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2015年  第36卷  第4期

光电系统与工程
某稳瞄转塔结构的有限元模态分析与试验验证
宋冬生, 杨远成, 高雅, 王晶, 卜忠红
2015, 36(4): 497-502. doi: 10.5768/JAO201536.0401001
摘要:
结构动态效应是影响稳瞄系统稳定精度的关键因素。目前有限元模态分析与试验模态分析结合的方法是分析结构动力学特性的最有效途径之一。以某型稳瞄具两轴四框架结构为研究对象,首先利用有限元方法进行了模态预分析。根据仿真结果获取的振型特征,对两轴四框架的外环进行模态测试,给出了前8阶模态的固有频率、振型和模态阻尼比。模态仿真与测试的结果相互验证表明:有限元仿真可实现两轴四框架结构固有频率相对误差小于15%的精度要求,在测点密度足够的条件下振型相关性良好。
光电系统扰动隔离度指标测试方法
寿少峻, 柳井莉, 郭新胜
2015, 36(4): 504-508. doi: 10.5768/JAO201536.0401002
摘要:
在推导出光电跟踪仪扰动隔离度计算公式的基础上,给出了2种测试扰动隔离度的方法:基于模拟环境测试方案和载体平台测试方案。通过分析2种测试方案的试验数据,分别阐述了它们的优缺点和适用的场合,并指出速度环的带宽是影响双环路控制模式下系统隔离扰动能力的关键因素,最后提出了增加扰动隔离度的控制模式优化建议。
一种新的光电设备方位角度检测方法
梁庆仟, 陶禹, 周丽华, 刘宇
2015, 36(4): 509-512. doi: 10.5768/JAO201536.0401003
摘要:
针对工作在静座桅杆条件下的光电设备,提出一种低成本的方位角度检测方法。采用2个倾角仪检测光电设备的俯仰轴和倾斜轴的角速度,用1个陀螺检测光电设备的方位轴角速度,完成光电设备方位角度变化量的解算。在已知初始方位角度的情况下,获取光电设备的实时方位角度值。实验表明,采用0.01的倾角仪和零偏稳定性为0.015/h的激光陀螺,方位精度达到0.009。
红外相机共孔径双波段成像光学系统
汤天瑾, 李岩
2015, 36(4): 513-518. doi: 10.5768/JAO201536.0401004
摘要:
针对双波段成像系统可以有效提升红外相机的目标探测与识别能力,选择了折反射式双波段系统结构形成,提出共孔径分光路中波红外和长波红外双波段成像光学系统。2个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后2个谱段采用相互独立的中继透镜组, 通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。2个谱段焦距均为800 mm,工作谱段为3.7 m~4.8 m和7.7 m~10.3 m,中波和长波的F数分别为2.3和2.8,视场角为1.2,该光学系统各谱段在各自乃奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,可满足实际使用需求。
三维光学扫描技术逆向工程应用研究
张德海, 李艳芹, 谢贵重, 杨勇, 王良文
2015, 36(4): 519-525. doi: 10.5768/JAO201536.0401005
摘要:
针对三维扫描测量数据因为原始点云在获取时受环境等客观条件限制,存在不可避免的噪声点、飞点、重叠点云等现象,以致存在点云密度大、运算复杂、计算周期长等问题,本文以在逆向工程中具有将三维物体几何信息转换为计算机能直接处理的二维数字信号的功能的三维光学扫描技术为基础,研究了三维扫描技术应用的主要设备、常用软件、使用方法和实体建模商用软件,研究了其原理及数学模型;结合XJTUOM,制定了扫描策略,以某型号汽车皮带轮和减震器托盘为例进行了实践操作,结果表明:该设备能够满足在逆向工程的应用,其扫描精度接近原始数模的相似度为98%。
卡塞格林系统光学装调技术研究
张向明, 姜峰, 孔龙阳, 李玉喜, 刘奕辰, 张锦亮, 赵红军, 王智超, 钟丽萍
2015, 36(4): 526-530. doi: 10.5768/JAO201536.0401006
摘要:
介绍卡塞格林系统非球面主镜使用三坐标测量仪进行定心装调的方案。系统的主镜口径为300 mm,需要使用结构胶进行胶结固定,选用微应力粘接方法,将胶层粘接应力与热应力变形控制在极小的范围内。利用ZYGO干涉仪获得光学系统的波前信息,将测得的波相差转化为初级像差,根据光学系统失调量与像差的关系对卡塞格林系统进行计算机辅助装调。调试后,系统的RMS值达到0.10,分辨率达到1以内,检测结果表明:该系统的成像质量接近理论衍射分辨率,该方案可以实现快速定心,并且能够满足计算机辅助装调对定心精度的要求。
像切割器技术积分视场三维光谱仪
张天一, 季杭馨, 侯永辉, 胡中文, 王磊
2015, 36(4): 531-536. doi: 10.5768/JAO201536.0401007
摘要:
基于国内外积分视场技术的发展趋势,搭建了积分视场三维光谱技术实验平台,进行积分视场单元像切分器的设计、加工以及性能检测方法与定标方法的研究。设计并制作完成了九切分单元像切割器,通过模拟望远镜输入端,进行了系统的性能分析,并进行了三维光谱数处理和定标。系统杂散光控制较好,总体光学效率高于40%。
光电信息获取与处理
基于ZedBoard的超分辨率视频复原系统
王源圆, 苏秉华, 邱文胜
2015, 36(4): 537-542. doi: 10.5768/JAO201536.0402001
摘要:
为了实现超分辨率视频图像的实时复原,设计了以ZedBoard可编程片上系统为基础的超分辨率视频复原系统。系统包括基于V4L2(Video for Linux 2)的USB摄像头视频采集、基于小波变换的超分辨率复原算法处理和基于Qt的图形用户界面制作以及视频输出。采用双线性、双立方和小波变换算法分别对Lena图像进行复原处理,峰值信噪比PSNR值分别为29.516、29.843、31.368。实验结果表明,提出的基于小波的超分辨率复原算法优于传统的插值算法,基于ZedBoard的超分辨视频复原系统复原效果良好。
基于平稳小波变换的时域光学相干层析系统
罗曼婷, 游腾飞, 张秋坤, 钟剑锋, 钟舜聪
2015, 36(4): 543-549. doi: 10.5768/JAO201536.0402002
摘要:
以平衡检测原理为基础,利用中心波长为700 nm的宽带低相干白光光源,在自由空间中搭建了分辨率为0.93 m的基于平稳小波变换(SWT)的时域光学相干层析(TDOCT)系统,并将其应用于塑料薄片与透明胶纸多层薄膜结构的无损评价。针对现有算法重构效果不够理想的问题,通过对OCT成像过程中的图像增强手段的对比,提出利用SWT分解算法处理多层薄膜结构的光学相干层析二维图像。由薄膜检测的实验结果可知,从SWT细节系数中可以提取更显著的多层薄膜界面干涉信号,从而提高多层薄膜界面的增强效果。
光学显微镜自动聚焦取窗方法研究
彭国晋, 玉振明, 于健海
2015, 36(4): 550-558. doi: 10.5768/JAO201536.0402003
摘要:
针对全自动光学显微镜系统中,传统聚焦窗口选择方法易受图像内容分布、杂质、噪声等因素干扰的问题,提出一种根据内容像素变化量选择聚焦窗口的方法。该方法将灰度差像素数量与边缘像素数量加权作为内容像素数量,据此衡量失焦模糊状态下子块内容含量并划分聚焦窗口,减少杂质与噪声对取窗过程的影响;用降采样后图像各子块内容含量估计原图像内容分布信息,降低图像滤波、梯度计算过程的计算量;使用局部标准差与锐利边缘像素数量联合检测焦平面图像的失焦模糊区域,有效排除玻片杂质造成的焦平面误判。与传统的显微镜自动聚焦取窗方法相比,对内容丰富程度和分布状况不同的显微图像序列,该方法均能获取有效的聚焦窗口,像素梯度均值更高,所得的评价曲线局部极值极少,尖锐性好,因此该方法的成功率高,鲁棒性更强。
光学计量与测试
真空低温环境反射镜光谱反射率原位测量技术
杨林华, 许杰, 蒋山平
2015, 36(4): 559-565. doi: 10.5768/JAO201536.0403001
摘要:
为了研究真空低温环境下定标光学系统光谱反射率测量技术,搭建了小型离轴抛物面反射镜的光谱反射率原位测量试验系统。系统由太阳模拟器、准直镜、折叠镜、离轴抛物面反射镜、光谱仪、数采系统等组成。分别在常温常压和真空低温环境下进行测量,得到350 nm~950 nm谱段光谱反射率及变化规律,常温常压、真空低温、恢复常温常压下系统测量平均值分别为0.882、0.863和0.883,测量重复性1.1%,不确定度优于2.4%。结果表明,反射镜光谱反射率在真空低温环境下有较明显的下降,环境恢复后,反射率随之恢复。
基于插值法波面拟合的球面光学元件检测
郭巧双, 王敏, 廖晓东
2015, 36(4): 566-571. doi: 10.5768/JAO201536.0403002
摘要:
为了实现在线自动化检测球面光学镜片的面形偏差,在已有的光学检测系统基础上,对光学检测系统采集的干涉图样进行图像处理和波面拟合算法研究。首先对干涉图样预处理,再根据球面光学镜片大多是圆形孔径,对预处理后的干涉条纹通过最小二乘法拟合出干涉图样的圆边界,确定数据取值边界点的中心和半径值;然后采用Multi-quadric函数插值法拟合出波面的面形轮廓,计算波面的峰谷偏差EPV值及均方根偏差ERMS值;最后用上述方法对Zygo干涉仪采集的干涉图的处理结果与Zygo干涉仪测试结果进行比较分析。结果表明:通过边界处理可有效提高波面拟合精度,采用multi-quadric函数插值法拟合可以理想的还原出波面,且测量误差与国标相比能够控制在0.2的误差范围内,与Zygo干涉仪检测结果相比可以控制在0.03误差范围内,都能够满足球面光学镜片在线检测的精度要求。
溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究
张艳娜, 郑小兵, 李新, 韦玮, 庞伟伟
2015, 36(4): 572-579. doi: 10.5768/JAO201536.0403003
摘要:
为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。
泵浦光的入射角对参量下转换的影响
夏茂鹏, 高冬阳, 李健军, 胡友勃', 郑小兵
2015, 36(4): 580-583. doi: 10.5768/JAO201536.0403004
摘要:
利用参量下转换制备相关光子实现对各类探测器的量子效率的定标,是近年来兴起的新型定标技术。由于参量下转换的光子转换效率低,探测器输出信号信噪比小。采用短波激光器泵浦PPLN周期极化性晶体,可获得较大功率的参量光。分析了泵浦光在PPLN晶体端面的入射角对参量光的转换效率、空间分布、参量带宽及晶体周期的影响,并进行了数值模拟。分析发现当泵浦光正入射晶体端面时,参量光功率转换大,带宽小,发散角大;随着泵浦光入射角度逐渐增大,参量下转换的转换效率降低,相关光子的带宽变小,发散角变小且参量光的中心波长的空间位置会发生相对偏移。该研究结果可为相关光子探测、模拟探测器量子效率的高精度定标提供理论依据。
基于四步相移光栅投影的三维形貌测量系统
尚忠义, 李伟仙, 董明利, 段良君
2015, 36(4): 584-589. doi: 10.5768/JAO201536.0403005
摘要:
为了实现对具有明显跳变面物体的轮廓测量,建立了四步相移光栅投影的三维形貌测量系统,并对所采用的四步相移测量算法进行研究。在介绍四步相移原理的基础上以有明显跳变面的三棱锥橡皮块为例,建立针对明显跳变面的测量算法。通过对4幅相移图算术求和并除以4得到平均灰度图;将平均灰度图二值化处理定位明显跳变面或阴影部分;将二值化图像与包裹相位图卷积,而后对包裹相位图进行解包裹,从而得到正确的连续相位,最终获取物体三维形貌。根据上述算法测量三棱锥的三维形貌并计算其体积,测量实验表明:被测物的体积平均相对精度为0.47%。
一种提高干涉相位识别精度的方法
杨练根, 刘丙康, 王选择, 翟中生
2015, 36(4): 590-595. doi: 10.5768/JAO201536.0403006
摘要:
针对开环相移驱动下的单色光干涉测量,提出一种满足四步法的高精度相位识别的方法。首先选取干涉场中存在适当相位差的两像素点,建立相移驱动单周期内两像素点灰度序列值之间的干涉方程组。运用椭圆拟合获取相应干涉方程组参数,然后通过反算序列相位确定逐点驱动步长或序列相位信息。结合序列相位信息,运用Lagrange抛物插值算法,设计计算满足四步法的4幅干涉图,并计算各像素点的初相位。最后,运用多波长算法计算表面形貌并进行误差分析。实验表明:计算得到的方波多刻线样板的Ra值为0.439 0 m,测量误差为0.23%,此方法降低了对测量条件的硬件与环境要求,满足表面形貌高精度测量的要求。
LED灯具在线老化测试新方法研究
王巧彬, 翁纪钊, 李茂文, 张沛强
2015, 36(4): 596-599. doi: 10.5768/JAO201536.0403007
摘要:
为解决LED灯具寿命老化测试普遍存在的操作流程复杂、自动化程度低、老化过程监测不连续而难以精确获得失效节点等问题,提出一种在线自动老化测试新方法,开发LED照明灯具自动化在线老化测试系统,全程由中心计算机程控并脱离人为操作,实时连续监测LED灯具老化过程中的光衰、电参数等指标,实现LED照明灯具的自动化在线寿命老化测试。
光学元件与制造
一种LED照明光源均匀度设计
肖韶荣, 李曼
2015, 36(4): 600-605. doi: 10.5768/JAO201536.0405001
摘要:
为了满足数字摄像法能见度测量仪均匀光源的要求,提高半导体发光二极管照明的均匀性,该文提出一种基于数字图像分析技术的设计方法。首先测量单颗LED在模组区域的亮度分布,进而拟合分布函数,再运用多颗LED亮度叠加原理,计算出不均匀度最小的多颗LED阵列方式,或固定均匀度对应的最佳尺寸。对仿真数据和实测数据进行对比分析,结果表明,该文计算出的LED阵列方式,与单边阵列相比,均匀度显著提高,最高可达95%以上。
GaN基LED倒装芯片蓝宝石衬底半球型图形优化设计
车振, 张军, 余新宇, 陈哲
2015, 36(4): 606-611. doi: 10.5768/JAO201536.0405002
摘要:
为了提高GaN基LED芯片的光提取效率,以GaN基LED芯片为研究对象,建立了在蓝宝石衬底出光面和外延生长面上具有半球型图形的LED倒装芯片模型,并利用光学仿真软件对图形参数进行优化设计。实验结果表明:在蓝宝石衬底的出光面和外延生长面双面都制作凹半球型图形对芯片光提取效率的提高效果最好,并且当半球的半径为3 m,周期间距为7 m时,GaN基LED倒装芯片的最大光提取效率为50.8%,比无图形化倒装芯片的光提取效率提高了115.3%。
一种大功率LED散热系统模糊控制器设计
王莉, 刘永成, 王志斌
2015, 36(4): 612-617. doi: 10.5768/JAO201536.0405003
摘要:
基于当前的COB封装LED芯片,分析了芯片的热阻模型,推导出发光结在理想温度下工作时的基板温度。针对大功率LED存在的散热问题,基于课题组双进双出射流冲击水冷散热系统,设计了一种模糊控制器,选取温度变化和温度变化率为控制输入量,并对各控制输入量的范围设定进行了说明。根据设计的控制器进行程序编写,下载到控制芯片中进行实际验证,在20℃环境温度下,芯片基板温度最终维持在35.5~36.5℃之间,保证了灯具正常、稳定工作,为大功率LED散热系统提供了一种控制器设计方案,具有一定的实际意义。
基于菌紫质薄膜的相移器及其应用
杨晨晓, 韩俊鹤, 姚保利, 李若平, 黄明举
2015, 36(4): 618-623. doi: 10.5768/JAO201536.0405004
摘要:
设计了一种基于菌紫质光致各向异性的相移器,并把它用于相移干涉计量。取向随机分布的极性菌紫质分子对线偏振诱导光的选择性吸收导致分子取向分布不均匀,使其呈现宏观的各向异性,这种各向异性与诱导光的偏振特性密切相关,圆偏振光经过各向异性的菌紫质薄膜后,出射光的偏振特性完全由偏振诱导光决定。基于上述原理设计了一种新型的相移器,用琼斯矩阵法推导了基于相移器的相移干涉原理。该相移器在工作过程中不需要移动Mach-Zender干涉仪内部的任何器件,仅需要改变外部控制光路中诱导光的偏振取向就可以控制参考光的相位,有助于提高设备的抗振能力。用最小二乘法对相移干涉结果进行重建,得到了和实际相位一致的结果,验证了相移器的可行性。
基于AAO的CuCl2纳米花瓣状薄膜的发光特性研究
任军营, 王凯歌, 魏洪铎, 武建国, 武青青, 巴汉卿, 白晋涛
2015, 36(4): 624-629. doi: 10.5768/JAO201536.0405005
摘要:
利用直接沉积法在多孔阳极氧化铝(AAO)材料表面沉积CuCl22H2O水溶液制备纳米花状薄膜,并利用场发射扫描电镜对其形貌进行表征,结合X射线光电子能谱等技术鉴定其成分,结果表明纳米花状薄膜为CuCl2。在室温条件下,测量了样品的光致发光光谱特性,观察到表面有纳米花状CuCl2薄膜的AAO,其激发中心在290 nm,发射中心在415 nm,与基底AAO位置完全相同,但发光强度从127 cd提高到183 cd;对比宏观CuCl2粉末、AAO薄膜的激发和发射光谱,分析认为生长有纳米花状CuCl2的AAO薄膜发光强度提高的原因是该层表面的纳米结构形貌。
红外技术
基于自适应频域滤波的红外弱小目标检测技
张华良, 谢永杰, , 张颂, 赵岩'焦姣
2015, 36(4): 630-634. doi: 10.5768/JAO201536.0406001
摘要:
研究复杂背景下弱小目标检测问题对提高靶场光电设备探测能力具有重要意义。根据红外图像的背景复杂程度,提出一种自适应高斯高通滤波算法。该算法利用改进中值滤波器对图像进行降噪,采用图像方差加权熵,定量描述红外图像背景复杂程度,根据图像背景复杂程度自动调整滤波器截止频率,实现不同背景下红外弱小目标自动检测,并利用靶场实测光电图像对算法进行了验证。实验结果表明该算法能够有效地在不同图像背景下检测到弱小目标。
低温对中波红外带通滤光片光谱特性的影响
陈凤金, 马胜昔, 苏现军, 经凌
2015, 36(4): 644-647. doi: 10.5768/JAO201536.0406002
摘要:
为考察滤光片在低温环境下的可靠性,镀制了Ge基和宝石基中波带通滤光片,分别实施了5 min、15 min、25 min、35 min、120 min、300 min的液氮低温试验,并测试出其透过率曲线,考察低温对其光谱特性及膜层牢固度的影响。带通滤光片通带区透过率随低温时间增长有逐渐下降趋势,中心波长出现13 nm的微小偏移,是所镀制的膜料高、低折射率相对变化使中心波长和截止波长的比值发生变化所致。Ge基材料对温度更为敏感,在由常温到低温过渡期间,Ge基中波滤光片通带透过率降低幅度比宝石基底的中波带通滤光片大10%。在300 min以内的低温环境下,2种中波红外带通滤光片均未出现膜层脱落现象。
激光技术
基于光线追迹的单频激光多重回馈效应研究
曾召利, 杜双格, 张晓军, 刘渊声, 尚永兵, 李维娜, 张敏
2015, 36(4): 639-643. doi: 10.5768/JAO201536.0407001
摘要:
提出一种基于非准直平凹回馈腔的单频激光多重回馈光线追迹模型,采用该模型阐明了单频激光多重回馈效应的产生机理,分析了多重回馈高分辨率条纹的特性,明确了影响多重回馈条纹形状的主要因素,包括回馈镜的倾角、曲率半径、反射率以及回馈外腔长等,获得了回馈镜在不同倾角时的有效回馈阶次及其耦合系数。光线追迹分析与实验结果表明:当回馈镜倾斜角为1.7时,多重回馈效应会产生调制幅度均匀、没有大包络的高分辨率回馈条纹,每个条纹的分辨率可达/50。
大气湍流对激光照射精度影响分析和计算
陆红强, 郑震山, 张璟玥, 周磊
2015, 36(4): 644-647. doi: 10.5768/JAO201536.0407002
摘要:
为了评估大气湍流效应对激光照射器照射精度的影响,理论分析和数值计算了由于大气湍流引入的激光照射误差随着照射距离、大气湍流强度、激光光束半径的变化关系。结果表明:随着照射距离和湍流强度的增加,以及激光光束半径的减小,大气湍流引起的激光照射误差增大,大气湍流对现有机载光电稳瞄系统照射精度影响为10 rad~30 rad。
500 nm带宽啁啾镜对的设计与应用
王家杰, 杨刚, 刘文军, 李健
2015, 36(4): 648-651. doi: 10.5768/JAO201536.0407003
摘要:
设计了中心波长在825 nm、有效带宽在600 nm~1100 nm的超宽带啁啾镜对,色散补偿量目标值为-100 fs2。配对设计的啁啾镜对有效抑制了单个啁啾镜的色散振荡,啁啾镜对色散振荡幅度的最大值为50 fs2,用设计制作的啁啾镜对进行色散补偿,用频率分辨光学开关测量装置对脉冲进行测量。将10.3 fs的超短脉冲通过0.5 mm厚的LBO晶体,色散效应导致脉冲展宽,半峰值处的全宽度为39.6 fs,实验结果表明,经过啁啾镜对一次色散补偿后的脉冲形状,半峰值处得全宽度为11.6 fs;脉冲经过2次补偿后,脉冲被压缩到10.7 fs。
光纤传感和光通信
数字全息成像技术测量侧边抛磨光纤包层剩余厚度
汪峰, 马杰, 陈哲, 钟金钢, 余健辉, 钟永春
2015, 36(4): 652-659. doi: 10.5768/JAO201536.0408001
摘要:
测量侧边抛磨光纤(sidepolished fiber,SPF)的包层剩余厚度对其应用有重要的指导意义,现今的测量方法均有所不足,现提出一种基于数字全息技术的测量方法。利用单模光纤纤芯折射率比包层折射率高的特点,基于数字全息成像技术,通过角谱传播法对二维全息图进行相位重构,并通过精确最小二乘法解相位包裹,得到侧边抛磨光纤的相位分布图。根据重构的相位分布图,进一步运用相关的边缘提取算法处理得到侧边抛磨光纤包层剩余厚度。实验测量结果与电子扫描电镜(SEM)测量结果相比,测量相对误差小于0.5%。这种测量方法是一种直接测量方法,减小了间接测量法中由于光纤不对称以及SPF轮廓边缘衍射所带来的测量误差,为侧边抛磨光纤包层剩余厚度的无损、在线测量提供了一种新的途径。同时,此方法还可应用于测量其他特种光纤,例如光子晶体光纤、微纳光纤等。
混合干涉型分布式光纤传感器PGC信号解调设计与实验分析
朱俊, 王强, 谷小红, 杨其华
2015, 36(4): 660-665. doi: 10.5768/JAO201536.0408002
摘要:
对一种基于马赫-曾德尔和萨格纳克混合干涉仪原理的分布式光纤泄漏检测系统调制解调技术进行研究,对PGC解调技术进行理论分析。针对所选泄漏分布式光纤传感特点设计了PGC解调硬件电路,并对PGC解调电路进行了测试。实验中待测信号为0~50 kHz,载波频率为300 kHz,截止频率为50 kHz, 移相后与待测信号的相关系数达到0.95,谐波失真小于3%,泄漏源位置为7.865 km,泄漏检测定位系统绝对定位误差为235 m,相对定位误差为2.35%。本解调定位系统具有稳定性和抗干扰性。