆柱外表面粗糙度的一次性测量。但反射镜与待检测圆柱的空间相对位置很难精准确定,因而会引入测量失调误差,影响测量结果的精度。为了便于剔除误差,要对误差的类型以及产生原因做具体分析。研究光线传播轨迹并建立数学模型,在圆柱坐标系下求解得到偏移失调误差、旋转失调误差、加工角度误差与测量光程差的关系式。使用Matlab软件仿真,绘制出3种失调误差对应的干涉条纹。分析引入误差的干涉条纹,对比实验测量结果,减小误差对测量结果的影响,得到圆柱外表面的形貌信息。
表面微结构对平面黑体反射比的影响研究
马宇轩, 冯国进, 刘子龙, 张巧香, 郑春弟, 吴厚平, 甘海勇, 梁凤臣, 李雨霄
2020, 41(5): 1014-1019. doi: 10.5768/JAO202041.0503002
摘要:
为了研究不同微结构对于平面黑体反射比的影响,设计了40种表面微结构由不同锥齿类别(方锥和圆锥)、高度、疏密程度的排列组合构成的平面黑体样品。样品表面采用同种工艺,喷涂同类型表面吸收涂层,以降低表面反射。利用光谱仪测量样品在可见和近红外波段的反射比,测量结果表明,微结构可使反射比从平面状态的1.4%降低至近0.4%的水平。在保持其他条件一致时,锥齿高度越高且锥齿越密集,平面黑体反射比越低;锥齿类型不同对反射比影响则不显著;与Tracepro得到的仿真值进行比较,锥齿高度越高,齿面越密集,相对误差越大,相对误差处于10%~65%范围内。
基于同步移相显微干涉的血红细胞形貌测量方法
徐君宜, 袁群, 高志山, 徐尧
2020, 41(5): 1020-1025. doi: 10.5768/JAO202041.0503003
摘要:
血红细胞的形貌特征是医学领域对多种疾病进行预防和诊断的一项重要指标,提出一种同步移相显微干涉法实现对血红细胞形貌的动态测量。搭建了透射式显微干涉成像系统,测量了100 μm内径模拟微血管内、名义直径为7 μm~8 μm、高度最大值为2 μm的新西兰兔血红细胞,针对血红细胞所处的微血管环境提出了基于微血管相位相减的血红细胞形貌提取方法和成像放大率校正方法,实验得到模拟微血管内的血红细胞平均直径7.757 μm和平均最高高度2.022 μm,验证了本方法具有在体定量测量血红细胞形貌的潜力。
MRTD高精度测试和校准技术研究
王学新, 杨鸿儒, 吴李鹏, 闫晓宇, 郭羽, 李四维
2020, 41(5): 1026-1031. doi: 10.5768/JAO202041.0503004
摘要:
围绕红外热像仪成像参数MRTD(最小可分辨温差)测试问题开展研究,介绍了MRTD的测试方法以及MRTD测试装置—红外热像仪评估系统的工作原理,详细分析了MRTD测试过程中,红外热像仪测试位置、差分黑体温差、差分黑体发射率和光学系统几何像差等因素对测试结果的影响。针对这些问题,提出了采用红外扫描辐射计对红外热像仪评估系统温差进行校准的方法,利用该方法对某空间频率下热像仪MRTD进行测试,并给出了测试结果,为热像仪MRTD参数准确测试提供参考。
超宽视场离轴光学系统畸变一致性校正技术
赵希婷, 张超, 冀翼, 刘辉, 焦文春, 黄阳, 李重阳, 张志飞
2020, 41(5): 1032-1036. doi: 10.5768/JAO202041.0503005
摘要:
为满足海岸带超宽视场和高分辨率的动态监测需求,高分辨率宽覆盖已成为空间光学遥感器的重要发展趋势。HY-1C/D卫星海岸带成像仪采用两台相机组合的方式实现大幅宽,单台相机是32°超宽视场离轴光学系统,相机存在弧形畸变且畸变较大。研究了超大视场离轴光学系统畸变一致性校正技术,提出“多变量仿真-高精密测量-交互迭代”的装调方法,开展了兼顾像质、视轴、畸变的多变量全链路仿真计算,通过高精度畸变测量系统实现了畸变补偿的交互迭代调整,解决了镜头装调阶段畸变不可控的难题,实现双台相机畸变一致性控制精度优于0.1%,完全满足测试技术要求,结果表明方法合理可行。
光学系统纵向色差的仿真及验证
庄锦程, 张齐元, 王芳, 吴鹏, 王浩宇, 王全召, 吴泉英, 韩森
2020, 41(5): 1037-1046. doi: 10.5768/JAO202041.0503006
摘要:
现有的焦距检测方法通常由于检测仪器光源波长与光学系统不完全匹配从而产生纵向色差影响检测结果。针对这一问题,研究光学系统纵向色差的变化规律,并确定在400 nm~1 000 nm波段用于表示其函数关系的Conrady公式和复消色差特性公式。根据光学系统近焦位置的离焦量与位置呈线性关系的特性, 提出使用菲索干涉仪测量5种不同波长的焦距位置,获得单透镜和双胶合镜头的纵向色差曲线。实验结果表明: 在400 nm~1 000 nm波段单色系统和消色差系统的纵向色差的函数关系分别符合Conrady公式和复消色差特性公式,研究结果为焦距的理论计算和精确检测提供了新的思路和参考。
强光环境下军用液晶显示屏检测技术研究
袁林光, 李正琪, 占春连, 卢飞, 李燕, 吴李鹏, 尤越, 陈娟, 董再天
2020, 41(5): 1047-1052. doi: 10.5768/JAO202041.0503007
摘要:
为满足军用液晶显示屏质量与可靠性的客观准确测试评价需求,研制了一种照度达到105 lx量级、适用于强光环境下的军用液晶显示屏检测装置,阐述了强光光源、响应时间检测模块、大型三轴检测平台等关键部件的设计,对响应时间、亮度均匀性、高温显示正常性等核心参数的检测方法进行了研究,最后对一种加固型液晶显示屏进行检测,响应时间的测量精度优于3%。
光学器件与制造
双层荧光粉涂覆对COB封装LED出光的影响
傅志红, 武宁杰, 田有锵, 郭鹏程, 王洪
2020, 41(5): 1053-1059. doi: 10.5768/JAO202041.0505001
摘要:
为了提高LED出光量,基于传统的荧光粉涂覆设计了一种双层荧光粉涂覆结构。通过对上下涂覆层浓度及上层涂覆量的研究,探究双层涂覆结构对COB封装LED出光的影响。结果表明在通电电流为440 mA时,可在实验中实现15 W的COB封装结构的白光LED:涂覆单一黄色荧光粉,上下层胶粉比为14.2~28且上层涂覆体积为下层的0.8倍时,COB封装LED的光通量为2 179 lm,光效可达145.3 lm/W,显指为63,出光量最大提升为7.82%;荧光粉调整为黄绿粉和红粉的配合使用后,最终实现色温、光效及显指分别为4 854 K、129.7 lm/W和81.2。因此,双层荧光粉涂覆结构可以提高COB封装LED的光学性能,对实际生产有一定的应用价值。
基于4k分辨率小型投影机的鱼眼镜头设计
刘宵婵, 陈琛, 单宏, 刘红军, 高松, 宋涛, 李维善, 张禹
2020, 41(5): 1060-1066. doi: 10.5768/JAO202041.0505002
摘要:
基于一款4k分辨率小型投影机,设计了一种低成本、易加工的小口径高分辨率鱼眼投影镜头。通过合理选型、分配光焦度、设置光栏位置、调整镜片形状、材料优选及匹配等途径,在镜片数量较少的情况下对像差进行了充分的校正。该镜头仅由9片透镜组成,视场角为175°,F#为2.2,后工作距达到39.8 mm,在奈奎斯特频率131 lp/mm处,1.0视场MTF值达到0.3,其余视场MTF值均达到0.43以上,满足了该机型的使用需求。对镜头的各项公差进行了蒙特卡罗分析,结果表明,公差均在常规可加工的范围内,适合于批量加工和装配。
红外技术
外场使用红外靶标系统的设计
夏天元, 帅宏进, 邱亚峰
2020, 41(5): 1067-1073. doi: 10.5768/JAO202041.0506001
摘要:
为了实现在外场对红外探测器进行最小可分辨温差(MRTD)测试,对MRTD的原理及过程进行了阐述,结合过去常用的技术手段,设计了一套用于外场的红外靶标系统。利用面源黑体作为被测目标源,降低了控制难度;采用旋转靶轮的方式切换不同的空间频率,减小了面源黑体的尺寸;利用二维调节机构实现目标靶方位角与俯仰角的手动调节。红外靶标系统可实现5 ℃~100 ℃的温度变化,靶面温度不均匀性小于1 ℃,可提供12组不同空间频率的MRTD测试靶标。经过有限元分析表明:整个系统稳定性好,可以满足外场MRTD测试的需要。
红外目标模拟系统DMD成像非均匀性分析及校正
苏渝阳, 王治乐, 陆敏, 邹伟
2020, 41(5): 1074-1081. doi: 10.5768/JAO202041.0506002
摘要:
基于数字微镜阵列(DMD)的红外目标模拟系统具有高分辨率、高帧率和大温度范围等优点,能够经济、有效地检测和评估红外探测系统的工作性能。为了研究基于DMD的红外目标模拟系统中照明系统的结构设计对成像均匀性的影响并减小像面照度不均匀性,提出了一种消除成像不均匀的方法,对DMD照明系统的结构参数进行了分析和设计,以成像光束截面积之比作为相对照度指标,建立了数学模型,用软件进行数值仿真,得到了能消除因渐晕导致的照度不均匀现象的结构参数和像面各点相对照度分布在88.75%~1;并用TracePro验证了理论分析的结果,得到像面各点相对照度分布在90.91%~1,与理论分析结果相符,证明了在DMD照明系统结构参数设计合理的情况下,该方法可以有效降低因渐晕导致的像面照度不均匀性,为红外目标模拟系统结构参数的设计和像面照度分析提供了参考。
胶质红外量子点薄膜入射角对荧光特性的影响分析
赵康, 耿蕊, 杨明庆, 陈青山
2020, 41(5): 1082-1088. doi: 10.5768/JAO202041.0506003
摘要:
胶质红外量子点优异的光学性能使其荧光特性具有广泛的应用前景,在实际应用中通常需要封装成薄膜形态以保持稳定的荧光特性。然而,分散形式的改变可能会导致量子点荧光效率降低以及荧光角度特性变化。因此,建立了红外量子点荧光强度探测系统,对胶质红外量子点薄膜在不同角度激发光入射时产生的荧光分布情况进行研究。实验及分析结果表明,激发光与样品表面夹角大小在10°~170°之间的较大范围内入射时,在反射及透射荧光区域均可探测到荧光峰值强度70%~80%以上的荧光出射,在这一范围内的反射荧光与透射荧光强度差异和荧光强度随激发光入射角度的变化规律分别与样品中量子点的浓度以及分布形态有关。同时,随着入射激光能量的增强,样品出射荧光强度对于入射角度变化的“平坦”范围进一步扩大。
基于嵌入式GPU的红外弱小目标检测算法
范鹏程, 张卫国, 刘万刚, 张卫, 黄维东, 刘国栋, 徐晓枫
2020, 41(5): 1089-1095. doi: 10.5768/JAO202041.0506004
摘要:
红外弱小目标的目标像素少,目标对比度低,成像帧率高,图像数据量大,检测实时性强。针对红外弱小目标检测算法适合于GPU并行计算的特点,对其在嵌入式GPU平台Jetson TX2上进行了并行优化实现。在检测算法设计、内存访问、调试优化3个方面进行了优化设计。实验结果表明,对640×480像素分辨率的红外视频,并行优化后的目标检测算法能够在10 ms内完成计算,满足实时处理需求。
激光技术
LDA侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器模拟与实验研究
边圣伟, 邱基斯, 唐熊忻, 陈巧, 葛文琦, 刘昊, 王昊成, 刘悦亮, 陈艳中, 樊仲维
2020, 41(5): 1096-1107. doi: 10.5768/JAO202041.0507001
摘要:
介绍了一种激光二极管叠阵(LDA)侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器构型,采用三维光线追迹方法进行了详细的模拟仿真,优化设计了此放大器系统的泵浦耦合结构,主要研究了多边形增益介质的掺杂离子浓度与侧面切角对介质内部泵浦光分布的影响。在晶体厚度1.5 mm、端面口径16 mm的条件下,侧面切角在35°~65°,Nd3+掺杂浓度为0.20 at.%~0.30 at.%时,模拟仿真中Nd:YAG多边形薄片对泵浦光的吸收分布较均匀,泵浦光分布均匀性均优于0.1,同时在实验中得到了平顶的荧光分布和增益分布。介质内储能的均匀平顶分布有利于实现高功率高光束质量的激光输出,为侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光器系统的设计与进一步实验提供了重要参考。
飞秒激光光斑灰度与几何特征的相关性分析
王福斌, 孙志林, 王尚政
2020, 41(5): 1108-1116. doi: 10.5768/JAO202041.0507002
摘要:
飞秒激光烧蚀单晶硅的加工过程中,CCD相机采集的光斑图像中有效灰度区域与背景难以区分。为了解决这一问题,提出一种主成分分析与限制对比度自适应直方图均衡化相结合的方法,对光斑图像进行增强处理,再提出去趋势互相关分析法对光斑序列图像的灰度特征与几何特征进行长程相关性分析。结果表明,光斑序列图像的灰度特征与光斑纹理对比度、光斑面积具有较强的长程相关性,与纹理同质性表现出较强的反相关关系,可根据这3项与灰度特征较强的相关关系对后续微槽加工过程中的灰度特征进行预测。
基于激光感生电压技术的咖啡粉粒径检测
刘学聪, 苗昕扬, 詹洪磊, 朱明达, 张善哲, 赵昆
2020, 41(5): 1117-1121. doi: 10.5768/JAO202041.0507003
摘要:
咖啡颗粒的大小直接影响着成品咖啡的品质,高效辨别出咖啡粉粒径大小对咖啡品质的鉴别尤其重要。在89 μm~140 μm粒径范围内,利用激光感生电压(laser-induced voltage,LIV)技术对不同粒径的云南小颗粒咖啡粉进行检测,不同粒径咖啡粉展现出不同的LIV响应,其信号幅值、响应时间、半高宽等参数均存在明显差异。随咖啡粉粒径逐渐增大,其LIV信号幅值(Vp)呈先减小后增大的趋势,当粒径为104 μm~107 μm时Vp最小。此外,LIV信号波形的响应时间及半高宽分别与咖啡粉末粒径之间呈正、负相关变化规律。结果表明,激光感生电压技术对咖啡粉粒径的变化较为敏感,有望成为检验咖啡粉粒径的有效检测手段。
光纤传感与光通信
空心微瓶谐振腔的曲率模型及其传输特性研究
侯峰裕, 王梓杰, 余洋, 孙航, 杨勇, 张小贝
2020, 41(5): 1122-1128. doi: 10.5768/JAO202041.0508001
摘要:
提出了有关空心微瓶谐振腔的曲率变化模型并且研究了曲率对其传输特性的影响。仿真分析了微瓶谐振腔内回音壁模式的分布情况,随着曲率的增加,微瓶谐振腔对回音壁模式的束缚能力越强,使得内部光场能量也相应增加。通过控制熔接机的放电次数制得不同曲率的空心微瓶谐振腔,并且根据理想气体状态方程,推导了制备工艺中曲率模型,研究了空心微瓶谐振腔的曲率随放电次数的变化趋势。实验结果表明,曲率越大的空心微瓶谐振腔品质因子越高,可达到7.26×105,该结论在提升谐振腔的品质因子方面具有重要价值。
基于拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗应变传感器的仿真研究
郝子鉴, 卜胜利, 李用希, 李迪辉, 韩仲学
2020, 41(5): 1129-1136. doi: 10.5768/JAO202041.0508002
摘要:
为解决干涉型光纤应变传感器自由光谱范围较小或干涉条纹精细度较低等问题,提出了一种基于单拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗腔的应变传感结构及其改进方案。利用啁啾光纤布拉格光栅不同位置反射不同波长的特性,形成腔长随波长连续变化的法布里-珀罗腔,得到了无穷大的自由光谱范围且谐振谷精细度高。数值计算结果表明,应变传感灵敏度与拉锥光纤的腰区直径和栅区长度正相关。在0~300 με范围内,当腰区直径为光纤直径的3/25,栅区长度为30 mm时,应变传感灵敏度为7.05 pm/με。该结果对其他干涉型传感结构的设计具有一定的参考价值。