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2021年  第42卷  第2期

2021-02期目录
2021, (2): 1-6.
摘要:
光电系统与工程
菱形HSLDS隔振器负刚度机构质量及摩擦力影响分析
袁屹杰, 纪明, 张卫国, 伊兴国, 王毅, 施道云
2021, 42(2): 207-214. doi: 10.5768/JAO202142.0201001
摘要:
以菱形负刚度机构HSLDS(high static low dynamic stiffness)隔振器(简称菱形HSLDS隔振器)为研究目标,采用虚功法建立负刚度机构等效摩擦力模型,并以拉格朗日方法建立包含负刚度机构质量及摩擦力因素的动力学方程;利用谐波平衡法(HBM)求解动力学方程,分析了负刚度机构质量及摩擦力对隔振的影响及其优化措施,并通过实物样机验证了理论模型的合理性。实验结果表明:负刚度机构质量及摩擦力对隔振均产生不利影响,应尽量减小;将负刚度机构连杆较短侧连接于载荷平台端,可以减小负刚度机构质量对较高频段隔振性能的影响;在限定隔振器刚度参数以及铰接副接触参数且同时满足刚度与摩擦力优化条件下,通过增大连杆机构杆长差的方式可以优化低频段隔振性能,并降低负刚度机构摩擦力对高频段隔振的影响。
大型矩形准直镜柔性支撑系统的多目标优化设计和稳定性分析
彭元镜, 许明明, 陈忆, 胡中文, 季杭馨, 王磊
2021, 42(2): 215-222. doi: 10.5768/JAO202142.0201002
摘要:
针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统,即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计,并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm,RMS值为30.306 nm,质量为229.21 kg,满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃~23.7 ℃内,不会对准直镜性能产生影响;此外,地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明:准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题,设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解,这将大幅度降低开发成本和周期。
高清针孔镜头光学系统设计
孙彦超, 罗锐, 梁秀玲
2021, 42(2): 223-228. doi: 10.5768/JAO202142.0201003
摘要:
安防监控镜头在保护人身及财产安全方面越来越重要,其中针孔镜头因其特殊的结构而被广泛运用。利用ZEMAX软件设计了一款用于公安取证,侦察,反恐及高温炉、工业检测等特殊场合的针孔镜头。针对光阑前置这种失对称的光学系统,通过控制其像散、场曲、畸变等几何像差进行优化设计。设计的镜头F数为2,焦距为6 mm,匹配1/4英寸CCD,工作光谱为可见光波段,空间频率100 lp/mm处全视场MTF≥0.48,畸变≤±3%。该设计结构简单,全部采用标准球面设计,光学总长小于22 mm。
一种工作于长波红外波段的40×成像物镜设计
李锦程, 谢洪波, 杨磊, 陈卉, 孙毅轩
2021, 42(2): 229-235. doi: 10.5768/JAO202142.0201004
摘要:
为了同时满足热成像领域高分辨率与大探测范围的应用需求,基于机械正组补偿变焦理论,以一款长焦物镜为原型并采用浮动光阑结构,设计了一款高分辨率、高倍率的长波红外成像系统。系统的F数为1.2,变倍比为40×,焦距变化范围为5.86 mm~234.76 mm,无热化温度范围为−40 ℃~60 ℃,适配像元尺寸为12 μm的长波红外焦平面探测器。
光束斜入射的折反射组合光学系统的像差计算
赵小楠, 吕丽军
2021, 42(2): 236-241. doi: 10.5768/JAO202142.0201005
摘要:
基于平面对称光栅反射镜系统的像差理论,根据光学元件材料折射率对成像光束波像差进行修正,将像差理论扩展到平面对称折射光学系统,使得该理论可应用于光束斜入射的折反射组合光学系统的像差计算;指出在折反射组合光学系统中考虑物像方空间折射率的关系,以及入射角方向的定义,使得波像差的计算表达式保持统一;应用扩展后的像差理论对折反射椭球镜面形检测光学系统进行像差分析计算,并与Zemax光线追迹结果进行对比,验证波像差理论的有效性。该像差理论为光束斜入射的折反射组合光学系统的设计、像质评价及优化提供了有效的分析手段。
硅基光学相控阵性能评估方法
张耀元, 王锐, 姜瑞韬, 杜坤阳, 李远洋
2021, 42(2): 242-246. doi: 10.5768/JAO202142.0201006
摘要:
针对典型光学相控阵,建立了一套硅基光学相控阵芯片性能评估方法,为光学相控阵优化设计提供可靠的数据支撑。通过设计傅里叶成像系统对光学相控阵进行动态成像,能够实现对近场远场成像的同步观察。在该基础上设计校准方案对相控阵初始相位进行校准优化,同时对扫描速度、角度和精度等特性参数进行了从理论推导和仿真到测试系统结构设计的整体分析。
多基准轴透射式系统装调方法
杜国军, 王春雨, 欧宗耀, 王聪, 胡斌
2021, 42(2): 247-254. doi: 10.5768/JAO202142.0201007
摘要:
星载光谱仪可获取空间连续分布的光谱数据,广泛应用于陆地植被和海洋环境探测。为了校正系统的畸变,采用离轴透射式成像透镜设计,系统存在3个光轴,光轴之间夹角达到0.606°,偏心量达到0.279 mm,传统的装调方法不能解决此问题。利用计算机辅助装调技术得出系统的敏感度分析结果,提出了一种新型多基准轴定心装调方法。通过结构预置偏心和倾斜的方法构建基准轴,采用光学平板实现基准轴引出,将复杂的多光轴系统装调分解成单光轴子系统装调,完成了光谱仪多光轴透射系统装调。测试结果表明:透镜偏心误差小于25.4 μm,倾斜误差小于17.7″,畸变装调结果和理论值偏差小于0.32 μm,为离轴折射镜头的装调提供了一种新的思路。
光电信息获取与处理
基于45°反射导光镜的圆孔内壁图像检测方法研究
史玙菲, 陈欣, 陈继刚
2021, 42(2): 255-261. doi: 10.5768/JAO202142.0202001
摘要:
圆孔工件广泛应用于航空航天等精密制造领域,快速准确地对圆孔内壁图像进行检测是保证工件质量的重要手段。介绍了一种基于45°反射导光镜的圆孔工件内壁图像检测方法,该方法通过将反射镜伸入工件内部获取内壁局部图像,采用连续旋转工件与图像拼接方式获得内壁的完整图像。针对4.5 mm内径的工件设计并制作了一种45°反射镜,理论分析了有效成像区域以及平移和倾斜误差造成的影响。搭建了圆孔工件内壁检测装置,设计并制作了一种专用标定工件,实现了检测装置像素当量的标定。实验结果表明,检测装置的系统像素当量约为5 μm,测量相对误差小于3.5%。单幅图像的有效成像区域得到明显提高,通过拼接方法获得了工件内壁的完整图像。
基于离轴数字全息改善散斑自相关重建效果
李聪, 徐昭, 陈洁, 倪洋, 周昕
2021, 42(2): 262-267. doi: 10.5768/JAO202142.0202002
摘要:
针对在成像物体没有超出散射介质记忆效应范围的情况下,提出一种结合数字离轴全息术减少散射介质成像中散斑自相关噪声的方法。当成像目标经过散射介质时,使用自相关技术结合相位恢复算法能够从散斑中重建成像目标。但在实际成像的过程中,为了有效抑制环境噪声和热噪声等对重建效果的影响,设计利用离轴全息中的相移法消除噪声项中静态噪声项的干扰,再利用散斑自相关与相位恢复算法重建去噪后效果更好的成像目标。采用结构相似度对重建效果进行定量评估,仿真结果表明对于给出的成像目标,去噪前后的结构相似度从0.8796提高到0.9875,验证了该方法的有效性。说明所提出的方法能够改善散斑自相关法重建效果。
基于卷积神经网络的蛋胚活性精准检测方法研究
郭盟, 董新明, 韩广, 王慧泉, 王忠强, 赵喆
2021, 42(2): 268-275. doi: 10.5768/JAO202142.0202003
摘要:
孵化的蛋胚是生产禽流感疫苗的载体,蛋胚的活性检测是疫苗生产中的关键环节,通过光电容积脉搏法检测蛋胚活性是提高蛋胚活性检测准确率的关键。为了提高蛋胚活性检测效率和检测准确率,采用滑动功率谱方法(PSD)将蛋胚脉搏波可视化,基于卷积神经网络对蛋胚活性进行精准分类。实验结果显示,采用卷积神经网络对单个蛋胚信号的计算时间仅为12.6 ms,与人工检测方法相比,检测效率提高近200倍。可视化后的蛋胚脉搏波的卷积神经网络分类准确率可达94.14%,其中活胚、死胚和弱胚的真阳率分别为99.74%、93.73%、84.39%。基于卷积神经网络的蛋胚活性分类模型,可在大规模生产中精准地辨识蛋胚活性,对疫苗生产过程具有重要的应用价值。
批量高速二维码视觉检测识别系统
李建刚, 黄诗浩, 郑启强, 杨鑫, 黄靖, 周伯乐
2021, 42(2): 276-282. doi: 10.5768/JAO202142.0202004
摘要:
针对工业实际项目提出一种高效、准确的二维码识别方法,并开发了基于机器视觉的二维码高速、批量识别系统。首先根据被测二维码在目标子空间内的位置,提出利用几何关系定位每个二维码感兴趣区域并批量处理二维码的方法。在此基础上,采用添加高斯噪声的方式模拟生产实际中可能产生的噪声,评估系统抗噪能力。最后分析系统识别率与二维码运动速度的关系并比较实验结果。通过实验验证,在1800张的测试数据集中,二维码移动速度在296.8 mm/s情况下,无噪声图像中每个二维码定位识别平均时间为17.8 ms,有噪声图像为21.3 ms,识别率均为100%,该系统满足实时在线检测需求。
基于加权块稀疏联合非凸低秩约束的高光谱图像去条带方法
袁宇丽, 吕俊瑞, 罗学刚
2021, 42(2): 283-291. doi: 10.5768/JAO202142.0202005
摘要:
针对高光谱图像(hyperspectral images, HSI)去条带易引起影像结构细节丢失问题,提出一种基于加权块稀疏(weighted block sparsity, WBS)正则化联合最小最大非凸惩罚(minimax concave penalty, MCP)约束的HSI去条带方法。本算法采用加权2, 1范数和MCP范数对条带稀疏结构和低秩约束,1范数对干净图像结构保持正则化约束,构建加权块稀疏和MCP约束的条带去除模型,采用交替方向乘子(alternating direction method of multipliers, ADMM)算法迭代求解对应模型,重建获得干净的HSI图像。实验结果表明,提出方法在实际HSI的平均等效视数从28.45提高到83.47,边缘保持指数较其他算法至少增加0.056,特别是对于非周期条带噪声,采用自适应权值更新稀疏水平,增强了组稀疏性,在保持影像边缘和加强区域平滑性方面性能更佳,去噪声效果更好。
光学计量与测试
目标辐射特性现场校准用大面积黑体辐射源技术研究
李超, 张玉国, 刘保炜, 曹静, 郭亚玭, 王加朋
2021, 42(2): 292-298. doi: 10.5768/JAO202142.0203001
摘要:
红外成像技术在空间探测、对地观测、安防监控等领域的应用越来越广,为了确保红外目标识别的准确性,必须掌握目标的辐射特性。目标辐射特性需要在外场实际条件下测量得到,需要利用大面积黑体辐射源对目标特性测量设备进行现场辐射参数校准。设计了一种大面积黑体辐射源,辐射体采用铝材质并发黑处理,大面积黑体辐射源温度控制采用PID控制算法。在外场实际环境温度为26.8 ℃,湿度为60%时对目标特性测量设备辐射参数进行了校准。试验数据表明:辐射温度测量不确定度为0.4 ℃(k=2),取得了较好的应用效果。
激光跟踪仪检测大口径非球面方法研究
陈佳夷, 王聪, 霍腾飞, 程德级
2021, 42(2): 299-303. doi: 10.5768/JAO202142.0203002
摘要:
大口径非球面反射镜研磨阶段,在准确测试几何参数的同时,面形也要达到一定的精度要求。利用数值模拟测试过程的方式,评估了使用三坐标测量仪和激光跟踪仪轮廓检测几何参数及面形的精度。针对2 m口径抛物镜的检测指标要求,提出了一种有效的轮廓检测方法。使用4台激光跟踪仪搭建了多边测量系统,采用Levenberg_Marquardt算法进行系统标定,利用新型靶球实现多台跟踪仪对镜面点的同步快速采集,对测试数据进行平差和坐标系转换处理,最终获取几何参数和面形。2 m口径抛物镜研磨完成后进行了测试,顶点曲率半径、非球面系数、面形rms的误差分别为0.16 mm、0.000 6、1.06 μm。
基于光学相干测振系统的微悬臂梁缺陷检测
贾美英, 钟舜聪, 周宁, 林杰文, 张秋坤
2021, 42(2): 304-309. doi: 10.5768/JAO202142.0203003
摘要:
提出了基于光学相干测振(optical coherence vibrometer, OCV)系统的微悬臂梁缺陷检测方法。自搭建的OCV系统最大振动位移量程、最大振动频率分别为2.574 mm和138.5 kHz,应用该系统对含缺陷微悬臂梁-附加质量块耦合结构进行振动测量获得其固有频率,并利用附加质量块对固有频率的影响特性实现了对缺陷的定位。在对系统采集到的干涉光谱信号处理的过程中,采用FFT(fast Fourier transform, FFT)+ FT(Fourier transform, FT)细化频谱校正算法进行误差校正,精度可提高1 000倍以上,使系统实现纳米量级的位移测量。实验结果表明,该方法能够有效识别微悬臂梁的缺陷位置,为微小型结构的缺陷检测提供了一种新的方法,同时拓展了光学相干测振技术在工程结构无损检测的应用。
可用于现场快速检测的小型化多通道光谱测量系统
简丹, 刘诚
2021, 42(2): 310-316. doi: 10.5768/JAO202142.0203004
摘要:
现有商用光谱仪虽然能够以极高的光谱分辨率对目标物进行测量与分析,但是存在系统复杂、体积庞大和价格昂贵等缺点,难以满足现场检测等应用需求。为了解决该问题,提出了可用于现场快速检测的小型化多通道光谱测量系统。相较于传统光谱仪,提出的小型化多通道光谱测量系统不仅结构紧凑而且光谱分辨率高;另外,多通道设计可以用于同时检测多个样品从而进一步提高测量效率。通过对罗丹明6G和禽流感病毒抗体的检测,证明该小型化多通道光谱测量系统可以实现各类目标物的准确定量测量。由于该小型化多通道光谱测量系统具有灵敏度好、分辨率高、体积小等优点,因此其有望应用于现场快速光谱检测应用中。
基于傅里叶变换的细胞牵引力测量研究
温娜, 张帆
2021, 42(2): 317-326. doi: 10.5768/JAO202142.0203005
摘要:
为了更快、更直观地进行细胞牵引力的测量,提出了一种基于傅里叶变换的细胞牵引力测量方法。首先,对微柱阵列的像进行二维快速傅里叶变换得到其空间频谱;其次,选取一级衍射斑点中的一个斑点做快速傅里叶逆变换,得到微柱阵列的幅值分布图;最后,由幅值突变的分布情况及突变的剧烈程度得到微柱阵列偏移量的分布情况,再乘微柱刚度即可得到细胞力的分布。通过仿真实验探究了频点选择、滤波窗口大小、偏移点大小对实验结果的影响,在此基础上对细胞-微柱高倍显微图进行了测量。实验结果表明,该方法在结果呈现方面不亚于质心法,测得的各区域最大细胞力的相对误差在17.37%之内,各区域平均细胞力的相对误差在7.93%之内,运算速度也比质心法快近10倍。
基于规范化样本拆分的轴承缺陷检测
徐建桥, 吴俊, 陈向成, 吴丹超, 李兵
2021, 42(2): 327-333. doi: 10.5768/JAO202142.0203006
摘要:
表面缺陷对轴承的性能和寿命存在严重影响。近年来,深度学习在缺陷检测中发挥了重要的作用,然而对于轴承检测而言,缺陷样本的采集耗时耗力。选择轴承内径作为研究对象,根据轴承的对称性特性提出一种规范化样本拆分方法,可有效扩充轴承样本数据集。分别采用不同的样本处理方法,而后利用ResNet网络训练轴承缺陷检测模型,进行多组对比实验,实验结果表明:直接采用原始图像进行网络训练,检测效果较差,模型的AUC (area under the curve)仅为0.558 0;对原始图像进行样本拆分,训练出的模型检测效果有所提升,其模型AUC提升为0.632 6;将原始图像进行4点透视变换校正后再进行网络训练,检测效果同样有所提升,其模型AUC提升为0.661 3;将原始图像进行透视变换校正且规范化样本拆分后,检测效果最好,其模型AUC增加为0.849 6。
光学器件与制造
离轴反射式平行光管设计及次镜检验方案研究
孙永雪, 夏振涛, 王珂, 姜守望, 陈刚义, 范嵘, 李涛
2021, 42(2): 334-338. doi: 10.5768/JAO202142.0205001
摘要:
平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备。设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5 000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62 λ,边缘视场波像差设计值达到1/21 λ。对该平行光管次镜检验方案进行了研究,提出了一种简单可靠的凸双曲面次镜正面检验方案。
液体透镜的透射波前特性研究
卢佳玮, 袁道成, 刘乾
2021, 42(2): 339-345. doi: 10.5768/JAO202142.0205002
摘要:
液体透镜是一种新型光学元件,通过改变表面曲率而调整光焦度。液体透镜的透射波前质量会影响成像质量,将液体透镜应用于精密光学系统需要探明其透射波前变化特性。通过理论和仿真分析液体透镜通光孔径内不同高度入射光线的光程差随曲率半径的变化,以及光程差对光焦度的敏感性,以此研究光瞳空间内光程差微变的一致性。分别测量液体透镜在零、正、负光焦度下的透射波前,通过分析实验数据验证液体透镜的光程差微变的一致性。实验结果表明:光程差微变的空间最大差异约为0.22λ~0.36λ,空间分布离散程度约为0.01λ~0.02λ,得出液体透镜随电流微变产生的光程差微变一致性较好,为液体透镜在精密光学系统中的应用和像差补偿提供了技术支撑。
大长径比皮料玻璃管加工工艺研究及应用
苏德坦, 孙建宁, 陈晓倩, 毛汉祺, 韩晓明, 杨光, 肖杰, 张正君, 赵慧民
2021, 42(2): 346-351. doi: 10.5768/JAO202142.0205003
摘要:
为满足高增益、低噪声微通道板要求的大长径比皮料玻璃管,采用精密机械整形冷加工工艺提高皮料管的几何均匀性,实现微通道板的性能提升。通过改善机床加工误差、对刀误差以及设计合适的机动夹紧机构可有效控制皮料管内圆精磨加工精度。对磨头转速、背吃刀量、轴向进刀速度及金刚砂磨头粒度4个水平因子开展L16正交试验,得出背吃刀量是影响皮料管内圆精磨加工表面质量的主要因素。选择合适的抛光工艺及工装夹具,最终将皮料管的尺寸变化量控制在1%以内,表面粗糙度Ra值有效控制在0.02 μm。通过Φ25 /6型微通道板制板试验,结果表明:减小皮料管的几何尺寸偏差在一定程度上提高了微通道板阵列一致性、开口面积比一致性,以及增益均匀性,对制造高性能微通道板有较好的借鉴作用。
基于多目标人工鱼群算法的光疗LED照度优化研究
唐清垚, 吴燃, 纪佳佳, 刘峻源, 李章勇
2021, 42(2): 352-359. doi: 10.5768/JAO202142.0205004
摘要:
提高发光二极管(light emitting diode,LED)组成的光疗光源在照射平面上的照度均匀分布水平,对于光疗设备发展具有重要的价值。提出了一种基于多目标人工鱼群算法的光疗LED光源的照度优化方法。设计了2种不同组合模式的光疗LED光源阵列。结合多目标人工鱼群算法对光疗LED光源阵列组合数据进行优化,使光疗LED光源阵列的照度分布更加均匀。将优化设计后的光疗LED 光源芯片组合数据,导入光学仿真软件TracePro实现仿真验证,得到经优化的圆形光源排列的照度均匀程度较未优化圆形光源排列提升0.104,矩形光源排列的照度均匀程度较未优化矩形光源排列提升0.148。对比分析最终数据,验证了该优化方法是可行的,可以提高光疗LED光源的照度分布水平。
光纤传感与光通信
加速度场下陀螺光纤环形变的影响分析
王斌华, 黄迟航, 胡桥, 孔军, 陈平
2021, 42(2): 360-370. doi: 10.5768/JAO202142.0208001
摘要:
通过航天器大机动时直线加速场下陀螺光纤环的有限元分析,得出光纤环在加速场下的形变机理。基于各向异性复合材料理论,采用细观力学有限元方法,对光纤环代表性体积单元施加周期边界条件,分析得出光纤环的等效材料参数。再利用有限元程序ANSYS建立光纤环组件的空间有限元模型,施加加速度场,并建立接触单元分析形变过程中的结构接触耦合影响。分析结果表明:在加速场的作用下,光纤环形变的主要原因包括光纤环组件中的U型槽和顶盖形变后与光纤环的接触耦合作用,以及U型槽和顶盖结构的形变引起光纤环和光纤环本体结构的形变。
基于PDMS薄膜的等离子体光栅仿真分析
陈壮壮, 王志斌, 李克武, 吴笑男
2021, 42(2): 371-376. doi: 10.5768/JAO202142.0208002
摘要:
为了实现对等离子体光栅共振波长的测量,研究光栅参数对应力的响应敏感程度,提出了一种新型的应力敏感型聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜等离子体光栅。基于时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法的原理,构造了一种结构仿真模型,即周期性等离子体光栅模型。借助周期边界条件,通过对光栅施加应力,改变等离子体光栅参数(即周期、占空比及Au膜厚度)来实现共振波长的测量,研究光栅参数对应力的响应敏感程度。最后将仿真结果与理论数值作对比,并得出相对误差大小。仿真结果表明,当光栅周期p=0.7 μm,占空比f=55%,金膜厚度b=0.02 μm时,对应力的响应最敏感。其次,将仿真所得不同周期时的共振波长与理论值相比较,可知二者结果相吻合;周期为0.7 μm时,共振峰的波长为1.251 μm,仿真结果与理论数值比较得到,其相对误差都不超过2%,结果较为准确。此方法在单色仪、光谱仪和传感等领域中具有重要作用。