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2008年  第29卷  第2期

微光技术
酸蚀对微通道板电性能的影响
孙忠文, 黄永刚, 贾金升, 黄英, 刘淑慈, 刘辉, 李国恩
2008, 29(2): 161-165.
摘要:
采用扫描电镜(SEM)、卢瑟福背散射谱(RBS)、原子力显微镜(AFM)、能量色散谱仪(EDS)、照度计、微通道板测试台等分析表征手段,从微通道板皮料玻璃表面的成分、形貌和结构上,研究了酸蚀时间对微通道板电子增益、体电阻、噪声电流和电子图像等电性能的影响。研究结果表明:酸蚀时间显著影响微通道板的电性能,经酸蚀120min后微通道板的电子增益和图像亮度达到最高值;随着酸蚀时间的增加,噪声电流相应增加,而体电阻降至一定值后保持相对的稳定。
背照明电子倍增CCD与景物反射光谱匹配系数的研究
张灿林, 陈钱
2008, 29(2): 166-169.
摘要:
根据光谱匹配系数表达式,计算了2种背照明电子倍增CCD(EMCCD)与暗绿色涂层、粗糙混凝土和绿色草木在晴朗星光和满月光条件下的光谱匹配系数并加以比较。其中具有红色增透膜的EMCCD在晴朗星光下与这些景物反射辐射光谱的匹配系数分别为0.4555,0.4298和0.3685,在满月光下为0.7290,0.7194和0.6294;具有蓝色增透膜的EMCCD,匹配系数值相应为0.4233,0.3910,0.3180及0.7832,0.7448,0.5816。
扫描型热像系统均匀性校正方法研究
张勇, 白桂明, 朱辉
2008, 29(2): 170-173.
摘要:
随着热像系统时域噪声等效温差(NETD)的不断下降,残余固定图形噪声(RFPN)的不稳定性成为制约系统性能,特别是制约系统识别能力的一个关键因素。通过分析热像系统响应非均匀性产生的机理,介绍一种扫描型热像系统获得场景平均辐照度点的方法,实现了以场景平均辐照度点为校正基准点的动态校正。采用该方法研制的热像系统在(0~50)℃场景动态范围内可使系统的RFPN小于15mK。通过样机冬、夏两季外场试验以及各种环境试验,验证了该校正方法在热像系统温度发生变化以及场景辐照度发生变化时具有良好的适应性。
基于ANSYS的红外光学系统的有限元分析
李玉涛, 屈孝池, 张天孝
2008, 29(2): 174-177.
摘要:
红外光学系统作为空-空导弹的重要有机组成部分,要经历复杂的动力学环境。采用有限元分析方法对红外光学系统结构在工作状态下的变形、应力及固有频率进行了全面分析。验证了光学系统的结构是否满足光学像质要求和刚度要求,确定了面形变化的显著区域,并专门对其中的关键结构进行了详细分析,进而提出结构优化的途径。该方法对光学系统结构设计和分析具有现实意义,有助于进一步分析研究光学系统结构动力学。
光电工程
光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器中的SBS
李振, 饶炯辉, 李海飞
2008, 29(2): 178-182.
摘要:
光纤水听器是利用光的干涉信号进行探测的,但随着入射光功率的增加,易发生受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)效应,并因而产生噪声,限制入射光功率的增加,极大地影响探测信号。为了抑制SBS效应,提高光纤水听器性能,以Michelson型光纤水听器为例,从实验和理论上研究了SBS及其阈值特性。根据阈值公式分析了提高阈值的方法,着重讨论了光隔离器法对SBS的抑制。最后利用时域有限差分方法对光纤内的入射光、Stokes光和声波的时空分布进行了分析。只要给出初始条件及光纤参数即可得出光纤内各波的时空分布。通过开展抑制此效应的研究,不仅为可调谐相干光的产生提供一个新途径,而且可作为一种有效手段来研究各种光纤系统中的散射特性。
微束斑X射线源及X射线光学元件
王凯歌, 王雷, 牛憨笨
2008, 29(2): 183-191.
摘要:
高质量的X射线源,尤其高亮度的微纳束斑X射线源是现代X射线光学高清晰成像最为关键的部件之一,在工业无损探伤、生命科学、材料科学等科学研究和实际应用中具有重要的意义。简单介绍了微束斑X射线源的产生方法及发展历史,并对微束X射线光学涉及到的聚焦X射线光学元件(如X射线掠入射反射镜、布拉格法反射镜、多层膜反射镜、多层膜光栅、X射线波带片、毛细管聚焦透镜和复合折射透镜等)的主要特点作了简要的系统介绍。最后展望了微细束X射线在微纳检测与分析等方面的应用前景。
基于直线的射影不变性和极线约束标定摄像机参数
傅丹, 李立春, 徐一丹, 于起峰
2008, 29(2): 192-197.
摘要:
提出一种用图像对标定摄像机参数的新方法。传统自标定方法需要先由图像特征计算基础矩阵,该方法则是从图像中提取一组未知长度和长度比的平行直线,以图像中心坐标为主点初值,利用直线的射影不变性先求得摄像机焦距、旋转矩阵和平移向量的初值;再由图像对固有的极线约束来优化摄像机的参数,从而得到高精度的主点、焦距、旋转矩阵和平移向量。使用该方法对图像目标进行三维重建,仿真实验表明:该方法对场景要求较少,原理简单,方法易行,标定摄像机参数精度较高。
非视线散射大气光通信的光学天线
方靖岳, 张海良, 贾红辉, 邵铮铮, 常胜利, 杨俊才
2008, 29(2): 198-202.
摘要:
由于大气衰减的影响,非视线散射大气光通信需要使用光学天线以提高对光信号的采集能力,进而增加通信距离。针对非视线大气光通信的需求,利用ZEMAX软件对半球透镜、复合抛物面聚光器(CPC)和卡塞格伦望远镜等光学天线进行了性能分析。分析表明:半球透镜和CPC视场较大,增益值高。利用蒙特卡罗法模拟计算了一定条件下,非视线散射光通信在有无半球透镜或CPC作光学天线时到达探测元件的能量随通信距离的变化。结果表明:CPC聚光能力更强,适合作为非视线散射光通信的光学天线。
基于单片机的LD控制系统的设计
刘泊, 曹瑞明
2008, 29(2): 203-206.
摘要:
为了实现激光器稳定、可靠和准确的功率输出,介绍一种基于单片机实现半导体激光器功率高稳定的控制系统。该系统以MSP430单片机为核心,根据半导体激光器的工作原理,设计了受控恒流源、温度控制系统和光功率反馈系统等部分。此外,系统还具有激光功率的实时控制、显示和设置以及软开关和软保护等功能。功率稳定采用光功率反馈法,温度控制采用高精度PWM驱动的半导体制冷器。光功率稳定度优于0.25%。
不同光照条件下CCD相机时间噪声和空间噪声的研究
韩采芹, 李华, 朱顺一, 沈忙作
2008, 29(2): 207-210.
摘要:
在用CCD相机进行目标探测时,多数情况下目标的背景具有一定的照度,这个照度会对探测结果产生影响。为了了解背景对探测结果的影响,通过建立CCD相机三维噪声模型及其测试系统,在不同光照条件下对CCD相机的时间噪声和空间噪声进行了测量与分析。给出了测试系统的结构框图和部分测试结果,得到了对CCD输出质量产生主要影响的噪声以及时间噪声和空间噪声随光照度变化的规律。测试结果表明:随着CCD相机光敏面光照度的提高,空间噪声和时间噪声均升高,符合CCD相机的实际性能。
规范光学分数傅里叶变换下的光学传递函数
谭碧涛, 张新, 景春元, 尹少辉
2008, 29(2): 211-215.
摘要:
基于规范光学分数傅里叶变换,从光学传递函数概念出发,根据菲涅耳衍射、夫琅和费衍射定义,应用线性系统理论,分别给出了菲涅耳与夫琅和费衍射系统在规范分数傅里叶变换下的光学传递函数数学表达式。证明了其具有分数傅里叶变换的级联性,指出常规傅里叶变换下的光学传递函数为分数传递函数的特例。所得结果对光学分数傅里叶变换在信息处理、像质评价等方面的应用具有实用价值。
光学设计
Cassegrain激光发射系统的光路设计
毛红敏, 徐静, 甄胜来, 马玉芬, 俞本立
2008, 29(2): 216-219.
摘要:
为了提高激光探测系统激光的发射功率,在出射激光为基模的高斯光束的光路设计中,根据高斯光束经过光学系统的变换与传输特性,分析了系统采用Cassegrain望远镜时,其遮拦比以及入射光束束腰半径对光功率透过率的影响。通过具体的数值计算得出,随着遮拦比及入射光束束腰半径的增大,系统光功率透过率将减小,给出了望远镜遮拦比与发射孔径处光斑尺寸之间的最佳匹配关系,最后讨论了离焦误差(安装误差)为0.2mm时对出射光斑尺寸的影响。
基于水下反恐的微光成像系统
朱彩霞, 闫亚东, 沈满德, 何俊华
2008, 29(2): 220-224.
摘要:
介绍了一种水下反恐微光成像系统,并对其中的关键技术作了论述。根据海水的光学特性及微光成像环境,设计了具有针对性的水下专用镜头,彻底校正像差并消除了水介质的影响。采用大型力学分析软件ANSYS对系统水密舱进行了有限元分析,使系统的结构设计简单可靠。系统成功通过2006年青岛帆船赛的预演测试。试验证明:在300m的水压下系统稳定可靠,成像质量较高,能对危险物进行及时预警,达到水下反恐的目的。
抛物面反射镜光轴的确定
陈钦芳, 徐昌杰, 王青松
2008, 29(2): 225-229.
摘要:
介绍了一种确定抛物面反射镜光轴的新方法。当抛物面反射镜绕着机械旋转轴旋转时,利用2束平行光(一束与机械旋转轴平行的光和一束与机械旋转轴成一定角度的斜平行光)经抛物面反射镜反射的像点运动,调整抛物面反射镜的位置,使光轴与机械旋转轴重合。理论分析结果表明:其定轴的倾斜误差不大于1′,平移误差不大于5μm。该方法可用于抛物面反射镜检验,也可用于抛物面反射镜的调校工艺中。
微型光谱仪光学结构研究
王晗, 李水峰, 刘秀英
2008, 29(2): 230-233.
摘要:
光谱仪是光谱学和光谱技术中最基本的分析仪器之一,仪器的小型化对于扩展仪器使用范围有很大的帮助。设计一种微型可见光CCD摄像光谱仪的光学结构,通过理论计算,选用合适的光纤、平面定向光栅和凹面反射镜,并将它们合理组合,采用聚焦反射和分光的方法,将待测光进行色散,直接投射到CCD接收器件的表面。最后对设计的仪器性能进行了分析。结果表明:仪器的光学结构大大简化,整体尺寸减小,且精度有一定程度的提高。
光学系统折射率温度效应的模拟计算
罗传伟, 焦明印
2008, 29(2): 234-239.
摘要:
提出一种计算折射率温度效应的新方案。该方案通过拟合有限元热分析得到离散节点温度,在透镜中建立连续的温度场。在计算CODE V光线追迹时,自编子程序根据追迹点的温度和输入数据,实时计算并返回相对折射率及其梯度信息,使折射率温度效应导致的光程变化的计算更为准确。在计算时可以把波长、大气压、折射率温度系数等作为自定义参量,输入到子程序中,使相对折射率的计算更为灵活。最后对一个红外光学系统进行了计算误差分析,得到了像质的变化情况,验证了该方案的可行性。
激光技术
激活介质热效应对振荡模式的影响研究
唐映德, 王石语, 李兵斌, 文建国, 蔡德芳, 过振
2008, 29(2): 240-243.
摘要:
理论分析了激活介质热效应对端面泵浦固体激光器激光振荡模式分布的影响,并以光纤耦合半导体激光器端面泵浦Nd∶YAG激光器实验研究了激活介质热效应对激光振荡模式的影响。实验结果表明:由于热效应,基模的模体积随泵浦功率的增加而变大,基模在模式竞争中占优;在泵浦光轴线偏离几何腔轴时,基模光斑中心位置朝泵浦光轴线所在位置移动,偏离量与泵浦光轴线的偏离量近似成线性关系。利用实验结果指导腔调节,可使泵浦光轴线与几何腔轴精确重合,获得了椭圆率为0.98、M2因子为1.01的基模输出。
远程控制在大功率固体激光加工系统中的应用
雷訇, 岳焜
2008, 29(2): 244-247.
摘要:
针对目前大功率固体激光加工系统的特点,结合相关产品使用的网络构架,研制开发了一套基于Internet的远程监控系统。它是一种将网络技术与系统监控相结合,在异地通过Internet实时监控系统的运行状态,并为系统的故障诊断提供依据的技术。该系统具有高效性、准确性和实时性等特点。在设计方面采用了先进的软件构架,可以实时监控激光加工系统的操作情况和参数状态;查询激光加工系统的当前数据和历史数据,并对开放权限的数据进行修改;通过和用户在线沟通完成疑难问题的解答。
激光感应复合熔覆的稀释率分析模型及实验研究
黄永俊, 曾晓雁, 胡乾午, 周圣丰
2008, 29(2): 248-252.
摘要:
在分析计算感应加热温度模型和激光感应复合熔覆能量作用的基础上,推导出了激光感应复合熔覆稀释率的表达式,定量反映了稀释率与激光、感应能量、材料特性和工艺参数之间的关系,并且通过实验进行了验证。研究结果表明:复合熔覆的稀释率随激光功率的增加而增大,随送粉率的增加而减小,随扫描速度的增大而减小;在其他参数恒定,感应能量增加时,稀释率显著增大。该稀释率分析模型有助于复合熔覆加工中稀释率的控制,为复合熔覆工艺参数的优化设计和熔覆层的质量控制提供了理论基础。
扩束准直光学系统中光学元件失调对高斯光束传输变换的影响分析
周胜国, 沈学举
2008, 29(2): 253-256.
摘要:
基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 以高斯光束为激光束模型,推导了激光光束通过失调扩束准直光学系统的传输公式,分析了光学元件失调对扩束准直光学系统输出光束传输特性的影响,并在此基础上进行了仿真。实验结果表明,高斯光束通过失调扩束准直光学系统时,出射光束变为偏心高斯光束,光学元件失调程度越大,输出光束越偏离光轴,光束质量越差。在同样的失调下,长焦距光学元件对输出光束影响更大,因此在激光扩束准直光学系统中,调整长焦距光学元件更为重要。
高灵敏度激光吸收光谱中的微弱信号处理
孙义, 谈图, 高晓明
2008, 29(2): 257-261.
摘要:
可调谐二极管激光频率调制吸收光谱(FM-TDLAS)技术是一种高灵敏度的痕量气体检测方法。为改善以CH4为目标气体检测系统的信噪比,提高系统的检测灵敏度,以双平衡混频器(double balanced mixer)为核心,设计了一套用于提取被噪声淹没的微弱信号的调制解调高频相敏探测器。在对高频相敏探测器进行具体设计和分析的基础上, 结合实验,利用CH4气体在1653nm附近的近红外吸收光谱,对整体电路的性能进行了测试,获得了具有较高信噪比的二次和一次谐波信号,检测灵敏度可达10×10-6。
计量测试
飞机风挡玻璃光学角偏差测量的研究
林延东, 吕亮
2008, 29(2): 262-266.
摘要:
介绍一种新的测量飞机风挡玻璃光学角偏差的方法和全自动测量装置。与现行的角偏差自动测量方法相比,这种方法的物理意义清晰、样件被测量位置明确、测量结果准确度高。标靶采用针孔而不是十字叉丝或“L”形。采用钨灯和投射透镜产生准直白光,用CCD探测器作为光斑位置传感器在成像透镜的后焦面测量光斑位置的变化,从而可得光学角偏差。测量系统通过标准样品可溯源到国家角度基准。分析表明:测量系统的测量不确定度达到7.3″(k=2)。
船用烟火信号光强测试技术研究
何勇, 季波, 乌兰图雅, 王青
2008, 29(2): 267-270.
摘要:
救生信号弹是民用船只海上救生的必要设备,其质量的好坏直接关系到人身安全。根据照度距离平方反比定律,结合光电技术和计算机辅助技术,研究救生信号弹的信号光强测试,构建测试系统。通过编写的测试软件,将测得的信号直接输入计算机,并直观地显示结果。实现了简易、快速测量救生信号弹发光强度和遮光率的目的。实验证明:该系统稳定可靠,并且符合生产企业生产过程在线检测的需要。
扩展光源的时间和空间相干性效应分析
石友彬, 陈春雷, 黄振永, 王文华
2008, 29(2): 271-274.
摘要:
在干涉仪不同支路臂中分别加入透明光学层,将扩展光源入射到迈克尔逊干涉仪,观察光场的时间和空间相干现象,发现2种情况下出射光的时间和空间相干包络极值位置发生错位现象。论证了不同支路臂中的光学层可破坏干涉场中的光波相干特性,从而导致时间和空间相干性出现超前或滞后的空间位置互易效应。利用该效应,在2个入射光源条件下,可以得到一种测量光学样品的几何厚度和折射率的实验途径,并给出了相关的计算公式。
基于线阵CCD的运动板材边缘检测方法
李杰, 崔玉龙, 司维鹏, 王圆月, 金闻名
2008, 29(2): 275-278.
摘要:
研究了一种利用线阵CCD的图像快速采集功能对运动板材边缘进行检测的方法。该方案用平行光投射系统来照明,采用一片AVR单片机驱动CCD工作并对测量结果进行处理,有效地简化了硬件结构。介绍了一种CCD输出信号的处理电路及其二值化原理,并给出了系统硬件、软件设计方案。实验证明:该方案的测量精度可达到0.03mm,响应时间少于2ms。
CCD摄像系统镜头的畸变测量
郭羽, 杨红, 杨照金, 姜昌录, 于帅
2008, 29(2): 279-282.
摘要:
从畸变定义出发,讨论了畸变数学模型,介绍了精密测角法与比长法综合测量畸变的原理。通过放大率法标定出CCD探测器的像素距离当量,通过质心法求出点目标的质心,质心与原点的像素距离乘以像素距离当量得到精确长度。利用正切函数求出绝对畸变值,用最小二乘法解多组数据超定方程,求出拟和公式的系数。实际计算和数据处理结果表明:畸变数学模型在中视场范围内拟合效果很好。
基于生物视觉center-surround机制的光团目标检测与跟踪
李由, 张恒, 雷志辉
2008, 29(2): 283-288.
摘要:
基于生物视觉的center-surround机制,提出一种用改进的LoG(Laplacian of Gaussian)算子检测光团目标的方法。首先明确了光团目标的成像模型,分析了LoG算子的性质及其响应,接着提出了归一化的LoG算子。理论上指出该算子可用于检测光团目标。仿真和实验证明:该算子可以用于检测图像中已知大小和未知大小的光团目标,并且实用性优于其他常规方法。结合Kalman滤波和粒子滤波,该算子还可以用于序列图像中单目标和刚体的跟踪。理论推导和实验结果表明,该方法是稳健和高效的。
光学工艺
晶体光学零件的光胶工艺研究
苏瑛, 支西玲, 丛丽艳, 张云龙, 张付美, 刘选民
2008, 29(2): 289-292.
摘要:
以一直径为Φ20mm、平行度为10″的晶体锗窗口零件为例,介绍了晶体窗口零件加工中的关键技术。由于该零件直径小,平行差精度要求特别高,且为单晶锗材料,因此要高质高效地加工出符合技术指标的零件有相当的难度。在研究中摒弃了人们常说的晶体零件无法进行光胶的思想,大胆尝试“光胶”的方法,并结合工艺研究中经常出现的问题,有针对性地提出一套加工高精度晶体零件的控制措施。通过该措施的实施,能够很好地加工出高质高效的晶体窗口零件。实践证明:该方法适于批量加工;合格率高;能够满足设计的高精度需求。
溶胶-凝胶法制备SiO2-TiO2平板光波导工艺研究
李爱魁, 王泽敏, 刘家骏, 曾晓雁
2008, 29(2): 293-297.
摘要:
采用溶胶-凝胶法制备了SiO2-TiO2平板光波导,计算了平板光波导通光条件,分析了硅/钛溶胶-凝胶材料的热性能,观测了平板光波导的结构形貌,并测试了其通光损耗。结果表明:经过200℃,30 min干燥处理的凝胶薄膜呈疏松多孔状态,对于非对称平板波导,存在芯层通光截止厚度,而且当SiO2-TiO2芯层厚度为0.5 μm时,SiO2下包层厚度至少有6 μm才能防止1550 nm波长光泄露入单晶硅衬底中。制备的光波导对于1550 nm波长光传输损耗最小值为0.34 dB/cm。
用于拼接子镜相位误差检测的低相干光谱干涉系统分析
宋贺伦, 鲜浩, 李华强, 黄健, 李超宏, 姜文汉
2008, 29(2): 298-302.
摘要:
针对大口径望远镜拼接式主镜,提出一种基于迈克尔逊干涉原理的低相干光谱干涉检测系统。应用该系统对拼接子镜间相位失调误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布。子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取。给出了该低相干光谱干涉检测系统的具体结构,叙述了该干涉检测系统的检测原理。针对该系统的干涉条纹对比度V及系统的最低信噪比SNRdBmin进行了分析,论证了通过该低相干光谱干涉检测系统进行子镜间相位误差检测的可行性。
理论研究
基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究
于思源, 刘剑峰, 张光宇, 马晶, 谭立英
2008, 29(2): 298-302.
摘要:
基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明:采用可高度衰减激光脉冲的TEM10模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。
全息光致聚合物中光化学反应参数的理论拟合研究
路海, 李若平, 孙彩霞, 黄明举
2008, 29(2): 307-312.
摘要:
结合光致聚合物中光化学反应的基本过程及其理论函数模型,对多种采用不同双染料敏化的光致聚合物的透射率曲线进行拟合,得到了光化学反应理论模型中的参数。依托于实验数据,分析了利用MATLAB实现曲线拟合并得到光致聚合物中各光化学参数的新方法。结果表明:当曝光波长为632.8nm,曝光强度为65mW/cm2时,3种光致聚合物的拟合统计指标R-Square值分别为0.9687,0.9958和0.9902,说明所使用的理论结合实验数据的拟合分析方法是成功的。
聚合物波导M-Z调制器TM模的泰勒级数展开法研究
李晨, 廖进昆, 蒋亚东, 李伟, 陆荣国, 韩莉坤, 高宇
2008, 29(2): 313-316.
摘要:
根据聚合物脊型波导的结构特点,利用有效折射率法求出其横向折射率分布,将三维传播转化为二维传播,并从标量波动方程出发,在傍轴近似的情况下,采用Crank-Nicholson差分格式,得到了泰勒级数展开法基本计算格式,并对算法进行了适当优化;通过对Mach-Zehnder光波导TM模的模拟,分析了各种参数对损耗的影响。结果表明:泰勒级数展开法具有精度高、稳定性好、算法简单、易于编程等优点,是一种比较理想的光波导数值分析方法,可为聚合物电光调制器的设计制作提供理论参考。
二阶孤子的传输和相互作用
方云团, 范俊
2008, 29(2): 317-320.
摘要:
用分步傅里叶变换法求解二阶孤子传输的非线性薛定谔方程, 得到了在此条件下孤子传输的数值图形, 发现二阶孤子在传输中被压缩, 幅值振荡变化。2个二阶孤子在传输过程中没有出现象2个一阶孤子那样周期性碰撞, 但2个二阶孤子时间间隔较小时, 随传输距离在2个二阶孤子中间周期性地衍生出第3个孤子。研究证明:二阶孤子的传输具有与一阶孤子明显不同的特征。